JP7171939B2 - 調整可能なカレントミラーキュービットシステム - Google Patents

Description

本開示は、概して、量子および古典的コンピューティングシステムに関し、より具体的には、調整可能なカレントミラーキュービットシステムに関する。

量子コンピュータは、量子状態の重ね合わせなどに基づくデータの操作を提供するために、キュービットと呼ばれるデバイスを実装する。キュービットの特徴の１つは、そのコヒーレンスであり、これは、コンピュータが量子処理を実施することができる忠実度に直接影響する。キュービットのコヒーレンスは、キュービットに結合される環境ノイズの振幅、およびノイズに対するキュービットの感度など、特定の要因によって影響を受ける。一例として、ノイズに対する感度は、キュービットの電流演算子または電圧演算子がキュービットの量子状態をどのようにシフトさせたり、結合させたりするかとして定量化することができる。これらのシフトおよび結合の大きさは、量子状態に作用する３つのパウリ演算子Ｘ、Ｙ、Ｚの大きさとして記述することができ、かつパウリ双極子（Ｐａｕｌｉ ｄｉｐｏｌｅｓ）と呼ばれる。例えば、固体キュービットの場合、誘電体ノイズが環境ノイズの主な原因の１つであり得る。従来のキュービット設計は、固体システムにおける別の偏在するノイズの種類であり得る誘電損失または磁束ノイズなどのデコヒーレンスチャネルの影響を受けやすい。

一例は、調整可能なカレントミラーキュービットを含む。キュービットは、回路ループに配置された複数の磁束調整可能な要素を含む。マイクロ波入力信号を介した調整可能なカレントミラーキュービットの励起または量子状態の操作を可能にするマイクロ波励起モードと、調整可能なカレントミラーキュービットの量子状態の保存を可能にするノイズ保護モードとの間で調整可能なカレントミラーキュービットのモードを制御するために、磁束調整可能な要素の第１の部分は、第１の入力磁束を受信するように構成され、磁束調整可能な要素の残りの部分は、第２の入力磁束を受信するように構成される。キュービットは、マイクロ波励起モードおよびノイズ保護モードの各々においてクーパー対励起子（Ｃｏｏｐｅｒ－ｐａｉｒ ｅｘｃｉｔｏｎ）の形成を容易にするために、磁束調整可能な要素の個々のペアの間のノードを相互接続する少なくとも１つのコンデンサをさらに含む。

別の例は、調整可能なカレントミラーキュービットを制御する方法を含む。方法は、調整可能なカレントミラーキュービットの量子状態の操作を提供するために、調整可能なカレントミラーキュービットのマイクロ波励起モードにおいてマイクロ波信号を介して調整可能なカレントミラーキュービットに励起を与えるステップを含む。方法は、調整可能なカレントミラーキュービットの回路ループに配置された複数の磁束調整可能な要素の第１の磁束調整可能な要素に第１の入力磁束を提供するステップを含む。調整可能なカレントミラーキュービットは、回路ループの周りで非局在化するクーパー対励起子の形成を容易にするように磁束調整可能な要素の個々のペアの間のノードを相互接続する少なくとも１つのコンデンサをさらに含む。方法は、第１の入力磁束を第１の振幅に断熱的に増加させ、第２の入力磁束を複数の磁束調整可能な要素のうちの残りの少なくとも１つに提供するステップを含む。方法は、調整可能なカレントミラーキュービットの量子状態を保存するために調整可能なカレントミラーキュービットをノイズ保護モードに設定するために、第１の入力磁束を第１の振幅から第２の振幅に断熱的に増加させ、第２の入力磁束をほぼゼロの振幅から第１の振幅に断熱的に増加させるステップを含む。

別の例は、調整可能なカレントミラーキュービットシステムを含む。システムは、第１の入力磁束を提供するように制御される第１の磁束源と、第２の入力磁束を提供するように制御される第２の磁束源と、第３の入力磁束を提供するように制御される第３の磁束源とを含む。システムは、調整可能なカレントミラーキュービットも含む。キュービットは、メビウスループ（Ｍｏｂｉｕｓ ｌｏｏｐ）として配置され、かつ第３の入力磁束を受信するように構成された回路ループに配置された複数の超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ：ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｄｅｖｉｃｅｓ）を含み、ＳＱＵＩＤの第１の部分は、第１の入力磁束を受信するように構成され、ＳＱＵＩＤの残りの部分は、第２の入力磁束を受信するように構成され、第１、第２、および第３の入力磁束は、マイクロ波入力信号を介した調整可能なカレントミラーキュービットの励起および量子状態の操作を可能にするマイクロ波励起モードと、調整可能なカレントミラーキュービットの量子状態の保存を可能にするノイズ保護モードとの間で調整可能なカレントミラーキュービットのモードを制御するように提供される。キュービットは、マイクロ波励起モードおよびノイズ保護モードの各々において回路ループの周りに非局在化するクーパー対励起子の形成を容易にするために、ＳＱＵＩＤの個々のペアの間のノードを相互接続する少なくとも１つのコンデンサをも含む。

調整可能なカレントミラーキュービットシステムの一例を示す。 調整可能なカレントミラーキュービットの回路図の一例を示す。 調整可能なカレントミラーキュービットシステムの回路図の別の例を示す。 調整可能なカレントミラーキュービットを制御する方法の一例を示す。

本開示は、概して、量子および古典的コンピューティングシステムに関し、より具体的には、調整可能なカレントミラーキュービットシステムに関する。調整可能なカレントミラーキュービットシステムは、量子コンピュータシステムの量子の操作のために実装することができる。調整可能なカレントミラーキュービットシステムは、調整可能なカレントミラーキュービットと、調整可能なカレントミラーキュービットに入力磁束を提供するために独立して制御することができる複数の磁束源とを含むことができる。調整可能なカレントミラーキュービットは、複数の磁束調整可能な要素を含み、複数の磁束調整可能な要素は、回路ループの周りに配置することができ、かつ複数の入力磁束のうちの２つを受信するように構成することができる超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ：ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｑｕａｎｔｕｍ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｄｅｖｉｃｅｓ）として機能するように配置することができる。一例として、回路ループは、磁束調整可能な要素に関してメビウスループとして構成することができる。例えば、磁束調整可能な要素の第１の部分（例えば、単一の１つ）は、第１の入力磁束を受信するように構成することができ、一方、磁束調整可能な要素の残りの少なくとも１つは、第２の入力磁束を受信することができる。さらに、回路ループは、第３の入力磁束を受信するように構成することができる。調整可能なカレントミラーキュービットは、磁束調整可能な要素の個々のペアの間のノードを相互接続する少なくとも１つのコンデンサを含むことができ、コンデンサは、調整可能なカレントミラーキュービットの回路ループの周りのクーパー対の相関運動を可能にする。

入力磁束は、調整可能なカレントミラーキュービットが調整可能なカレントミラーキュービットの少なくとも２つのモード間で遷移できるように独立して制御することができる。調整可能なカレントミラーキュービットのマイクロ波励起モードにおいて、調整可能なカレントミラーキュービットの量子状態は、共振マイクロ波信号を介して操作することができ、従って、調整可能なカレントミラーキュービットに保存される量子重ね合わせを生成することができる。入力磁束を操作することにより、調整可能なカレントミラーキュービットをノイズ保護モードに設定することができ、このノイズ保護モードでは、量子状態を、実質的にノイズの影響を受けない方法で、調整可能なカレントミラーキュービットに保存することができる。

例えば、調整可能なカレントミラーキュービットをマイクロ波励起モードから、基底状態および励起されたマイクロ波状態が調整可能なカレントミラーキュービットの周りで右回転電流状態と左回転電流状態に断熱的に変化する永続電流モードに切り替えるために、第２の入力磁束が非活性化され、かつ第３の入力磁束が（例えば、静的振幅で）提供されている間に、第１の入力磁束が提供され、かつ断熱的に増加される。別の例として、調整可能なカレントミラーキュービットを永続電流モードから、電荷変動が主にクーパー励起子として発生するノイズ保護モードに切り替えるために、第１および第２の入力磁束が断熱的に増加されている間に、第３の入力磁束が非活性化され、回路ループの周りのクーパー励起子の励起電流回転の方法は、調整可能なカレントミラーキュービットの量子状態にほぼ均等にかつ反対に（ｅｑｕａｌｌｙ ａｎｄ ｏｐｐｏｓｉｔｅｌｙ）影響を与えるようにノイズに備えるため、ノイズに対するキュービット状態の感度が低下する。本明細書で説明するように、クーパー励起子は、調整可能なカレントミラーキュービットの周りのコンデンサの個々の側で等しい大きさおよび反対の電荷が発生するクーパー対電荷励起に対応することができる。従って、励起を、実質的にノイズの影響を受けない方法で、調整可能なカレントミラーキュービットに保存することができる。従って、入力磁束を逆の順序で制御して、調整可能なカレントミラーキュービットをマイクロ波励起モードに戻して、調整可能なカレントミラーキュービットの励起の読み出しを可能にすることができる。

図１は、調整可能なカレントミラーキュービットシステム１０の一例を示す。調整可能なカレントミラーキュービットシステム１０は、量子データを操作し、かつ量子コンピュータシステムに格納するために量子コンピュータシステムに実装することができる。

調整可能なカレントミラーキュービットシステム１０は、複数の磁束源１２および調整可能なカレントミラーキュービット１４を含む。磁束源１２は、電流搬送インダクタなど、磁束を提供することができる様々な回路デバイスおよび要素のいずれかに対応することができる。図１の例では、調整可能なカレントミラーキュービット１４は、複数の磁束調整可能な要素１６および少なくとも１つのコンデンサ１８を含む。本明細書でより詳細に説明するように、磁束調整可能な要素１６は、メビウスループとして配置することができる回路ループの周りに配置することができ、少なくとも１つのコンデンサ１８は、磁束調整可能な要素１６の個々のペアの間のノードを相互接続するように配置することができる。一例として、磁束調整可能な要素１６は、回路ループの周りに配置された超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）として配置することができる。

磁束源１２は、調整可能なカレントミラーキュービット１４に入力磁束を提供するように独立して制御することができる。例えば、磁束調整可能な要素１６の第１の部分（例えば、単一の１つ）は、磁束源１２から提供される第１の入力磁束を受信するように構成することができ、一方、磁束調整可能な要素１６の残りの少なくとも１つは、磁束源１２からの第２の入力磁束を受信することができる。さらに、磁束調整可能な要素１６が周りに配置されている回路ループは、磁束源１２から第３の入力磁束を受信するように構成することができる。磁束源１２は、調整可能なカレントミラーキュービット１４が少なくとも２つのモード間で遷移することを可能にする方法で入力磁束を提供するように独立して制御することができる。状態は、クーパー対がコンデンサ（単数または複数）１８の両端で相関される様々な方法に対応することができる。

第１のモードは、マイクロ波励起モードに対応し、このマイクロ波励起モードでは、調整可能なカレントミラーキュービット１４の量子状態を、図１の例に信号ＭＣＷＥとして示されているマイクロ波信号を介して操作することができる。従って、マイクロ波励起信号ＭＣＷＥを使用して、調整可能なカレントミラーキュービット１４に保存された量子重ね合わせを作成することができる。第２のモードは、ノイズ保護モードに対応し、このノイズ保護モードでは、確立された量子状態を、実質的にノイズの影響を受けない方法で調整可能なカレントミラーキュービット１４に保存することができ、従って、調整可能なカレントミラーキュービット１４の強いコヒーレンスを提供する。磁束源１２から提供される入力磁束を操作することにより、調整可能なカレントミラーキュービット１４を第１のモードと第２のモードとの間で遷移するように制御することができる。

一例として、入力磁束は、基底マイクロ波状態および励起マイクロ波状態が調整可能なミラーキュービット１４の周りの回転電流状態に変化する永続電流モードに対応する中間状態を介して第１および第２のモードの間で切り替えるように磁束源１２から提供される。例えば、調整可能なカレントミラーキュービット１４をマイクロ波励起モードから永続電流モードに切り替えるために、第２の入力磁束が非活性化され、第３の入力磁束が提供されている（例えば、静的振幅（ｓｔａｔｉｃ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）で）間に、第１の入力磁束が提供され、かつ断熱的に増加される（例えば、ほぼゼロの振幅から第１の振幅まで）。別の例として、調整可能なカレントミラーキュービット１４を永続電流モードから、回路ループの周りのクーパー対励起子電流の回転により、調整可能なカレントミラーキュービット１４の量子状態にほぼ均等にかつ反対に影響を与えるようにノイズに対して備えるノイズ保護モードに切り替えるために、第１および第２の入力磁束が断熱的に増加される間に、第３の入力磁束が非活性化される。例えば、第１の入力磁束は、第１の振幅から第２の振幅に断熱的に増加させることができ、第２の入力磁束は、ほぼゼロの振幅から第１の振幅に断熱的に増加させる（これは、第１の入力磁束の第１の振幅とは異なり得る）ことができる。従って、マイクロ波励起ＭＣＷＥによって生成された量子状態を、実質的にノイズの影響を受けない方法で調整可能なカレントミラーキュービット１４に保存することができ、従って、調整可能なカレントミラーキュービット１４の強いコヒーレンスを提供する。

従って、一例として、調整可能なカレントミラーキュービット１４の量子状態の読み出しを可能にするために、入力磁束を逆の順序で制御して、調整可能なカレントミラーキュービットをマイクロ波励起モードに戻することができる。例えば、調整可能なカレントミラーキュービット１４をノイズ保護モードから永続電流モードに切り替えるために、第１および第２の入力磁束が断熱的に減少されている間に、第３の入力磁束が非活性化状態に維持される。例えば、第１の入力磁束は、第２の振幅から第１の振幅に断熱的に減少させることができ、第２の入力磁束は、第１の振幅からほぼゼロの振幅に減少させることができる。別の例として、調整可能なカレントミラーキュービット１４を永続電流モードからマイクロ波励起モードに戻すように切り替えるために、第３の入力磁束が再活性化され、第２の入力磁束が非活性化され、第１の入力磁束が断熱的に減少される。次に、調整可能なカレントミラーキュービット１４の量子状態は、読み出し共振器に分散シフトを生じさせるなどの標準的なマイクロ波読み出し技術を使用して読み出すことができる。従って、マイクロ波励起ＭＣＷＥを、調整可能なカレントミラーキュービット１４から読み出すことができる。調整可能なカレントミラーキュービット１４が事前にノイズ保護モードに設定されていたことにより、意図された量子状態からの量子状態の忠実度の減衰を大幅に軽減することができる。従って、本明細書で説明するように、調整可能なカレントミラーキュービットシステム１０は、典型的なキュービットと比較して高度にコヒーレントな方法で量子状態の保存を提供することができる。

図２は、調整可能なカレントミラーキュービット５０の例を示す。調整可能なカレントミラーキュービット５０は、量子コンピュータシステムにおいて量子データを操作するために、量子コンピュータシステムに実装することができる。例えば、調整可能なカレントミラーキュービット５０は、図１の例の調整可能なカレントミラーキュービット１４に対応することができる。従って、以下の図２の例の説明では、図１の例が参照される。

図２の例では、調整可能なカレントミラーキュービット５０は、回路ループ５４の周りに配置された８個の数を有するものとして示されている複数のＳＱＵＩＤ５２を含む。ＳＱＵＩＤはそれぞれ、並列ジョセフソン接合Ｊ_１およびＪ_２のペアを含むものとして示されている。さらに、調整可能なカレントミラーキュービット５０は、図２の例においてＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、およびＣ_４として示される、ＳＱＵＩＤ５２のそれぞれのペアの間のノードを相互接続する複数のコンデンサを含む。特に、図２の例では、コンデンサＣ_１はノード５６および５８を相互接続し、コンデンサＣ_２はノード６０および６２を相互接続し、コンデンサＣ_３はノード６４および６６を相互接続し、コンデンサＣ_４はノード６８および７０を相互接続する。図２の例では、コンデンサＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、およびＣ_４は互いに結合されていない。従って、ＳＱＵＩＤ５２およびコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、およびＣ４の配置は、クーパー対の運動に関してメビウスループに対応することができ、従って、回路ループ５２の周り、および個々のコンデンサＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、およびＣ_４の両端の周りのクーパー励起子に対応することができる。一例として、コンデンサＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、およびＣ_４は、ジョセフソン接合の静電容量に比べて比較的大きな静電容量（例えば、少なくとも５０フェムトファラド）を有することができる。

図２の例では、７２で示されるＳＱＵＩＤ５２の第１のＳＱＵＩＤは、第１の入力磁束αを受信するように構成され、残りのＳＱＵＩＤ５２は、第２の入力磁束γを受信するように構成される。例えば、入力磁束αおよびγは、図１の例では、別々の磁束源１２から提供することができる。さらに、図２の例では、回路ループ５４には、別の磁束源（例えば、別の磁束源１２）からの第３の入力磁束Δが提供される。入力磁束α、γ、およびΔは、調整可能なカレントミラーキュービット５０が本明細書で説明するように少なくとも２つのモード間で遷移できるようにするなどのために、調整可能なカレントミラーキュービット５０のモードを制御するように独立して制御することができる。状態は、クーパー対がコンデンサＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、およびＣ_４の両端で相関するような様々な方法に対応することができる。

第１のモードは、マイクロ波励起モードに対応し、このマイクロ波励起モードでは、調整可能なカレントミラーキュービット５０の量子状態を、図２の例において、ノード５６に提供される信号ＭＣＷＥとして示されているマイクロ波信号を介して操作することができる。従って、マイクロ波励起信号ＭＣＷＥは、調整可能なカレントミラーキュービット５０の遷移周波数と共鳴することができ、従って、調整可能なカレントミラーキュービット５０に保存された量子重ね合わせを作成することができる。第２のモードは、ノイズ保護モードに対応し、このノイズ保護モードでは、量子状態を、実質的にノイズの影響を受けない方法で調整可能なカレントミラーキュービット５０に保存することができ、従って、調整可能なカレントミラーキュービット５０の強いコヒーレンスを提供する。磁束源５２から提供される入力磁束を操作することにより、調整可能なカレントミラーキュービット５０を、図１の例で前述したように、永続電流モードに対応する中間モードを介するなどして、第１のモードと第２のモードとの間で遷移するように制御することができる。

例えば、調整可能なカレントミラーキュービット５０をマイクロ波励起モードから永続電流モードに切り替えるために、入力磁束γが非活性化され、かつ第３の入力磁束Δが提供されている（例えば、静的振幅で）間に、第１の入力磁束αが提供され、かつ断熱的に増加される（例えば、ほぼゼロの振幅から第１の振幅まで）。別の例として、調整可能なカレントミラーキュービット５０を永続電流モードからノイズ保護モードに切り替えるために、第１および第２の入力磁束αおよびγが断熱的に増加される間に、第３の入力磁束Δが非活性化されて、ノイズ保護モード中に、回路ループの周りのクーパー励起子電流の回転により、調整可能なカレントミラーキュービット５０の状態にほぼ均等にかつ反対に影響を与えるようにノイズに備える。例えば、入力磁束αは、第１の振幅から第２の振幅に断熱的に増加させることができ、入力磁束γは、ほぼゼロの振幅から第１の振幅に断熱的に増加させることができる（これは、入力磁束αの第１の振幅とは異なり得る）。従って、量子状態を、実質的にノイズの影響を受けない方法で、調整可能なカレントミラーキュービット５０に保存して、調整可能なカレントミラーキュービット５０の強いコヒーレンスを提供することができる。

従って、一例として、調整可能なカレントミラーキュービット５０の量子状態の読み出しを可能にするために、入力磁束を逆の順序で制御して、調整可能なカレントミラーキュービットをマイクロ波励起モードに戻すことができる。例えば、調整可能なカレントミラーキュービット５０をノイズ保護モードから永続電流モードに切り替えるために、第１および第２の入力磁束αおよびγが断熱的に減少されている間に、第３の入力磁束Δは非活性化状態に維持される。例えば、入力磁束αは、第２の振幅から第１の振幅に断熱的に減少させることができ、入力磁束γは、第１の振幅からほぼゼロの振幅に減少させることができる。別の例として、調整可能なカレントミラーキュービット５０を永続電流モードからマイクロ波励起モードに戻すように切り替えるために、第３の入力磁束Δが再活性化され、入力磁束γが非活性化され、入力磁束αが断熱的に減少される。従って、量子状態を、調整可能なカレントミラーキュービット５０から読み出すことができる。調整可能なカレントミラーキュービット５０が事前にノイズ保護モードに設定されていたことにより、量子状態の減衰を大幅に軽減することができる。従って、本明細書で説明するように、調整可能なカレントミラーキュービット５０は、典型的なキュービットと比較して高度にコヒーレントな方法で量子状態の保存を提供することができる。

例えば、従来のジョセフソン回路の場合、低エネルギーの電荷励起は「電荷２ｅ」クーパー対である。そのような電荷励起（例えば、ノード５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８、および７０に対応する各超伝導リード上のクーパー対の正味の数）は、調整可能なカレントミラーキュービット５０の量子状態に関する基底（ｂａｓｉｓ）を記述するために利用することができる。クーパー対が回路ループ５４の周りを移動すると、ノード５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８、および７０の周りを移動することができるが、クーパー対の総数は保存される。調整可能なカレントミラーキュービット５０の顕著な特徴の１つは、コンデンサＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、およびＣ_４の静電容量（概して、Ｃ_Ｂとして説明される）がジョセフソン接合Ｊ_１およびＪ_２の接合容量（概して、Ｃ_Ｊとして説明される）よりもはるかに大きく、かつノード５６、５８、６０、６２、６４、６６、６８、および７０の浮遊基底容量（概して、Ｃ_Ｇとして説明される）よりもはるかに大きい領域で動作することができることである。この領域では、最低エネルギーの電荷励起は「クーパー対励起子」であり、これは、コンデンサＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、およびＣ_４の任意の１のついずれかの側にあるクーパー対とクーパー対の正孔で構成される電荷励起である。このようなクーパー対励起子の励起は、全ての可能性のある電荷励起のサブセットにすぎない。クーパー対励起子の観点で説明される低エネルギー領域を持つ能力は、調整可能なカレントミラーキュービット５０の従来の超伝導回路との基本的な相違点であり、本明細書で説明する調整可能なカレントミラーキュービット５０の独自のノイズ耐性を可能にする本質的な特性である。

マイクロ波励起モードでは、調整可能なカレントミラーキュービット５０のリード間のジョセフソン結合（Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）エネルギーは、各ＳＱＵＩＤ５２のジョセフソン接合Ｊ_１およびＪ_２の充電エネルギーよりも大きくなるように調整され、これは、調整可能なカレントミラーキュービット５０のデフォルトのほぼゼロの振幅場の状態である。マイクロ波励起モードおよび永続電流モードでは、クーパー対は、回路ループ５４全体の周りで非局在化する（ｄｅｌｏｃａｌｉｚｅ）。マイクロ波励起モードでは、調整可能なカレントミラーキュービット５０は、回路ループ５４全体の最低周波数のマイクロ波モードの基底状態および第１の励起状態でエンコードされる（ｅｎｃｏｄｅｄ）。マイクロ波モードにおける量子状態の操作（例えば、マイクロ波励起ＭＣＷＥによって提供される）は、キュービットの電圧演算子に結合することによって実施されるとともに、調整可能なカレントミラーキュービット５０を準備して読み出すために利用することができる（例えば、コヒーレントマイクロ波駆動および分散読み出しによって）。調整可能なカレントミラーキュービット５０には多くのモードがあるが、マイクロ波励起モードでは、第１の入力磁束αを受信するＣＪＪ５２の実効臨界電流を適度に減少させるなどにより、電圧および電流の変動のモード構造が明確に定義された周波数でキュービットモードを分離することができる。

永続電流モードでは、調整可能なカレントミラーキュービット５０は、回路ループ５４の循環電流状態でエンコードされる。永続電流モードに関連する２つの循環電流状態は、各ＣＪＪ５２にわたる超伝導相δθの異なる変化によって区別することができる。例えば、各ＣＪＪ５２の２つの循環電流状態間の差δθは、π／Ｎ_Ｂにほぼ等しくすることができ、ここで、Ｎ_Ｂは、コンデンサの数に対応する（例えば、図２の例では４個）。循環電流状態は、｜０〉および｜π〉としてラベル付けすることができる。複数のＳＱＵＩＤ５２にわたる相変化の差は、回路ループを流れる電流を記述する電流演算子に関するパウリ双極子につながる。例えば、１つの基底の選択に関して、２つのキュービット状態は、２つのキュービット状態の各々について、回路ループを流れる電荷電流に対する量子期待値に差を有することとなる。

ノイズ保護モードでは、キュービットのエンコーディングはマイクロ波励起モードまたは永続電流モードのいずれとも異なる。ノイズ保護モードでは、リード間のジョセフソン結合は、ジョセフソン接合Ｊ_１およびＪ_２の充電エネルギー未満に低減される。結果として、クーパー励起子のみが回路ループ５４の周りで実質的に非局在化する。クーパー対のジョセフソン接合の結合は、２次プロセスを介して、コンデンサＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、およびＣ_４の隣接するコンデンサ上のクーパー対励起子間の結合を生成する。コンデンサＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、およびＣ_４は、そのような大きな静電容量を有するため、クーパー励起子のホッピングエネルギーは励起子充電エネルギーよりも大きく、クーパー励起子は回路ループ５４の周りで非局在化する。

クーパー対励起子は、ループの周りを移動するときに、調整可能なカレントミラーキュービット５０のメビウスのトポロジー構成に基づいて、負に帯電したバージョンとして戻ることができるという点で、クーパー対とは根本的に異なる。クーパー対と同様に、クーパー対励起子の数は、コンデンサＣ_１、Ｃ_２、Ｃ_３、およびＣ_４のコンデンサからコンデンサに移動するときに局所的に保存される。しかしながら、クーパー励起子が回路ループ５４のメビウスループ構造の周りを移動して、負の励起子として戻ってくると、クーパー対励起子の総数が効果的に事実上２つに変化することになる。従って、調整可能なカレントミラーキュービット５０は、キュービット状態を、偶数または奇数のクーパー対励起子にそれぞれ対応する｜＋〉および｜－〉としてエンコードする。これらの状態の対称的および反対称的な量子重ね合わせは、それぞれ｜０〉∝｜＋〉＋｜－〉状態および｜π〉∝｜＋〉－｜－〉状態と呼ばれる。

コンデンサの充電エネルギーに対してクーパー対励起子のホッピングが大きいノイズ保護モードでは、クーパー対励起子の数の変動が大きくなり、｜＋〉状態および｜－〉状態（ひいては０状態およびπ状態）のエネルギーはほぼ縮退する（ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ）。この領域では、電圧演算子および電流演算子のパウリ双極子の大きさが大幅に抑制されるため、調整可能なカレントミラーキュービット５０が環境ノイズから保護されることになる。従って、クーパー対励起子が回路ループ５４のメビウス配置の周りで非局在化して単一の非局在化量子状態になると、電圧演算子または電流演算子に結合する局所ノイズ源は、キュービットの量子状態をシフトまたは結合しない。

例えば、マイクロ波励起モードと永続電流モードとの間で遷移するために、第１の入力磁束αは、ほぼゼロの振幅よりもわずかに大きい値（周波数の最も低いモードを他のモードから分離するために）から、超伝導磁束量子に対応する第１の振幅Φにほぼ等しい値に調整される。これは、第３の磁束に関して、Δが一定で、かつほぼゼロの振幅よりわずかに大きい間に実施される。制御磁束のこれらの値に関して、基底状態は低エネルギーの電流状態に断熱的に変換され、励起状態は高エネルギーの電流状態に断熱的に変換される。永続電流モードとノイズ保護モードの間で遷移するために、第２の入力磁束γおよび第１の磁束αの両方を、約Φ／２磁束の大きさだけ断熱的に増加させる。これらの制御磁束の値に関して、永続電流モードの｜０〉状態および｜π〉状態は、ノイズ保護モードの｜０〉状態および｜π〉状態に断熱的に変換される。

これらの断熱的な遷移により、電圧演算子および電流演算子のパウリ双極子を、マイクロ波モードと電流モードとの間で変換することができるか、あるいは調整可能なカレントミラーキュービット５０がノイズ保護モードに遷移する際に大幅に抑制することができる。これらの遷移を使用して、以前に説明したのと同様に、調整可能なカレントミラーキュービット５０を読み出すこともできる。一例として、調整可能なカレントミラーキュービット５０は、ノイズ保護モードから永続電流モードに移行することができ、電流の値を直接感知することができる。従って、｜０〉状態および｜π〉状態にある調整可能なカレントミラーキュービット５０から電流を読み出すことができる。｜＋〉状態および｜－〉状態にあるキュービットを読み出すために、調整可能なカレントミラーキュービット５０は、調整可能なカレントミラーキュービット５０が分散的に読み取られる前に、（例えば、Ｘ９０マイクロ波ゲートを介して）読み出しを実行するために、ノイズ保護モードから永続電流モードに遷移された後、マイクロ波励起モードに遷移される。

調整可能なカレントミラーキュービット５０の準備および読み出しのための方法は、本明細書に記載されるものに限定されず、例えば、キュービットの状態に作用する物理的電圧演算子または電流演算子に基づくものとして理解され得る他の可能な方法が存在する。さらに、調整可能なカレントミラーキュービット５０の他の物理的配置も可能であり、調整可能なカレントミラーキュービット５０は、任意の数の磁束調整可能な要素および関連するコンデンサの配置を含むようにスケーリングすることができる。

図３は、調整可能なカレントミラーキュービット１００の一例を示す。調整可能なカレントミラーキュービット１００は、量子コンピュータシステム内の量子データを操作するために、量子コンピュータシステムに実装することができる。例えば、調整可能なカレントミラーキュービット１００は、図１の例の調整可能なカレントミラーキュービット１４に対応することができる。従って、以下の図３の例の説明では、図１の例が参照される。

図３の例では、調整可能なカレントミラーキュービット１００は、回路ループの周りに配置されるものとして示されている複数のＮ個のＳＱＵＩＤ１０２を含み、ここで、Ｎは、１より大きい正の整数である。ＳＱＵＩＤ１０２はそれぞれ、並列ジョセフソン接合Ｊ_１およびＪ_２のペアを含むものとして示されている。さらに、調整可能なカレントミラーキュービット１００は、ＳＱＵＩＤ１０２の個々のペアの間のノードを相互接続する複数のＸ個のコンデンサを含み、ここで、Ｘは、１より大きい正の整数であり、かつＮ／２に等しい。従って、ＳＱＵＩＤ１０２およびコンデンサＣ_１からＣ_Ｘの配置は、１０４におけるねじれセクションに基づいて示されるようなメビウスループに対応することができる。一例として、コンデンサＣ_１～Ｃ_Ｘは、比較的大きな静電容量（例えば、少なくとも５０フェムトファラド）を有することができる。

従って、調整可能なカレントミラーキュービット１００は、図２の例の調整可能なカレントミラーキュービット５０と実質的に同様に動作することができるが、潜在的にはるかに大量の磁束調整可能な要素を有するものとして示されている。特に、例えば、ＳＱＵＩＤ１０２の個々の１つは、第１の入力磁束αを受信することができ、残りのＳＱＵＩＤ１０２は、第２の入力磁束γを受信するように構成され、ＳＱＵＩＤ１０２の回路ループ構成は、第３の入力磁束Δを受信することができる。従って、入力磁束α、γ、およびΔは、調整可能なカレントミラーキュービット１００が本明細書で説明するように少なくとも２つのモード間で遷移できるようにするなどのために、調整可能なカレントミラーキュービット１００のモードを制御するように独立して制御することができる。

上記した構造的および機能的な特徴を考慮して、本発明の様々な態様による方法は、図４を参照することにより、よりよく理解されるであろう。説明を簡単にするために、図４の方法は、連続して実行するものとして示され、説明されているが、本発明によれば、いくつかの態様が、本明細書に示され、説明されているものとは異なる順序で、および／または他の態様と同時に発生する可能性があるため、本発明は、図示された順序に限定されないことが理解され、かつ評価されるべきである。さらに、本発明の一態様による方法を実施するために、図示された全ての特徴が必要とされるわけではない。

図４は、調整可能なカレントミラーキュービット（例えば、調整可能なカレントミラーキュービット１４）を制御するための方法１５０の例を示す。１５２において、調整可能なカレントミラーキュービットのマイクロ波励起モードにおいて、マイクロ波信号（例えば、マイクロ波励起ＭＣＷＥ）を介して調整可能なカレントミラーキュービットに励起が与えられる。１５４において、調整可能なカレントミラーキュービットの回路ループ（例えば、回路ループ５４）に配置された複数の磁束調整可能な要素（例えば、磁束調整可能な要素１６）の第１の磁束調整可能な要素への第１の入力磁束（例えば、第１の入力磁束α）。調整可能なカレントミラーキュービットは、クーパー対の相関を可能にするために、磁束調整可能な要素の個々のペアの間のノードを相互接続する複数のコンデンサ（例えば、コンデンサ１８）をさらに含むことができる。１５６において、第１の入力磁束が断熱的に第１の振幅に増加される。１５８において、第２の入力磁束（例えば、第２の入力磁束γ）が、複数の磁束調整可能な要素のうちの残りの少なくとも１つに提供される。１６０において、調整可能なカレントミラーキュービットをノイズ保護モードに設定して、調整可能なカレントミラーキュービットの量子状態を保存するために、第１の入力磁束が第１の振幅から第２の振幅に断熱的に増加され、第２の入力磁束がほぼゼロの振幅から第１の振幅に断熱的に増加される。

上記に記載されている内容は、本開示の例である。当然ながら、本開示を説明する目的で、構成要素または方法の考えられる全ての組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者であれば、本開示のさらに多くの組み合わせおよび順列が可能であることを認識するであろう。従って、本開示は、添付の特許請求の範囲を含む、本出願の範囲内にあるそのような全ての変更、修正、および変形を包含することを意図している。
以下に、上記実施形態から把握できる技術思想を付記として記載する。
［付記１］
調整可能なカレントミラーキュービットシステムであって、
第１の入力磁束を提供するように制御される第１の磁束源と、
第２の入力磁束を提供するように制御される第２の磁束源と、
第３の入力磁束を提供するように制御される第３の磁束源と、
調整可能なカレントミラーキュービットと、を備え、前記調整可能なカレントミラーキュービットは、
メビウスループとして配置され、かつ前記第３の入力磁束を受信するように構成された回路ループに配置された複数の超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）と、前記ＳＱＵＩＤの第１の部分は、前記第１の入力磁束を受信するように構成され、前記ＳＱＵＩＤの残りの部分は、前記第２の入力磁束を受信するように構成され、前記第１、第２、および第３の入力磁束は、マイクロ波入力信号を介した前記調整可能なカレントミラーキュービットの励起および量子状態の操作を可能にするマイクロ波励起モードと、前記調整可能なカレントミラーキュービットの量子状態の保存を可能にするノイズ保護モードとの間で前記調整可能なカレントミラーキュービットのモードを制御するように提供され、
前記マイクロ波励起モードおよび前記ノイズ保護モードの各々において前記回路ループの周りに非局在化するクーパー対励起子の形成を可能にするために、前記ＳＱＵＩＤの個々のペアの間のノードを相互接続する少なくとも１つのコンデンサと、を含む、調整可能なカレントミラーキュービットシステム。
［付記２］
前記調整可能なカレントミラーキュービットを前記マイクロ波励起モードから、励起が前記回路ループの周りの循環電流に変換される永続電流モードに切り替えるために、前記第２の入力磁束が非活性化されている間に、前記第１の入力磁束が断熱的に増加され、前記調整可能なカレントミラーキュービットを永続充電モード状態から前記ノイズ保護モードに切り替えるために、前記第３の入力磁束が非活性化され、かつ前記第１および第２の入力磁束が断熱的に増加される、付記１に記載の調整可能なカレントミラーキュービットシステム。
［付記３］
前記調整可能なカレントミラーキュービットを前記ノイズ保護モードから前記永続電流モードに切り替えるために、前記第１および第２の入力磁束が断熱的に減少され、前記調整可能なカレントミラーキュービットの読み出しを可能にするために前記調整可能なカレントミラーキュービットを前記永続電流モードから前記マイクロ波励起モードに切り替えるために、前記第２の入力磁束が非活性化されている間に、前記第３の入力磁束が活性化され、前記第１の入力磁束が断熱的に減少される、付記２に記載の調整可能なカレントミラーキュービットシステム。
［付記４］
前記調整可能なカレントミラーキュービットは、前記ノイズ保護モードにおいて前記回路ループの周りに非局在化するクーパー励起子の形成を実行する、付記１に記載の調整可能なカレントミラーキュービットシステム。

Claims (15)

1. 調整可能なカレントミラーキュービットであって、
   回路ループに配置された複数の磁束調整可能な要素であって、マイクロ波入力信号を介した前記調整可能なカレントミラーキュービットの励起または量子状態の操作を可能にするマイクロ波励起モードと、前記調整可能なカレントミラーキュービットの量子状態の保存を可能にするノイズ保護モードとの間で前記調整可能なカレントミラーキュービットのモードを制御するために、前記複数の磁束調整可能な要素の第１の部分が、第１の入力磁束を受信するように構成され、前記複数の磁束調整可能な要素の残りの部分が、第２の入力磁束を受信するように構成されている、前記複数の磁束調整可能な要素と、
   前記マイクロ波励起モードおよび前記ノイズ保護モードの各々においてクーパー対励起子の形成を可能にするために、前記複数の磁束調整可能な要素の個々のペアの間のノードを相互接続する少なくとも１つのコンデンサと、を備えるキュービット。
2. 前記複数の磁束調整可能な要素の各々が、超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）として機能する、請求項１に記載のキュービット。
3. 前記複数の磁束調整可能な要素の前記第１の部分は、第１の入力磁束源からの前記第１の入力磁束が提供される前記複数の磁束調整可能な要素の最初の１つに対応し、前記複数の磁束調整可能な要素の第２の部分は、第２の入力磁束源からの前記第２の入力磁束が提供される前記複数の磁束調整可能な要素の残りの少なくとも１つに対応する、請求項１に記載のキュービット。
4. 前記回路ループは、第３の入力磁束を受信するように構成され、前記第３の入力磁束は、前記マイクロ波励起モードにおいて静的バイアス磁束として提供され、かつ前記ノイズ保護モードにおいて非活性化される、請求項１に記載のキュービット。
5. 前記複数の磁束調整可能な要素は、メビウスループを形成するように前記回路ループの周りに配置されている、請求項１に記載のキュービット。
6. 前記第１および第２の入力磁束は、調整可能なカレントミラー磁束キュービットを前記マイクロ波励起モードと前記ノイズ保護モードとの間で遷移させるように独立して制御されるように提供される、請求項１に記載のキュービット。
7. 前記調整可能なカレントミラーキュービットを前記マイクロ波励起モードから、量子状態が前記回路ループの周りの循環電流に関連する永続電流モードに切り替えるために、前記第２の入力磁束が非活性化されている間に、前記第１の入力磁束が断熱的に増加され、前記調整可能なカレントミラーキュービットを前記永続電流モードから前記ノイズ保護モードに切り替えるために、前記第１および第２の入力磁束が断熱的に増加され、
   前記調整可能なカレントミラーキュービットを前記ノイズ保護モードから前記永続電流モードに切り替えるために、前記第１および第２の入力磁束が断熱的に減少され、前記調整可能なカレントミラーキュービットの読み出しが可能となるように前記調整可能なカレントミラーキュービットを前記永続電流モードから前記マイクロ波励起モードに切り替えるために、前記第２の入力磁束が非活性化されている間に、前記第１の入力磁束が断熱的に減少される、請求項６に記載のキュービット。
8. 前記調整可能なカレントミラーキュービットは、前記ノイズ保護モードにおいて前記回路ループの周りに非局在化するクーパー対励起子の形成を実行する、請求項１に記載のキュービット。
9. 請求項１に記載の前記調整可能なカレントミラーキュービットを備えるキュービットシステムであって、前記第１の入力磁束を提供するように構成された第１の磁束源と、前記第２の入力磁束を提供するように構成された第２の磁束源とをさらに備え、前記第１および第２の入力磁束は、独立して制御される、キュービットシステム。
10. 調整可能なカレントミラーキュービットを制御する方法であって、
    前記調整可能なカレントミラーキュービットの量子状態の操作を提供するために、前記調整可能なカレントミラーキュービットのマイクロ波励起モードにおいてマイクロ波信号を介して前記調整可能なカレントミラーキュービットに励起を与えるステップと、
    前記調整可能なカレントミラーキュービットの回路ループに配置された複数の磁束調整可能な要素の第１の磁束調整可能な要素に第１の入力磁束を提供するステップと、前記調整可能なカレントミラーキュービットは、前記回路ループの周りで非局在化するクーパー対励起子の形成を可能にするように前記複数の磁束調整可能な要素の個々のペアの間のノードを相互接続する少なくとも１つのコンデンサをさらに備えており、
    前記第１の入力磁束を第１の振幅に断熱的に増加させるステップと、
    前記複数の磁束調整可能な要素の残りの少なくとも１つに第２の入力磁束を提供するステップと、
    前記調整可能なカレントミラーキュービットの量子状態を保存するために前記調整可能なカレントミラーキュービットをノイズ保護モードに設定するために、前記第１の入力磁束を第１の振幅から第２の振幅に断熱的に増加させ、前記第２の入力磁束をほぼゼロの振幅から第１の振幅に断熱的に増加させるステップと、を含む方法。
11. 前記複数の磁束調整可能な要素の各々が超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）として機能する、請求項１０に記載の方法。
12. 第３の入力磁束を提供するステップをさらに含み、前記第３の入力磁束は、前記マイクロ波励起モードにおいて静的バイアス磁束として提供され、前記ノイズ保護モードにおいて非活性化され、前記第１および第２の入力磁束を断熱的に増加させることは、前記調整可能なカレントミラーキュービットの量子状態を保存するために前記調整可能なカレントミラーキュービットを前記ノイズ保護モードに設定するために前記第３の入力磁束を非活性化することを含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記複数の磁束調整可能な要素は、メビウスループを形成するように前記回路ループの周りに配置されている、請求項１０に記載の方法。
14. 前記第１の入力磁束をほぼゼロの振幅から第１の振幅に断熱的に増加させることは、前記調整可能なカレントミラーキュービットを前記マイクロ波励起モードから、基底状態および第１の励起状態が前記回路ループの周りの循環電流に関連する永続電流モードに設定するために、前記第１の入力磁束をほぼゼロの振幅から第１の振幅に断熱的に増加させることを含み、前記第１および第２の入力磁束を断熱的に増加させることは、前記調整可能なカレントミラーキュービットを前記永続電流モードから前記ノイズ保護モードに設定するために、前記第１および第２の入力磁束を断熱的に増加させることを含む、請求項１０に記載の方法。
15. 前記第１の入力磁束を第２の振幅から第１の振幅に断熱的に減少させ、前記第２の入力磁束を第１の振幅からほぼゼロの振幅に断熱的に減少させるステップと、
    前記調整可能なカレントミラーキュービットの量子状態を読み出すために前記調整可能なカレントミラーキュービットを前記マイクロ波励起モードに設定するために、前記第１の入力磁束を第１の振幅からほぼゼロの振幅に断熱的に減少させ、前記第２の入力磁束を非活性化させるステップと、をさらに含む、請求項１０に記載の方法。

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