JP7104131B2 - 複数のカップリング素子を備える超伝導回路アーキテクチャ及び超伝導量子チップ - Google Patents

Description

本開示は、コンピュータ分野に関し、特に量子計算技術分野に関し、具体的には、複数のカップリング素子を備える超伝導回路アーキテクチャ、超伝導量子チップ及び超伝導量子コンピュータに関する。

超伝導回路において、量子ビットは特定の方式で一緒にカップリングされて、量子ビットにマイクロ波パルスを印加することで、単一ビット又は２ビット量子ゲートを実現することができる。

通常、量子ビットを一緒にカップリングさせるカップリングのタイプにはいろんな種類がある。往々にして、量子ビット間に設計されたカップリングに加えて、いくつかの避けられない寄生カップリングが生じ得るが、これらの寄生カップリングは、量子ゲートの忠実度に深刻な影響を与え、したがって量子チップ全体の性能を制限することになる。

発明の内容

本出願は、複数のカップリング素子を備える超伝導回路アーキテクチャ、超伝導量子チップ及び超伝導量子コンピュータを提供する。

第１の側面によれば、本出願は、複数のカップリング素子を備える超伝導回路アーキテクチャを提供する。前記超伝導回路アーキテクチャは、第１量子ビットと、第２量子ビットと、第１カップリング素子と、第２カップリング素子とを備え、前記第１カップリング素子が、第１コネクタを介して前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットにカップリングされ、前記第２カップリング素子が、第２コネクタを介して前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットにカップリングされ、前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットの周波数は、前記第１カップリング素子の周波数と前記第２カップリング素子の周波数の間にあり、前記第１カップリング素子の非線形強度と前記第２カップリング素子の非線形強度とは符号が逆である。

第２の側面によれば、本出願は、超伝導量子チップを提供する。前記超伝導量子チップは、第１の側面に係る複数のカップリング素子を備える超伝導回路アーキテクチャを備える。

第３の側面によれば、本出願は、超伝導量子コンピュータを提供する。前記超伝導量子コンピュータは、第２の側面に係る超伝導量子チップを備える。

本出願に係る技術方案によれば、複数のカップリング素子を導入し、これらのカップリング素子の周波数及び非線形強度を設定することで、量子ビット間の異なるタイプのカップリングを独立的に制御可能にし、したがって超伝導回路における量子ビット間の寄生カップリングを解消でき、超伝導回路において実現される単一ビット量子ゲート及び２ビット量子ゲートの忠実度を向上させ、さらに、量子チップ全体の性能を向上させる。本出願は、従来技術における量子ビット間の寄生カップリングにより、超伝導回路において実現される単一ビット量子ゲート及び２ビット量子ゲートの忠実度に影響を与えるという問題点を解決する。

このセクションで説明される内容は、本開示の実施例のクリティカル又は重要な特徴を識別することを意図するものでも、本開示の範囲を制限することを意図するものでもないことを理解されたい。本開示の他の特徴は以下の明細書により理解しやすくなるだろう。

図面は、本方案をよりよく理解するようにするためのものであり、本出願に対する限定を構成しない。

本出願の第１実施例に係る複数のカップリング素子を含む超伝導回路アーキテクチャの概略図である。

本出願の第１実施例に係る超伝導回路アーキテクチャにおける量子ビット間のカップリング関係の概略図（その１）である。

本出願の第１実施例に係る具体的な一例における超伝導回路の構造概略図である。

本出願の第１実施例に係る超伝導回路アーキテクチャにおける量子ビット間のカップリング関係の概略図（その２）である。

以下、図面を結び付けて、本出願の例示的な実施例を説明し、その中で、理解に役立つように、本出願の実施例の各種の詳細が含まれるが、これらの詳細は単に例示的なものとみなされるべきである。したがって、当業者は、本出願の範囲及び精神を逸脱することなく、本明細書で説明される実施例に対して様々な変更及び修正を実施し得ることを認識すべきである。同様に、明快さと簡潔さを期するために、以下の説明において、よく知られている機能及び構造についての説明は省略されている。

第１実施例
図１を参照すると、図１は、本出願の第１実施例に係る複数のカップリング素子を含む超伝導回路アーキテクチャの概略図である。図１に示す如く、複数のカップリング素子を含む超伝導回路アーキテクチャ１００は、第１量子ビット１０１と、第２量子ビット１０２と、第１カップリング素子１０３と、第２カップリング素子１０４とを備え、第１カップリング素子１０３が、それぞれ第１コネクタ１０５を介して第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２にカップリングされ、第２カップリング素子１０４が、それぞれ第２コネクタ１０６を介して第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２にカップリングされ、第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２の周波数は、第１カップリング素子１０３の周波数と第２カップリング素子１０４の周波数の間にあり、第１カップリング素子１０３の非線形強度と第２カップリング素子１０４の非線形強度とは符号が逆である。

第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２は、いずれも実際の物理部品に対応する。第１量子ビット１０１の構造と第２量子ビット１０２の構造とは同じであってもよく、異なっていてもよく、本明細書では具体的に限定しないことにする。

本実施例において、第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２は、いずれもｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビットを例として詳細に説明する。超伝導回路アーキテクチャにおいて、ｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間には常に異なる二つのタイプのカップリングが生じるが、それぞれＸＹカップリングとＺＺカップリングとに定義される。ＸＹカップリングとは、量子ビット間で仮想光子を交換することでカップリングを実現することを指し、ＺＺカップリングとは、一つの量子ビット状態の変化が別の量子ビットの周波数に影響を与えることになることを指す。

第１カップリング素子１０３は、それぞれ第１コネクタ１０５を介して前記第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２にカップリングされ、したがって二つの量子ビット間の間接カップリングが生じる。また、これら二つの量子ビット間のカップリング強度は、第１カップリング素子１０３の周波数が変化するにつれて変化する。このように、第１カップリング素子１０３の周波数を変更することで、これら二つの量子ビット間のカップリング強度に対する制御を実現することができる。

具体的に、超伝導回路アーキテクチャにおいて、第１カップリング素子１０３は、二つのｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間の一つのカップリング経路を作ったことに該当する。このようにして、ｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間に有効なＸＹカップリング及びＺＺカップリングが生じるようにし、第１カップリング素子１０３の周波数を変更することでカップリング強度に対する制御を行うことができる。

第２カップリング素子１０４は、それぞれ第２コネクタ１０６を介して第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２にカップリングされ、したがって同じく二つの量子ビット間の間接カップリングが生じる。また、これら二つの量子ビット間のカップリング強度は、第２カップリング素子１０４の周波数が変化するに連れて変化する。このように、第２カップリング素子１０４の周波数を変更することで、これら二つの量子ビット間のカップリング強度に対する制御を実現することができる。

具体的に、超伝導回路アーキテクチャにおいて、第２カップリング素子１０４も、二つのｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間の一つのカップリング経路を作ったことに該当する。このようにして、ｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間に有効なＸＹカップリング及びＺＺカップリングが生じるようにし、第２カップリング素子１０４の周波数を変更することでカップリング強度に対する制御を行うことができる。

このようにして、二つの調節自由度が導入され、即ち、第１カップリング素子１０３及び第２カップリング素子１０４の周波数を調節することで、これら二つのｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＸＹカップリング及びＺＺカップリングのカップリング強度を制御できる。したがって、第１カップリング素子１０３及び第２カップリング素子１０４を導入し、第１カップリング素子１０３及び第２カップリング素子１０４の周波数をそれぞれ調節することで、これら二つのｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＸＹカップリング及びＺＺカップリングのカップリング強度を独立的に制御できる。

制御過程において、その目的は、通常、二つのｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間の寄生カップリングを解消することであり、超伝導回路が実現しようとする機能に応じて、その寄生カップリングは異なり得る。例えば、この超伝導回路において単一ビット量子ゲートを実現しようとする場合、ｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＸＹカップリング及びＺＺカップリングは、いずれも量子ビット間の寄生カップリングである。別の例として、該超伝導回路において２ビット量子ゲートを実現しようとする場合、ｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＸＹカップリング又はＺＺカップリングは、量子ビット間の寄生カップリングであり、例えば、ｉＳＷＡＰゲートにおけるＺＺカップリングは、量子ビット間の寄生カップリングである。

さらに、この超伝導回路を利用して、例えば凝縮状態物理のボーズハバード（Ｂｏｓｅ―Ｈｕｂｂａｒｄ）モデルをシミュレートする場合、制御の目的は、量子ビット間のＸＹカップリング及びＺＺカップリングがいずれも独立的に制御できるべきであることにある。

第１カップリング素子１０３により生成されたカップリング及び第２カップリング素子１０４により生成されたカップリングが効果的にオフセットされて、寄生カップリングを解消するのを実現するために、例えば、単一ビット量子ゲートに対してＸＹカップリング及びＺＺカップリングを解消し、２ビット量子ゲートｉＳＷＡＰゲートに対してＺＺカップリングを解消する。通常、第１カップリング素子１０３により生成されたカップリングの強度と第２カップリング素子１０４により生成されたカップリングの強度とは符号が逆であることが満たされるべきである。

ｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＸＹカップリングは、第１カップリング素子１０３及び第２カップリング素子１０４の周波数に関連するため、第１カップリング素子１０３及び第２カップリング素子１０４の周波数を限定して、一カップリング素子によって誘発されるＸＹカップリング強度が正の値であり、別のカップリング素子によって誘発されるＸＹカップリング強度が負の値であるようにする必要がある。

なお、ｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＺＺカップリングは、第１カップリング素子１０３及び第２カップリング素子１０４の非線形強度に関連するため、第１カップリング素子１０３及び第２カップリング素子１０４の非線形強度を限定して、一カップリング素子によって誘発されるＺＺカップリング強度が正の値であり、別のカップリング素子によって誘発されるＺＺカップリング強度が負の値であるようにする必要がある。

具体的に、第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２の周波数は、第１カップリング素子１０３の周波数と第２カップリング素子１０４の周波数の間にあるとともに、第１カップリング素子１０３の非線形強度と第２カップリング素子１０４の非線形強度とは符号が逆である。

一実施形態において、第１カップリング素子１０３の周波数は、いずれも第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２の周波数より大きくてもよく、第２カップリング素子１０４の周波数は、いずれも第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２の周波数より小さくてもよい。このとき、第１カップリング素子１０３によって誘発されるｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＸＹカップリングは負の値であり、第２カップリング素子１０４によって誘発されるｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＸＹカップリングは正の値である。第１カップリング素子１０３及び第２カップリング素子１０４の周波数を独立的に調節することで、ｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＸＹカップリングが解消されることが期待される。

一方、本実施形態において、第１カップリング素子１０３の非線形強度は正の値であり得、第２カップリング素子１０４の非線形強度は負の値であり得る。このとき、第１カップリング素子１０３によって誘発されるｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＺＺカップリングは正の値であり、第２カップリング素子１０４によって誘発されるｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＺＺカップリングは負の値である。第１カップリング素子１０３及び第２カップリング素子１０４の周波数を独立的に調節することで、ｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＺＺカップリングが解消されることが期待される。

もちろん、実際の応用では、第１カップリング素子１０３と第２カップリング素子１０４との周波数及び非線形強度を設定する他の実施形態があり、第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２の周波数が第１カップリング素子１０３の周波数と第２カップリング素子１０４の周波数の間にあるとともに、第１カップリング素子１０３の非線形強度と第２カップリング素子１０４の非線形強度との符号が逆であることを満たしさえすればよい。

本実施例において、二つの調節自由度を導入し、即ち、第１カップリング素子１０３及び第２カップリング素子１０４を導入し、且つ第１カップリング素子１０３及び第２カップリング素子１０４の周波数をそれぞれ調節することで、二つのｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＸＹカップリング及びＺＺカップリングのカップリング強度を独立的に制御できる。また、第１カップリング素子１０３と第２カップリング素子１０４との周波数及び非線形強度を限定することで、第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２の周波数が第１カップリング素子１０３の周波数と第２カップリング素子１０４の周波数の間にあり、第１カップリング素子１０３の非線形強度と第２カップリング素子１０４の非線形強度との符号が逆であるようにし、ＸＹカップリング及び／又はＺＺカップリングを解消することが期待され、したがって本超伝導回路によって実現される単一ビット量子ゲート及び２ビット量子ゲートの寄生カップリングを解消でき、量子ゲートの忠実度を向上させ、さらに、量子チップ全体の性能を向上させる。

超伝導回路アーキテクチャにおけるｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＸＹカップリング及びＺＺカップリングのカップリング強度を独立的に制御できるため、ｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＸＹカップリング及びＺＺカップリングが完全に解消された場合、本超伝導回路は高忠実度の単一ビット量子ゲートを実現することができる。ｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＺＺカップリングのみが解消された場合、本超伝導回路は高忠実度の２ビット量子ゲートを実現でき、ｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＸＹカップリング強度は、需要に応じて自由に制御されてもよい。また、本超伝導回路は、例えば、凝縮状態物理のＢｏｓｅ―Ｈｕｂｂａｒｄモデルをシミュレートしてもよい。したがって、本超伝導回路は、制御の実際状況に応じて多様な応用を実現でき、これにより本超伝導回路の応用範囲が拡大される。

また、超伝導回路アーキテクチャにおける量子ビット間の異なるタイプのカップリングがいずれも独立的に制御乃至解消できるため、超伝導回路全体のスケーラビリティ及びパルス校正過程がクロストークの影響を受けなくなり、したがってより簡単になる。

実際の応用において、前記第１カップリング素子１０３は共振キャビティであってもよく、量子ビットであってもよい。第２カップリング素子１０４は共振キャビティであってもよく、量子ビットであってもよい。集積を容易にするために、好ましくは、第１カップリング素子１０３及び第２カップリング素子１０４は、いずれも量子ビットであってもよい。

第１カップリング素子１０３がそれぞれ第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２と有効なカップリングを生成させるために、第１コネクタ１０５は、キャパシタ、ジョセフソン接合、共振キャビティのうち少なくとも一つの構成要素を含み得る。第２カップリング素子１０４がそれぞれ第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２と有効なカップリングを生成するようにするために、第２コネクタ１０２も、キャパシタ、ジョセフソン接合、共振キャビティのうち少なくとも一つの構成要素を含み得る。本実施例において、第１コネクタ１０５及び第２コネクタ１０６は、いずれもキャパシタを例として詳細に説明される。

留意すべきことは、本出願に係る超伝導回路アーキテクチャは、超伝導素子を採用して実現される回路を指す。即ち、超伝導回路で使用される部品は、いずれも超伝導材料から製造される。また、本出願における量子ビット及びパラメータ区間は、全て既存の超伝導回路技術によるため、その実現可能性が保証される。

選択的に、第１カップリング素子１０３及び第２カップリング素子１０４は、いずれも基底状態に準備された量子ビットである。

本実施形態において、第１カップリング素子１０３及び第２カップリング素子１０４も量子ビットである。第１量子ビット１０１により実現される量子ビットを計算量子ビットｑ１と称し、第２量子ビット１０２により実現される量子ビットを計算量子ビットｑ２と称し、一方、第１カップリング素子１０３により実現される量子ビットをカップリング量子ビットｃ１と称し、第２カップリング素子１０４により実現される量子ビットをカップリング量子ビットｃ２と称すことができる。

図２を参照すると、図２は、本出願の第１実施例に係る超伝導回路アーキテクチャにおける量子ビット間のカップリング関係の概略図（その１）である。図２に示す如く、計算量子ビットは黒丸で標記されており、カップリング量子ビットは破線丸で標記されている。

具体的に、カップリング量子ビットｃ１は、それぞれ計算量子ビットｑ１及び計算量子ビットｑ２とカップリングを実現し、したがって計算量子ビットｑ１及び計算量子ビットｑ２の間の間接カップリングが生じる。また、カップリング量子ビットｃ１の周波数を調節することで、計算量子ビットｑ１と計算量子ビットｑ２の間のカップリング強度が調節することができる。一方、カップリング量子ビットｃ２も、それぞれ計算量子ビットｑ１及び計算量子ビットｑ２とカップリングを実現し、したがって、同じく、計算量子ビットｑ１と計算量子ビットｑ２の間の間接カップリングが生じる。また、カップリング量子ビットｃ２の周波数を調節することで、計算量子ビットｑ１と計算量子ビットｑ２の間のカップリング強度も調節することができる。

このように、二つの調節自由度を導入し、即ち、カップリング量子ビットｃ１及びカップリング量子ビットｃ２を導入し、且つカップリング量子ビットｃ１及びカップリング量子ビットｃ２の周波数をそれぞれ調節することで、二つのｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビット間のＸＹカップリング及びＺＺカップリングのカップリング強度を独立的に制御できる。また、カップリング量子ビットｃ１とカップリング量子ビットｃ２との周波数及び非線形強度を限定することで、計算量子ビットｑ１及び計算量子ビットｑ２の周波数がカップリング量子ビットｃ１の周波数とカップリング量子ビットｃ２の周波数の間にあり、カップリング量子ビットｃ１の非線形強度とカップリング量子ビットｃ２の非線形強度との符号が逆であるようにし、ＸＹカップリング及び／又はＺＺカップリングを解消することが期待され、したがってこの超伝導回路アーキテクチャによって実現される単一ビット量子ゲート及び２ビット量子ゲートの寄生カップリングを解消でき、量子ゲートの忠実度を向上させ、さらに、量子チップ全体の性能を向上させる。

説明すべきことは、カップリング量子ビットｃ１及びカップリング量子ビットｃ２は、いずれも基底状態に準備される量子ビットであり、補助量子ビットとして、量子ゲートの忠実度に影響を与えないように、可能な限りカップリング量子ビットに高エネルギー準位リークが発生するのを回避すべきである。

また、この超伝導回路アーキテクチャにおいて、計算量子ビットとカップリング量子ビットの間のカップリングがいずれも拡散カップリングであることが要求されるが、拡散カップリングとは、計算量子ビットとカップリング量子ビットの間のカップリング強度が両者間の周波数差よりもはるかに小さいことを指す。このようにして、カップリング量子ビットからのノイズを抑制でき、補助量子ビットとしてのみ用いられるようにする。

本実施形態において、カップリング素子を量子ビットと類似した構造に設計することで、超伝導回路アーキテクチャがより容易に集積される。

図３を参照すると、図３は、本出願の第１実施例に係る具体的な一例における超伝導回路の構造概略図である。図３に示す如く、第１カップリング素子１０３の非線形強度と第２カップリング素子１０４の非線形強度とは符号が逆であるため、それらの設計構造も異なる。具体的な一例において、第１カップリング素子１０３の非線形強度は負の値であって、ｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビットにより実現され得、第２カップリング素子１０４の非線形強度は正の値であって、別の量子ビット、例えばｃａｐａｃｉｔｉｖｅ―ｓｈｕｎｔｅｄ ｆｌｕｘ ｑｕｂｉｔという名称を持つ量子ビットにより実現され得る。

具体的に、第１カップリング素子１０３は、第１超伝導量子干渉装置１０３１と、第１超伝導量子干渉装置に並列接続された第１キャパシタ１０３２とを備え、第１超伝導量子干渉装置１０３１は、磁束を印加することで第１カップリング素子１０３の周波数を調節するための、並列接続された二つのジョセフソン接合を備え、第２カップリング素子１０４が、第２超伝導量子干渉装置１０４１と、第２超伝導量子干渉装置１０４１に並列接続された第２キャパシタ１０４２とを備え、第２超伝導量子干渉装置１０４１は、磁束を印加することで前記第２カップリング素子１０４の周波数を調節するための、直列接続された二つのジョセフソン接合と別のジョセフソンとが並列接続されてなる。

本実施形態において、第１カップリング素子１０３と第２カップリング素子１０４とを異なる構造に設計することで、第１カップリング素子１０３の非線形強度と第２カップリング素子１０４の非線形強度との符号が逆であることを実現できる。また、第１超伝導量子干渉装置１０３１及び第２超伝導量子干渉装置１０４１に磁束を印加することで、該印加される磁束がカップリング量子ビットのジョセフソンエネルギーに直接影響を及ぼすようにし、したがってカップリング量子ビットの周波数を変更でき、さらに、超伝導量子干渉装置を通過する磁束を調節することで、カップリング量子ビットの周波数を便利に調節できる。

選択的に、第１量子ビット１０１が、磁束を印加することで第１量子ビット１０１の周波数を調節するための、第３超伝導量子干渉装置１０１１を備え、第２量子ビット１０２が、磁束を印加することで第２量子ビット１０２の周波数を調節するための、第４超伝導量子干渉装置１０２１を備える。

本実施形態において、第３超伝導量子干渉装置１０１１及び第４超伝導量子干渉装置１０２１により、それぞれ磁束を印加することで第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２の周波数を調節することができる。

選択的に、第３超伝導量子干渉装置１０１１及び第４超伝導量子干渉装置１０２１は、いずれも並列接続された二つのジョセフソン接合を備える。

本実施形態において、第３超伝導量子干渉装置１０１１及び第４超伝導量子干渉装置１０２１に磁束を印加することで、該印加される磁束が計算量子ビットのジョセフソンエネルギーに直接影響を及ぼすようにし、したがって計算量子ビットの周波数を変更でき、さらに、超伝導量子干渉装置を通過する磁束を調節することで、計算量子ビットの周波数を便利に調節でき、カップリング量子ビットと計算量子ビットの間のカップリングを実現するための基礎を築く。

選択的に、第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２は、いずれも量子ビットが位置する環境の電荷ゆらぎに対してノイズ低減を行うためのノイズ低減部材を備える。図３に示す如く、第１量子ビット１０１は、ノイズ低減部材１０１２を備え、第２量子ビット１０２は、ノイズ低減部材１０２２を備える。

選択的に、第１量子ビット１０１は、量子ビットが位置する環境の電荷ゆらぎに対してノイズ低減を行うための、第３超伝導量子干渉装置１０１１に並列接続された第３キャパシタを更に備え、第２量子ビット１０２は、量子ビットが位置する環境の電荷ゆらぎに対してノイズ低減を行うための、第４超伝導量子干渉装置１０２１に並列接続された第４キャパシタを更に備える。

図３に示す如く、ノイズ低減部材１０１２は、第３キャパシタであり得、ノイズ低減部材１０２２は、第４キャパシタであり得る。

選択的に、超伝導回路アーキテクチャは、第３カップリング素子を更に備え、第３カップリング素子は、それぞれ第３コネクタを介して第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２にカップリングされる。

本実施形態において、上記の実施形態に係る超伝導回路アーキテクチャを拡張し得る。具体的には、第１量子ビット１０１と第２量子ビット１０２、即ち、二つの計算量子ビット間にＮ個の異なるタイプのカップリングが存在し、Ｎが２より大きい場合、少なくとも一つの第３カップリング素子を導入し、第１カップリング素子１０３及び第２カップリング素子１０４を加えて、全部でＮ個のカップリング素子を導入することができる。

第３カップリング素子が第１カップリング素子１０３及び第２カップリング素子１０４にカップリングされる方式は、それぞれ第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２にカップリングされる方式と類似しており、本明細書では繰り返し説明しないことにする。

一つのカップリング素子を導入する度に、二つの計算量子ビット間の一つのカップリング経路を生成でき、且ついずれもカップリング素子の周波数を調節することで、二つの計算量子ビット間のカップリング強度を独立的に制御できる。したがって、Ｎ個のカップリング素子を導入することで、該超伝導回路がＮ個の自由度から二つの計算量子ビット間のカップリング強度を独立的に制御可能にする。このようにして、二つの計算量子ビット間のＮ個の異なるタイプのカップリングがいずれも独立的に制御可能にし、必要に応じて一種類又は数種類、ひいては全てのカップリングを完全に解消し得、したがって二つの計算量子ビット間の寄生カップリングを解消でき、超伝導回路において実現される単一ビット量子ゲート及び２ビット量子ゲートの忠実度を向上させ、さらに、量子チップ全体の性能を向上させる。

選択的に、超伝導回路アーキテクチャは、第３量子ビットと、第４カップリング素子と、第５カップリング素子とを更に備え、第４カップリング素子が、それぞれ第４コネクタを介してターゲット計算量子ビット及び第３量子ビットにカップリングされ、第５カップリング素子が、それぞれ第５コネクタを介してターゲット計算量子ビット及び第３量子ビットにカップリングされ、ターゲット計算量子ビットは、第１量子ビット１０１及び第２量子ビット１０２のうち一つである。

本実施形態において、上記の実施形態に係る超伝導回路アーキテクチャを拡張し得るが、具体的には、より複雑なタスクをサポートするように、上記の実施形態に係る超伝導回路アーキテクチャを基本単位として拡張を行う。

第３量子ビットの数は、少なくとも１であり得、第３量子ビットの各々は、ターゲット計算量子ビットと対になり得、前記ターゲット計算量子ビットは、第１量子ビット１０１又は第２量子ビット１０２である。一方、第４カップリング素子がそれぞれこれら二つの計算量子ビットにカップリングされ、第５カップリング素子もそれぞれこれら二つの計算量子ビットにカップリングされることで、これら二つの計算量子ビット間のＸＹカップリングとＺＺカップリングとを独立的に制御でき、これら二つの計算量子ビット間の寄生カップリングを解消するようにする。

このように、本実施形態に係る超伝導回路アーキテクチャにおける隣接する二つの計算量子ビットごとの間に二つのカップリング量子ビットを導入し、且つカップリング量子ビットの周波数独立的に調節することで、計算量子ビット間のＸＹカップリング及びＺＺカップリングに対する制御を実現でき、隣接する二つの計算量子ビットごと間の寄生カップリングを解消するようにする。これにより、この超伝導回路において複数の高忠実度の量子ゲートを実現でき、したがってより複雑なタスクをサポートする。

図４を参照すると、図４は、本出願の第１実施例に係る超伝導回路アーキテクチャにおける量子ビット間のカップリング関係の概略図（その２）である。図４において、計算量子ビットは黒丸で標記されており、カップリング量子ビットは破線丸で標記されている。図４に示す如く、この超伝導回路アーキテクチャは、九つの計算量子ビットアーキテクチャを含み、隣接する二つの計算量子ビットごと間に二つのカップリング量子ビットがあり、これにより隣接する二つの計算量子ビットごと間に二つのカップリング経路が生じるようにする。

各計算量子ビットは、隣接する八つのカップリング量子ビットと互いに連なり、隣接する二つの計算量子ビットの間で量子ゲート操作を実現できる。隣接する二つの計算量子ビットごと間の寄生カップリングを解消するように、隣接する二つの計算量子ビット間のＸＹカップリング及びＺＺカップリングは、その間に設置された二つのカップリング量子ビットの周波数を調節することで独立的に制御でき、これにより該超伝導回路において複数の高忠実度的量子ゲートを実現でき、したがってより複雑なタスクをサポートする。

説明すべきことは、本出願に係る超伝導回路アーキテクチャにおける様々な選択的な実施形態は、互いに結合されて具現されても良く、単独的に具現されても良く、本出願はこれに対して限定しないことにする。

以下、複数のカップリング素子を含む超伝導回路の作動原理を詳細に紹介する。

上記の技術方案の作動原理を明確に理解可能にするために、設計された超伝導回路のハミルトニアンから始めて分析することにする。図２に記述された量子ビットアーキテクチャを例として、該超伝導回路のハミルトニアンは、次の式（１）のように示される。

なお、式（１）におけるａ，Ｈの上に＾を付したものは、以降の説明において、＾ａ，＾Ｈと表記することとする。

上記の式（１）において、量子ビットは、いずれもＤｕｆｆｉｎｇ調和振動子モデルで描写され、最初の２つの項目は、計算量子ビットの項目を描写し、３番目及び４番目の項目は、カップリング量子ビットの項目を描写し、最後の項目は、ｉ番目の計算量子ビットとｊ番目のカップリング量子ビットの間のカップリングを描写し、ｇ_ｉｊは、対応するカップリング強度である。

具体的に、ω_ｑｉは、ｉ番目の計算量子ビットの周波数であり、ω_ｃｉは、ｉ番目のカップリング量子ビットの周波数を表し、α_ｑｉは、ｉ番目の計算量子ビットの非線形強度であり、α_ｃｉは、ｉ番目のカップリング量子ビットの非線形強度であり、＾ａ^† _ｑｉ及び＾ａ_ｑｉは、ｉ番目の計算量子ビットの昇降演算子を描写し、＾ａ^† _ｃｉ及び＾ａ_ｃｉは、ｉ番目のカップリング量子ビットの昇降演算子を描写する。

説明すべきことは、該超伝導回路において、計算量子ビットとカップリング量子ビットの間のカップリングがいずれも拡散カップリングであることが要求されるが、拡散カップリングとは、計算量子ビットとカップリング量子ビットの間のカップリング強度が両者間の周波数差よりもはるかに小さいことを指す。このようにして、カップリング量子ビットからのノイズを抑制でき、補助量子ビットとしてのみ用いられるようにする。

上記の条件に基づいて、上記の式（１）に対してＳｃｈｒｉｅｆｆｅｒ―Ｗｏｌｆｆ変換を行うが、その目的は、ターゲット量子ゲートカップリング項を寄生カップリング項から分離させて、下記の式（２）に示されるものを得ることにある。

なお、式（２）におけるα，ωの上に～を付したものは、以降の説明において、^～α，^～ωと表記することとする。

式（２）において、^～ω_ｑｉ，^～α_ｑｉ，^～ω_ｃｊ，^～α_ｃｊは、量子ビットの周波数及び非線形強度がいずれも変化したことを表す。簡潔さを期するために、括弧内のＨ．ｃ．は、その複素共役を表す。

Ｓｃｈｒｉｅｆｆｅｒ―Ｗｏｌｆｆ変換を経た後、計算量子ビットとカップリング量子ビットの間の相互作用が解消され、代わりに、計算量子ビット間の等価カップリング、即ち、＾ａ^† _ｑ１＾ａ_ｑ２＋＾ａ_ｑ１＾ａ^† _ｑ２型カップリングが生じるが、このカップリングは、上記のＸＹカップリング、及び量子ビット高エネルギー準位によって誘発される＾ａ^† _ｑｉ＾ａ^† _ｑｉ＾ａ_ｑｉ＾ａ_ｑｋ，＾ａ^† _ｃｊ＾ａ^† _ｃｊ＾ａ_ｑ１＾ａ_ｑ２，＾ａ^† _ｑ１＾ａ_ｑ１＾ａ^† _ｑ２＾ａ_ｑ２型カップリングである。断熱制御を採用する場合、これらカップリングは、いずれも上記のＺＺカップリングと等価になり得る。

式（２）から分かるように、二つのカップリング量子ビットが導入された後、計算量子ビット自体の周波数のＸＹカップリング及びＺＺカップリングへの影響に加えて、カップリング量子ビットの周波数ω_ｃ１及びω_ｃ２を変更することで、計算量子ビット間のＸＹカップリング及びＺＺカップリングの両方とも制御できる。

さらに、計算量子ビット間の寄生カップリングを解消可能にするために、下記の幾つかの条件が満たされるべきである

第１の条件は、下記の通りである。計算量子ビット間のＸＹカップリングを解消しようとする場合、カップリング量子ビットの周波数に対するいくつかの制限を行うことが要求される。具体的には、そのうち一つのカップリング量子ビットの周波数が二つの計算量子ビットの周波数の両方よりも大きく、もう一つのカップリング量子ビットの周波数が二つの計算量子ビットの周波数の両方よりも小さいように制限し得る。例えば、カップリング量子ビットｃ１の周波数を制限して、ω_ｃ１＞ω_ｑ１，ω_ｑ２であるようにすると同時に、カップリング量子ビットｃ２の周波数を制限して、ω_ｃ２＜ω_ｑ１，ω_ｑ２ω_ｃ１＞ω_ｑ１，ω_ｑ２であるようにする。このように、ω_ｃ１＞ω_ｑ１，ω_ｑ２であり、且つω_ｃ２＜ω_ｑ１，ω_ｑ２である場合、カップリング量子ビットｃ１によって誘発される計算量子ビット間のＸＹカップリングは負の値であり、カップリング量子ビットｃ２によって誘発されるカップリングは正の値である。このとき、ω_ｃ１とω_ｃ２とを独立的に調節することで、計算量子ビット間のＸＹカップリングが解消されることができる。

第２の条件は、下記の通りである。計算量子ビット間のＺＺカップリングを解消しようとする場合、カップリング量子ビットの非線形強度に対するいくつかの制限を行うことが要求される。具体的には、そのうち一つのカップリング量子ビットの非線形強度が正の値であり、もう一つのカップリング量子ビットの非線形強度が負の値であるように制限し得る。例えば、カップリング量子ビットｃ１の非線形強度を制限することで、α_ｃ１＜０が負の値であるようにすると同時に、カップリング量子ビットｃ２の非線形強度を制限して、α_ｃ２＞０であるようにする。α_ｃ１＜０かつα_ｃ２＞０である場合、カップリング量子ビットｃ１によって誘発されるＺＺカップリングは負の値であり、カップリング量子ビットｃ２によって誘発されるＺＺカップリングは正の値である。これに基づいて、ω_ｃ１とω_ｃ２とを独立的に調節することで、計算量子ビット間のＺＺカップリングが解消されることができる。

第３の条件は、下記の通りである。カップリング量子ビットに高エネルギー準位リークが発生して、量子ゲートの忠実度に影響を与えるのを回避するために、補助量子ビットとして、カップリング量子ビットｃ１及びカップリング量子ビットｃ２が基底状態に準備されることが要求される。

超伝導回路の作動原理から分かるように、上記の３つの条件を満たすという前提で、計算量子ビット間のＸＹカップリング及びＺＺカップリングの両方が解消されることが期待され、したがって計算量子ビット間のクロストークフリーを実現でき、高忠実度の単一ビット量子ゲートを実現するための条件が作成される。さらに、ＺＺカップリングが解消され、ＸＹカップリングのみが保持される場合、高忠実度のｉＳＷＡＰゲートを実現するために用いられ得る。具体的には、二つの計算量子ビットの有効周波数を制御することで共振させてから、システムに一定期間ｔ動力学進化させるが、システムの進化演算子Ｕは、下記の式（３）で示される。

上記の式（３）を下記の式（４）に示すように行列形式に書き換える。

なお、式（４）におけるｇの上に～を付したものは、以降の説明において、^～ｇと表記することとする。

進化時間ｔ＝π／（２^～ｇ_１２）である時、ｉＳＷＡＰゲートを得ることができる。また、進化時間ｔ＝π／（４^～ｇ_１２）である時、√ｉＳＷＡＰゲートを実現できる。

超伝導回路における計算量子ビット間のＺＺカップリングは、カップリング量子ビットを変調することで解消できるため、ｉＳＷＡＰゲート及び√ｉＳＷＡＰゲートの両方の忠実度が向上されることになる。さらに、ｉＳＷＡＰゲート及び√ｉＳＷＡＰゲートを単一ビット回転ゲートと組み合わせることで、量子計算の汎用型量子ゲートグールプを構成できる。

これ以外に、該超伝導回路中計算量子ビット間のＸＹカップリング及びＺＺカップリングの両方とも独立的に制御できるため、この超伝導回路は、また、例えばＢｏｓｅ―Ｈｕｂｂａｒｄ物理モデルのシミュレーションを研究するために用いられる。

第２実施例
本出願は、超伝導量子チップを提供する。前記超伝導量子チップは、第１実施例に係る複数のカップリング素子を含む超伝導回路アーキテクチャを備え、前記超伝導回路アーキテクチャが、第１量子ビットと、第２量子ビットと、第１カップリング素子と、第２カップリング素子とを備え、前記第１カップリング素子が、それぞれ第１コネクタを介して前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットにカップリングされ、前記第２カップリング素子が、それぞれ第２コネクタを介して前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットにカップリングされ、前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットの周波数は、前記第１カップリング素子の周波数と前記第２カップリング素子の周波数の間にあり、前記第１カップリング素子の非線形強度と前記第２カップリング素子の非線形強度とは符号が逆である。

選択的に、前記第１カップリング素子及び第２カップリング素子は、いずれも基底状態に準備される量子ビットである。

選択的に、前記第１カップリング素子は、第１超伝導量子干渉装置と、前記第１超伝導量子干渉装置に並列接続された第１キャパシタとを備え、前記第１超伝導量子干渉装置が、磁束を印加することで前記第１カップリング素子の周波数を調節するための、並列接続された二つのジョセフソン接合を備え、前記第２カップリング素子が、第２超伝導量子干渉装置と、前記第２超伝導量子干渉装置に並列接続された第２キャパシタとを備え、前記第２超伝導量子干渉装置が、磁束を印加することで前記第２カップリング素子の周波数を調節するための、直列接続された二つのジョセフソン接合と別のジョセフソン接合とが並列接続されてなる。

選択的に、前記第１量子ビットが、磁束を印加することで前記第１量子ビットの周波数を調節するための、第３超伝導量子干渉装置を備え、前記第２量子ビットが、磁束を印加することで前記第２量子ビットの周波数を調節するための、第４超伝導量子干渉装置を備える。

選択的に、前記第３超伝導量子干渉装置及び前記第４超伝導量子干渉装置は、いずれも並列接続された二つのジョセフソン接合を備える。

選択的に、前記第１量子ビット及び第２量子ビットは、いずれも量子ビットが位置する環境の電荷ゆらぎに対してノイズ低減を行うためのノイズ低減部材を備える。

選択的に、前記第１量子ビットは、量子ビットが位置する環境の電荷ゆらぎに対してノイズ低減を行うための、前記第３超伝導量子干渉装置に並列接続された第３キャパシタを更に備え、前記第２量子ビットが、量子ビットが位置する環境の電荷ゆらぎに対してノイズ低減を行うための、前記第４超伝導量子干渉装置に並列接続された第４キャパシタを更に備える。

選択的に、前記超伝導回路アーキテクチャが、第３カップリング素子を更に備え、前記第３カップリング素子は、それぞれ第３コネクタを介して前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットにカップリングされる。

前記超伝導回路アーキテクチャは、第３量子ビットと、第４カップリング素子と、第５カップリング素子とを更に備え、前記第４カップリング素子が、それぞれ第４コネクタを介してターゲット計算量子ビット及び前記第３量子ビットにカップリングされ、前記第５カップリング素子が、それぞれ第５コネクタを介して前記ターゲット計算量子ビット及び前記第３量子ビットにカップリングされ、前記ターゲット計算量子ビットは、前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットのうち一つである。

説明すべきことは、上記の超伝導量子チップにおける超伝導回路アーキテクチャは、第１実施例に係る超伝導回路アーキテクチャの構造と類似しており、且つ第１実施例に係る超伝導回路アーキテクチャと同じ有益な効果を有するため、繰り返し説明しないことにする。本出願に係る超伝導量子チップの実施例において開示されていない技術的詳細については、第１実施例における超伝導回路アーキテクチャの説明を参照することで当業者に理解され得、紙幅を節約するために、ここでは繰り返し説明しないことにする。

第３実施例
本出願は、超伝導量子コンピュータを提供する。前記超伝導量子コンピュータは、超伝導量子チップを備え、超伝導量子チップに連結された操作及び読み取り装置を更に備え得る。超伝導量子チップは、第１実施例に係る複数のカップリング素子を備える超伝導回路アーキテクチャを備え、前記超伝導回路アーキテクチャが、第１量子ビットと、第２量子ビットと、第１カップリング素子と、第２カップリング素子とを備え、前記第１カップリング素子が、それぞれ第１コネクタを介して前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットにカップリングされ、前記第２カップリング素子が、それぞれ第２コネクタを介して前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットにカップリングされ、前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットの周波数は、前記第１カップリング素子の周波数と前記第２カップリング素子の周波数の間にあり、前記第１カップリング素子の非線形強度と前記第２カップリング素子の非線形強度とは符号が逆である。

選択的に、前記第１カップリング素子及び第２カップリング素子は、いずれも基底状態に準備される量子ビットである。

選択的に、前記第１カップリング素子は、第１超伝導量子干渉装置と、前記第１超伝導量子干渉装置に並列接続された第１キャパシタとを備え、前記第１超伝導量子干渉装置が、磁束を印加することで前記第１カップリング素子の周波数を調節するための、並列接続された二つのジョセフソン接合を備え、前記第２カップリング素子が、第２超伝導量子干渉装置と、前記第２超伝導量子干渉装置に並列接続された第２キャパシタとを備え、前記第２超伝導量子干渉装置は、磁束を印加することで前記第２カップリング素子の周波数を調節するための、直列接続された二つのジョセフソン接合と別のジョセフソン接合とが並列接続されてなる。

選択的に、前記第１量子ビットは、磁束を印加することで前記第１量子ビットの周波数を調節するための、第３超伝導量子干渉装置を備え、前記第２量子ビットが、磁束を印加することで前記第２量子ビットの周波数を調節するための、第４超伝導量子干渉装置を備える。

選択的に、前記第３超伝導量子干渉装置及び前記第４超伝導量子干渉装置は、いずれも並列接続された二つのジョセフソン接合を備える。

選択的に、前記第１量子ビット及び第２量子ビットは、いずれも量子ビットが位置する環境の電荷ゆらぎに対してノイズ低減を行うためのノイズ低減部材を備える。

選択的に、前記第１量子ビットは、量子ビットが位置する環境の電荷ゆらぎに対してノイズ低減を行うための、前記第３超伝導量子干渉装置に並列接続された第３キャパシタを更に備え、前記第２量子ビットが、量子ビットが位置する環境の電荷ゆらぎに対してノイズ低減を行うための、前記第４超伝導量子干渉装置に並列接続された第４キャパシタを更に備える。

選択的に、前記超伝導回路アーキテクチャは、第３カップリング素子を更に備え、前記第３カップリング素子が、それぞれ第３コネクタを介して前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットにカップリングされる。

選択的に、前記超伝導回路アーキテクチャは、第３量子ビットと、第４カップリング素子と、第５カップリング素子とを更に備え、前記第４カップリング素子が、それぞれ第４コネクタを介してターゲット計算量子ビット及び前記第３量子ビットにカップリングされ、前記第５カップリング素子が、それぞれ第５コネクタを介して前記ターゲット計算量子ビット及び前記第３量子ビットにカップリングされ、前記ターゲット計算量子ビットは、前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットのうちの一つである。

説明すべきことは、上記の超伝導量子コンピュータにおける超伝導回路アーキテクチャは、第１実施例に係るアーキテクチャの構造と類似しており、且つ第１実施例に係る超伝導回路アーキテクチャと同じ有益な効果を有するため、繰り返し説明しないことにする。本出願に係る超伝導量子コンピュータ実施例中において開示されていない技術的詳細については、第１実施例における超伝導回路アーキテクチャの説明を参照することで当業者に理解され得、紙幅を節約するために、ここでは繰り返し説明しないことにする。

上記の具体的な実施形態は、本出願の保護範囲に対する制限を構成しない。当業者は、設計要件及び他の要因に応じて様々な修正、組み合わせ、サブ組み合わせ及び代替が行われ得ることを理解すべきである。本出願の精神及び原則の範囲内で行われる修正、均等物による置換及び改善は、いずれも本出願の保護範囲に含まれるべきである。

Claims (11)

1. 複数のカップリング素子を備える超伝導回路アーキテクチャであって、
   第１量子ビットと、第２量子ビットと、第１カップリング素子と、第２カップリング素子とを備え、
   前記第１カップリング素子が、２つの第１コネクタのそれぞれを介して前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットにカップリングされ、
   前記第２カップリング素子が、２つの第２コネクタのそれぞれを介して前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットにカップリングされ、
   前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットの周波数は、前記第１カップリング素子の周波数と前記第２カップリング素子の周波数の間にあり、
   前記第１カップリング素子の非線形強度と前記第２カップリング素子の非線形強度とは符号が逆である超伝導回路アーキテクチャ。
2. 前記第１カップリング素子及び第２カップリング素子は、いずれも基底状態に準備される量子ビットである請求項１に記載の超伝導回路アーキテクチャ。
3. 前記第１カップリング素子が、第１超伝導量子干渉装置と、前記第１超伝導量子干渉装置に並列接続された第１キャパシタとを備え、
   前記第１超伝導量子干渉装置が、磁束を印加することで前記第１カップリング素子の周波数を調節するための、並列接続された二つのジョセフソン接合を備え、
   前記第２カップリング素子が、第２超伝導量子干渉装置と、前記第２超伝導量子干渉装置に並列接続された第２キャパシタとを備え、
   前記第２超伝導量子干渉装置が、磁束を印加することで前記第２カップリング素子の周波数を調節するための、直列接続された二つのジョセフソン接合と別のジョセフソン接合とが並列接続されてなる請求項２に記載の超伝導回路アーキテクチャ。
4. 前記第１量子ビットが、磁束を印加することで前記第１量子ビットの周波数を調節するための、第３超伝導量子干渉装置を備え、
   前記第２量子ビットが、磁束を印加することで前記第２量子ビットの周波数を調節するための、第４超伝導量子干渉装置を備える請求項１に記載の超伝導回路アーキテクチャ。
5. 前記第３超伝導量子干渉装置及び前記第４超伝導量子干渉装置が、いずれも並列接続された二つのジョセフソン接合を備える請求項４に記載の超伝導回路アーキテクチャ。
6. 前記第１量子ビット及び第２量子ビットが、いずれも量子ビットが位置する環境の電荷ゆらぎに対してノイズ低減を行うためのノイズ低減部材を備える請求項４又は５に記載の超伝導回路アーキテクチャ。
7. 前記第１量子ビットが、量子ビットが位置する環境の電荷ゆらぎに対してノイズ低減を行うための、前記第３超伝導量子干渉装置に並列接続された第３キャパシタを備え、
   前記第２量子ビットが、量子ビットが位置する環境の電荷ゆらぎに対してノイズ低減を行うための、前記第４超伝導量子干渉装置に並列接続された第４キャパシタを備える請求項４又は５に記載の超伝導回路アーキテクチャ。
8. 第３カップリング素子を備え、
   該第３カップリング素子が、第３コネクタを介して前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットにカップリングされる請求項１に記載の超伝導回路アーキテクチャ。
9. 第３量子ビットと、第４カップリング素子と、第５カップリング素子とを備え、
   前記第４カップリング素子が、第４コネクタを介してターゲット計算量子ビット及び前記第３量子ビットにカップリングされ、
   前記第５カップリング素子が、第５コネクタを介して前記ターゲット計算量子ビット及び前記第３量子ビットにカップリングされ、
   前記ターゲット計算量子ビットは、前記第１量子ビット及び前記第２量子ビットのうち一つである請求項１に記載の超伝導回路アーキテクチャ。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の複数のカップリング素子を備える超伝導回路アーキテクチャを備える超伝導量子チップ。
11. 請求項１０に記載の超伝導量子チップを備える超伝導量子コンピュータ。

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