JP7279792B2 - 共振器、発振器、及び量子計算機 - Google Patents
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Description
第一の超伝導線路と第一のジョセフソン接合と第二の超伝導線路と第二のジョセフソン接合とが環状に接続されている、少なくとも1つのループ回路と、
前記ループ回路に含まれるジョセフソン接合とは別に設けられた、少なくとも1つの第三のジョセフソン接合と、
キャパシタと、
を有し、
前記ループ回路と、前記第三のジョセフソン接合と、前記キャパシタとが環状に接続されている。
また、以下の説明において、ジョセフソン接合とは、第1の超伝導体と第2の超伝導体で薄い絶縁膜を挟んだ構造を有する素子をいう。
また、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
上述した通り、分布定数型のジョセフソンパラメトリック発振器は、共振器の占有面積が大きすぎるため、集積化には不向きである。この問題を解決して実用的な量子計算機を実現するためには、集中定数型のジョセフソンパラメトリック発振器を実現する必要がある。図1は、第一の実施形態にかかる集中定数型のジョセフソンパラメトリック発振器10の一例を示す模式図である。なお、以下の説明では、ジョセフソンパラメトリック発振器(非線形発振器)を単に発振器と称すことがある。
また、ジョセフソン接合130において、ジョセフソン接合130の両端子が直列接続における接続点となる。
上述した第一の実施形態では、共振器100はループ回路110を1つ備えたが、図3に示すように、共振器100は、複数のループ回路110を備えてもよい。図3に示した共振器100は、複数のループ回路110と、1以上のジョセフソン接合130と、キャパシタ120とを備えている。
ループ回路110、すなわちDC-SQUIDは、磁場ノイズの影響を受ける回路であるため、その個数が多ければ多いほど、磁場ノイズに敏感な回路になってしまい、回路の誤動作確率を高めてしまう恐れがある。また、複数のループ回路110に均一に磁場を印加するための磁場発生部200の配線は、ループ回路110の個数に応じて長くなってしまう。このため、ループ回路110の個数は1つであることが好ましい。
次に、第二の実施形態について説明する。図4は、第二の実施形態にかかる集中定数型のジョセフソンパラメトリック発振器20の一例を示す模式図である。本実施形態は、発振器が電流印加部300をさらに有する点で、第一の実施形態と異なっている。電流印加部300は、ジョセフソン接合130に所定の電流値の直流電流を印加する回路である。図4に示した例では、電流印加部300は、直列に接続された全てのジョセフソン接合130からなる回路の一端301と他端302に電流印加部300の入出力端子が接続されている。これにより、電流印加部300とジョセフソン接合130とを含む閉回路が構成される。よって、電流印加部300から出力した直流電流は、すべてのジョセフソン接合130を流れて、また電流印加部300に戻る。
また、図4では、複数のジョセフソン接合130がまとまって直列に接続され、複数のループ回路110がまとまって直列に接続されているが、これらの順序は任意である。したがって、例えば、ループ回路110とジョセフソン接合130とが交互に並ぶように直列に接続されてもよい。
第二の実施形態についても、第一の実施形態と同様の変形例を考えることができる。すなわち、図5に示すように、発振器20の共振器100は、複数のループ回路110を備えていてもよい。第二の実施形態の変形例は、電流印加部300が追加されている点を除き、第一の実施形態の変形例と構成が同様であるため、構成の詳細については説明を省略する。
また、図5では、複数のジョセフソン接合130がまとまって直列に接続され、複数のループ回路110がまとまって直列に接続されているが、これらの順序は任意である。したがって、例えば、ループ回路110とジョセフソン接合130とが交互に並ぶように直列に接続されてもよい。
次に、上述した発振器10、発振器20を量子計算機用の量子ビット回路として用いる実施形態について説明する。なお、ここでいう量子計算機は、イジングモデルにマッピング可能な任意の問題の解を計算する量子アニーリング型の計算機である。上述したように、発振器10、発振器20は、共振周波数の2倍の周波数の交流磁場をループ回路110に与えるとパラメトリック発振する。このとき、発振状態は、互いに位相がπだけ異なる第一の発振状態と第二の発振状態のいずれかの状態をとり得る。この第一の発振状態と第二の発振状態が量子ビットの0、1に対応する。
つまり、第一組の発振器群のうちの第一の発振器40はジョセフソン接合410の一方の端子に、第一のキャパシタ411を介して接続している。また、第一組の発振器群のうちの第二の発振器40はジョセフソン接合410の一方の端子に、第二のキャパシタ411を介して接続している。同様に、第二組の発振器群のうちの第三の発振器40はジョセフソン接合410の他方の端子に、第三のキャパシタ411を介して接続している。また、第二組の発振器群のうちの第四の発振器40はジョセフソン接合410の他方の端子に、第四のキャパシタ411を介して接続している。
なお、図6に示した構成において、制御部50は、各発振器40を制御するために分散的に配置されて設けられてもよいし、複数の制御部50がまとめて1箇所に集約されて設けられてもよい。発振器40が上述した電流印加部300を有する場合、電流印加部300は、発振器40毎に分散的に配置されて設けられてもよいし、まとめて1箇所に集約されて設けられてもよい。また、図6に示した構成では読み出し部51が4個用いられているが、1個の読み出し部51が4個の発振器40の読み出しを行ってもよい。この場合、複数の発振器40に対して共通に設けられた読み出し部51は、各発振器40で用いられる周波数の違いにより、各発振器40を区別して読み出しを行なう。
本実施形態によれば、適度な非線形性と低い損失とを両立しつつ、回路の占有面積を抑制した量子計算機を実現することができる。
なお、本開示にかかる超伝導非線形発振器は、量子アニーリング回路だけではなく、ゲート型の量子コンピューティング回路にも適用できる。
20 発振器
40 発振器
41 結合回路
50 制御部
51 読み出し部
52 キャパシタ
60 量子計算機
61 量子計算機
100 共振器
101 第一の超伝導線路
102 第二の超伝導線路
103 第一のジョセフソン接合
104 第二のジョセフソン接合
105 第一の部分
106 第二の部分
110 ループ回路
120 キャパシタ
130 ジョセフソン接合
200 磁場発生部
300 電流印加部
410 ジョセフソン接合
411 キャパシタ
412_1 超伝導体
412_2 超伝導体
Claims (9)
- 第一の超伝導線路と第一のジョセフソン接合と第二の超伝導線路と第二のジョセフソン接合とが環状に接続されている、少なくとも1つのループ回路と、
前記ループ回路に含まれるジョセフソン接合とは別に設けられ、他のジョセフソン接合と並列回路を構成しない、少なくとも1つの第三のジョセフソン接合と、
第一のキャパシタと、
を有し、
キャパシタを含む環状の回路は1つであり、
1つの前記環状の回路は、前記ループ回路と、前記第三のジョセフソン接合と、前記第一のキャパシタとが直列に接続された回路である、
共振器。 - 前記ループ回路が1つであり、前記第三のジョセフソン接合が複数である、
請求項1に記載の共振器。 - 前記ループ回路が複数である、
請求項1に記載の共振器。 - 前記ループ回路と前記第三のジョセフソン接合が交互に並ぶように接続されている、
請求項3に記載の共振器。 - 前記第三のジョセフソン接合に直流電流を印加する電流印加手段をさらに有する
請求項1から4のいずれか1項に記載の共振器。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載の共振器と、
前記ループ回路に磁場を印加する磁場発生手段と
を有する発振器。 - 請求項6に記載された発振器を4個と、前記4個の発振器のそれぞれの、前記第一のキャパシタと前記ループ回路と前記第三のジョセフソン接合を有する前記環状の回路を結合する結合回路とを単位構造として有する量子計算機。
- 前記結合回路は、前記4個の発振器のうち、2個の発振器からなる第一組の発振器群と、他の2個の発振器からなる第二組の発振器群とを第四のジョセフソン接合を介して結合し、
前記第一組の発振器群のうちの第一の発振器は前記第四のジョセフソン接合の一方の端子に、第二のキャパシタを介して接続し、
前記第一組の発振器群のうちの第二の発振器は前記第四のジョセフソン接合の一方の端子に、第三のキャパシタを介して接続し、
前記第二組の発振器群のうちの第三の発振器は前記第四のジョセフソン接合の他方の端子に、第四のキャパシタを介して接続し、
前記第二組の発振器群のうちの第四の発振器は前記第四のジョセフソン接合の他方の端子に、第五のキャパシタを介して接続している
請求項7に記載の量子計算機。 - 前記単位構造を複数有し、
前記発振器が、複数の前記単位構造で共有されている
請求項7又は8に記載の量子計算機。
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