JP7322351B2

JP7322351B2 - 超伝導回路構造、超伝導量子チップ及び超伝導量子コンピュータ

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Publication number: JP7322351B2
Application number: JP2020153054A
Authority: JP
Inventors: チンリーチン; トアンルンヤオ
Original assignee: Beijing Baidu Netcom Science and Technology Co Ltd
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Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2023-08-08
Anticipated expiration: 2040-09-11
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Description

本願は、コンピュータ分野に関し、特に、量子計算の分野に関する。

量子計算は、ある問題点において古典的な計算を超えることが期待される新規の計算モデルとして、多くの潜在的なハードウェアによる実現方式がある。現在、注目され且つ一定の性能を既に有している量子ハードウェア候補は、主にイオントラップ系と超伝導回路系とがある。超伝導回路系は、成熟した半導体集積回路である相補型金属酸化膜半導体（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、ＣＭＯＳ）技術の利点を受けて、より優れた拡張性を有することから産業界において重視されている。Ｇｏｏｇｌｅは、最近、５３個の超伝導量子ビットのチップ上に量子シュプレマシーを実現している。そうであっても、超伝導回路系において量子ビット間の接続性は良好ではなく、隣接する量子ビットにのみ結合可能であることは、無視できないことである。この制約により、２つの量子ビットゲートは、隣接する量子ビット間でのみ実現されるが、多くの実際のタスクでは、隣接する量子ビット間の結合だけでなく、非隣接する量子ビット間の結合も必要とされ、すなわち、多くの実際のタスクでは、任意の２つの量子ビット間の量子ゲート操作を行う必要がある。

したがって、超伝導回路系において、非隣接する量子ビット間の操作を可能にしつつ、量子ビット間のクロストークを効果的に抑制することができる超伝導回路構造が強く望まれている。

本発明の実施例は、任意の２計算量子ビット間の結合、さらに、任意の２計算量子ビット間の量子ゲート操作を行いつつ、計算量子ビット間のクロストークを効果的に抑制することが可能な超伝導回路構造、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の態様として、本発明の実施例は、超伝導回路構造を提供し、
少なくとも３つの計算量子ビットと、
計算量子ビットに接続されるバス量子ビットと、
計算量子ビットとバス量子ビットとの間に設けられ、計算量子ビットをバス量子ビットに接続し、計算量子ビットとバス量子ビットとの結合強度を調整する結合量子ビットと、を備え、
前記バス量子ビットにより接続された任意の２つの計算量子ビットの間にて等価な結合が生じる。

本願の実施例では、バス量子ビットを導入し、バス量子ビットを用いて各計算量子ビットを間接的に結合することにより、任意の２計算量子ビット間の結合を生じさせ、計算量子ビットの完全接続を実現し、さらに、任意の２計算量子ビット間の量子ゲート操作を行うための基礎を構築し、また、本願の実施例では、結合量子ビットを導入し、結合量子ビットをバス量子ビットと計算量子ビットとの間に配置することにより、結合量子ビットを用いて計算量子ビットとバス量子ビットとの間の結合強度を調整することができ、結合量子ビットを用いて任意の２計算量子ビット間の結合をオフにすることができ、計算量子ビット間のクロストークの発生を効果的に防止することができる。

以上のように、本願の実施例は、超伝導回路系において、非隣接する量子ビット間の操作を行うことが可能にし、計算量子ビット間のクロストークを効果的に抑制するための解決策を提供する。

１つの実施例において、計算量子ビットと、バス量子ビットと、結合量子ビットとは、同一または異なる回路構成を有する。

本願の実施例では、異なるタイプの素子の導入を最小化するために、計算量子ビット、バス量子ビット、および結合量子ビットは、同じ構造、例えば同じ量子ビット構造を有することができ、当然ながら、実際の機能要求または他の必要性のために、計算量子ビットと、バス量子ビットと、結合量子ビットとの三者の構造が異なることができ、したがって、エンジニアリングの適用の基礎を構築する。

１つの実施例において、バス量子ビットは共振器である。

１つの実施例において、バス量子ビットは超伝導量子干渉装置を含み、及び／又は、計算量子ビットは超伝導量子干渉装置を含み、及び／又は、結合量子ビットは超伝導量子干渉装置を含む。

１つの実施例において、超伝導量子干渉装置は、並列接続された２つのジョセフソン接合を含む。

本願の実施例において、超伝導量子干渉装置のジョセフソン接合を流れる電流によって生成される磁場により、計算量子ビットまたはバス量子ビットまたは結合量子ビットを通る磁束が変更され、さらに計算量子ビットまたはバス量子ビットまたは結合量子ビットの周波数が変更され、計算量子ビットとバス量子ビット、結合量子ビットとの間の結合がなされ、したがって、任意の２計算量子ビット間の結合を実現するための基礎となる。

１つの実施例において、バス量子ビットは、さらに、バス量子ビットが位置する環境の電荷変動をノイズ低減するための第１のノイズ低減構造を含み、及び／又は、
計算量子ビットは、さらに、計算量子ビットが位置する環境の電荷変動をノイズ低減するための第２のノイズ低減構造、及び／又は、
結合量子ビットは、さらに、結合量子ビットが位置する環境の電荷変動をノイズ低減するための第３のノイズ低減構造を含む。

１つの実施例において、バス量子ビットは、前記超伝導量子干渉装置に並列接続されたコンデンサをさらに含み、コンデンサがバス量子ビットの位置する環境の電荷変動をノイズ低減し、及び／又は、
計算量子ビットは、前記超伝導量子干渉装置に並列接続されたコンデンサをさらに含み、コンデンサが計算量子ビットの位置する環境の電荷変動をノイズ低減し、及び／又は、
結合量子ビットは、前記超伝導量子干渉装置に並列接続されたコンデンサをさらに含み、コンデンサが結合量子ビットの位置する環境の電荷変動をノイズ低減する。

１つの実施例において、超伝導回路構造は、さらに、第１の接続部材、第２の接続部材及び第３の接続部材を含み、ここで、
バス量子ビットの第１の端部は第１の接続部材を介して計算量子ビットの第１の端部に接続され、バス量子ビットの第２の端部は第２の接続部材を介して結合量子ビットの第１の端部に接続され、計算量子ビットの第２の端部は第３の接続部材を介して結合量子ビットの第２の端部に接続される。

１つの実施例において、第１の接続部材、第２の接続部材及び第３の接続部材は、コンデンサ、ジョセフソン接合及び共振器のうちの少なくとも１つであり、
ここで、第１の接続部材、第２の接続部材及び第３の接続部材として使用される素子は、同一又は異なる。

第２の態様として、本発明の実施例は、超伝導量子チップを提供し、超伝導量子チップ上に少なくとも超伝導回路構造が形成され、超伝導回路構造は、
少なくとも３つの計算量子ビットと、
計算量子ビットに接続されるバス量子ビットと、
計算量子ビットとバス量子ビットとの間に設けられ、計算量子ビットをバス量子ビットに接続し、計算量子ビットとバス量子ビットとの結合強度を調整する結合量子ビットと、を備え、
バス量子ビットにより接続された任意の２つの計算量子ビットの間で等価な結合が生じる。

第３の態様として、本発明の実施例は、超伝導量子コンピュータを提供し、超伝導量子チップ及び超伝導量子チップに接続される制御読取装置を少なくとも備え、ここで、超伝導量子チップ上に少なくとも超伝導回路構造が形成され、超伝導回路構造は、
少なくとも３つの計算量子ビットと、
計算量子ビットに接続されるバス量子ビットと、
計算量子ビットとバス量子ビットとの間に設けられ、計算量子ビットをバス量子ビットに接続し、計算量子ビットとバス量子ビットとの結合強度を調整する結合量子ビットと、を備え、
バス量子ビットにより接続された任意の２つの計算量子ビットの間で等価な結合が生じる。

上記出願の実施例は、以下のメリット又は有益な効果を有する。
バス量子ビットの導入により、各計算量子ビットはバス量子ビットを用いて間接的に結合され、これにより、任意の２計算量子ビット間の結合が達成され、計算量子ビットの完全な結合が達成され、さらに、任意の２計算量子ビット間の量子ゲート操作を行うための基礎を構築し、また、本願の実施例では、結合量子ビットを導入し、結合量子ビットをバス量子ビットと計算量子ビットとの間に配置することにより、結合量子ビットを用いて計算量子ビットとバス量子ビットとの結合強度を制御することができ、結合量子ビットを用いても任意の２計算量子ビット間の結合をオフことができるため、計算量子ビット間のクロストークの発生を効果的に回避し、超伝導回路プラットフォームにおいて非隣接する量子ビット間の操作を実現するとともに、計算量子ビット間のクロストークを効果的に抑制することができる。

上記の選択可能な形態が有する他の効果について、具体的な実施例を挙げて説明する。

図面は、本発明の解決策をより良く理解するために使用され、本発明に対するいかなる限定をも目的としない。

量子ビット（Ｑ_０～Ｑ_７）の一次元線形構造配置の概略図を示す。量子ビット（Ｑ_０～Ｑ_１５）の二次元チェッカーボード構造の概略図を示す。図１に示される構造が分解された７つの隣接する量子ビットゲートの構成の概略図を示す。量子ビット（Ｑ_０～Ｑ_７）が１つの共有の共振器より結合する模式図を示す。本発明の実施例における超伝導回路構造の模式図を示す。本発明の実施例における超伝導回路構造が拡張された拡張構成の模式図を示す。本発明の実施例における超伝導回路構造の具体的な例の構成の模式図を示す。

以下、図面を参照しながら本発明の例示的な実施形態を説明するが、本発明の実施形態の様々な細部がより理解を促すために含まれており、それらは単に例示的なものと考えられるべきである。したがって、当業者は、本発明の範囲および旨から逸脱することなく、本願明細書に記載された実施形態に対して様々な変更および修正を行うことができることを理解すべきである。同様に、以下の説明では、公知な機能および構造についての説明は、明瞭かつ簡明のために省略する。

超伝導量子チップの基本単位は、超伝導量子ビット（本願の実施例では、量子ビットと呼ぶ）である。従来技術の実装では、多くはｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビットが用いられ、異なるのは量子ビットのアーキテクチャ、すなわち量子ビット間の配列や結合方式が異なるだけである。量子ビットの構造は、適用されるシーンによって、隣接する量子ビットと直接的または間接的に結合する第１のタイプと、複数の量子ビットが１つの共振器（量子バス（ｑｕａｎｔｕｍｂｕｓ）ともいう）によって接続される第２のタイプとに区別される。これら２つのタイプは、それぞれの利点はあるが、それぞれに欠点もある。具体的には、
第１のタイプについて、隣接する量子ビットは、１つのコンデンサ（例えば、文献ＪｕｌｉａｎＫｅｌｌｙ，ＲａｍｉＢａｒｅｎｄｓ，ＡｕｓｔｉｎＧＦｏｗｌｅｒ，ＡｎｔｈｏｎｙＭｅｇｒａｎｔ，ＥｖａｎＪｅ＿ｒｅｙ，ＴｈｅｏｄｏｒｅＣ．Ｗｈｉｔｅ，ＤａｎｉｅｌＳａｎｋ，ＪｏｓｈＹＭｕｔｕｓ，ＢｒｏｏｋｓＣａｍｐｂｅｌｌ，ＹｕＣｈｅｎ，ｅｔａｌ；Ｓｔａｔｅｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎｂｙｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅｅｒｒｏｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｎａｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｑｕａｎｔｕｍｃｉｒｃｕｉｔ；Ｎａｔｕｒｅ５１９，６６（２０１５））、又は１つの共振器（例えば、文献Ｃｏｒｃｏｌｅｓ，ＡｎｔｏｎｉｏＤ．，ｅｔａｌ；Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｏｆａｑｕａｎｔｕｍｅｒｒｏｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｃｏｄｅｕｓｉｎｇａｓｑｕａｒｅｌａｔｔｉｃｅｏｆｆｏｕｒｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｑｕｂｉｔｓ；Ｎａｔｕｒｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ６，６９７９（２０１５））、又は１つのカプラー（ｃｏｕｐｌｅｒ）（例えば、文献ＦｒａｎｋＡｒｕｔｅ，ＫｕｎａｌＡｒｙａ，ＲｙａｎＢａｂｂｕｓｈ，ＤａｖｅＢａｃｏｎ，ＪｏｓｅｐｈＣＢａｒｄｉｎ，ＲａｍｉＢａｒｅｎｄｓ，Ｒｕｐａｋ．Ｂｉｓｗａｓ，ＳｅｒｇｉｏＢｏｉｘｏ，ＦｅｒｎａｎｄｏＧＳＬＢｒａｎｄａｏ，ＤａｖｉｄＡＢｕｅｌｌ，ｅｔａｌ；Ｑｕａｎｔｕｍｓｕｐｒｅｍａｃｙｕｓｉｎｇａｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；Ｎａｔｕｒｅ５７４，５０５（２０１９））で結合され、複数の量子ビットは一次元線状に配列されてもよく、図１Ａに示すように、量子ビット（Ｑ_０～Ｑ_７）は一次元線状に配列され、各量子ビットは隣接する量子ビットのみと結合し、ここで、図１Ｃは、図１Ａに基づく一次元線状の量子ビット構成であり、実際の応用において、量子ビットＱ_０とＱ_７との間に量子ゲートを実現する場合、７つの隣接する量子ビットゲートに分けて実現する必要がある。さらに、このように、二次元チェッカーボード構造になっても良く、図１Ｂに示すように、量子ビット（Ｑ_０～Ｑ_１５）二次元チェッカーボード構造に配列され、各量子ビットが隣接する量子ビットのみと結合する。このように、一次元でも二次元でも、量子ビットは隣接する量子ビットのみと相互作用するが、他の量子ビットと結合することができず、即ち、２つの量子ビットゲートは、隣接する量子ビットのみで実現されるため、この技術案は、量子ビットの間の接続性が良くない。

実際の応用において、第１のタイプについて、非隣接する量子ビットの間で２つの量子ビットゲートを実現したい場合、分解方式で行う必要がある。例えば、図１Ａに示す量子ビットＱ_０と量子ビットＱ_７との間で２つの量子ビットゲートを実現する場合、Ｑ_０とＱ_１との間、Ｑ_１とＱ_２との間、Ｑ_２とＱ_３との間、Ｑ_３とＱ_４との間、Ｑ_４とＱ_５との間、Ｑ_５とＱ_６との間、及びＱ_６とＱ_７との間で量子ゲートを実現する必要があり、実現アーキテクチャは図１Ｃに示す。このように、量子回路の深さが深くなることは避けられないため、計算全体の忠実性が大きく低下する。また、超伝導量子ビットのコヒーレンス時間には限界があり、回路深さもあまり深くできない。

第２タイプとして、複数の量子ビットは、共通の共振器によって互いに結合され、各量子ビットは、それぞれ、星型トポロジーを形成するように共振器に結合され（例えば、文献Ｓｏｎｇ，Ｃｈａｏ，ｅｔａｌ；１０－ｑｕｂｉｔｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔａｎｄｐａｒａｌｌｅｌｌｏｇｉｃｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｗｉｔｈａｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ．Ｃｉｒｃｕｉｔ；Ｐｈｙｓｉｃａｌｒｅｖｉｅｗｌｅｔｔｅｒｓ１１９，１８０５１１（２０１７））、図２に示されるように、このようにすることにより、２つの量子ビット間ごとに等価結合が存在することとなる。このような設計は、通常、多重量子ビット間の量子的な絡み合いを可能にするために、例えばＧｒｅｅｎｂｅｒｇｅｒ－Ｈｏｒｎｅ－Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ状態を形成する。この方式は、任意の量子ビット間の等価結合を実現する共通の共振器を導入し、任意の量子ビット間で２量子ビットゲートを実現するものであり、量子ビット間の接続性は良好であるが、量子ビット間のクロストークが非常に大きいという客観的な事実、すなわち、量子ビットを操作する際に他の量子ビットが影響を受けるという事実を無視できない。

したがって、非隣接する量子ビット間の操作を可能にしつつ、量子ビット間のクロストークを効果的に抑制することができる超伝導回路構造が強く望まれている。

そこで、本願の実施例は、超伝導回路プラットフォームにおいて、非隣接する計算量子ビット間の操作を実現しつつ、計算量子ビット間のクロストークを効果的に抑制することが可能な超伝導回路構造、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。特に、本願の実施例は、バス量子ビット（ｂｕｓｑｕｂｉｔ）および結合量子ビット（ｃｏｕｐｌｅｒｑｕｂｉｔ）を導入し、このように、超伝導量子ビット間の接続性（ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｉｔｙ）およびクロストーク性（ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）を両立させ、多重量子ビット間の高い忠実性のフル連通の量子ゲートを実現する。

なお、本発明の実施例の超伝導回路構造とは、超伝導素子を用いて実現される回路、すなわち超伝導回路構造に用いられる素子が超伝導材料から作製されたものである。

図３は本発明の実施例による超伝導回路アーキテクチャの概略図であり、図５は本発明の実施例による超伝導回路アーキテクチャの具体例における回路実装概略図であり、超伝導回路構造は、少なくとも３つの計算量子ビット、バス量子ビット及び結合量子ビットを含み、
計算量子ビットとして、図３に示すＱ_０～Ｑ_７はいずれも計算量子ビットであり、
バス量子ビットとして、図３に示すように、バス量子ビットＢｕｓは計算量子ビットＱ_０～Ｑ_７に接続され、ここで、バス量子ビットＢｕｓにより接続される任意の２つの計算量子ビットの間で等価な結合がなされ、
結合量子ビットとして、図３に示すｃ_０～ｃ_７はいずれも結合量子ビットであり、計算量子ビットとバス量子ビットとの間に設けられ、計算量子ビットをバス量子ビットに接続し、計算量子ビットとバス量子ビットとの結合強度を調整する。

ここで、図３に示すように、１つの具体例では、バス量子ビットに少なくとも３つの計算量子ビットが接続され、結合量子ビットの数は計算量子ビットの数と同じであり、すなわち、１つの結合量子ビットが１つの計算量子ビットに対応するので、結合量子ビットを用いて、計算量子ビットとバス量子ビットとの間の結合強度を調整する目的を達成することができる。

１つの具体例では、異なるタイプの素子の導入を最小化するために、計算量子ビット、バス量子ビット、および結合量子ビットは、同じ構造、例えば同じ量子ビット構造を有することができ、当然ながら、実際の機能要求または他の要求のために、計算量子ビット、バス量子ビット、および結合量子ビットの３つの構造も異なっていてもよく、したがって、エンジニアリングの適用の基礎を構築する。

実際の応用では、バス量子ビットは共振器であってもよく、例えば、１つの具体的な例では、共振器は、インダクタと、インダクタに並列に接続されたコンデンサと、からなる共振構造を備える。あるいは、前記共振器は、制御可能である等価インダクタンスと、制御可能である等価インダクタンス並列に接続されたコンデンサを有する。

１つの具体例では、バス量子ビットは超伝導量子干渉装置を含み、及び／又は、計算量子ビットは超伝導量子干渉装置を含み、及び／又は、結合量子ビットは超伝導量子干渉装置を含む。ここで、超伝導量子干渉装置は、並列接続された２つのジョセフソン接合を含み、超伝導量子干渉装置内のジョセフソン接合を流れる電流によって発生する磁場によって、計算量子ビットまたはバス量子ビットまたは結合量子ビットを通る磁束を変化させることができ、それによって計算量子ビットまたはバス量子ビットまたは結合量子ビットの周波数を変化させて周波数調整を行うことができる。

１つの具体例では、バス量子ビットは第１のノイズ低減構造をさらに含み、第１のノイズ低減構造はバス量子ビットが位置する環境の電荷変動をノイズ低減し、及び／又は、計算量子ビットは第２のノイズ低減構造をさらに含み、第２のノイズ低減構造は計算量子ビットが位置する環境の電荷変動をノイズ低減し、及び／又は、結合量子ビットは第３のノイズ低減構造をさらに含み、第３のノイズ低減構造は結合量子ビットが位置する環境の電荷変動をノイズ低減する。

他の１つの具体的な例では、バス量子ビットは超伝導量子干渉装置に並列接続されたコンデンサをさらに含み、コンデンサはバス量子ビットが位置する環境の電荷変動をノイズ低減し、及び／又は、計算量子ビットは超伝導量子干渉装置に並列接続されたコンデンサをさらに含み、コンデンサは計算量子ビットが位置する環境の電荷変動をノイズ低減し、及び／又は、結合量子ビットは超伝導量子干渉装置に並列接続されたコンデンサをさらに含み、コンデンサは結合量子ビットが位置する環境の電荷変動をノイズ低減する。

実際の応用において、図５に示すように、本願の実施例における超伝導回路構造を実現するために、第１の接続部材、第２の接続部材及び第３の接続部材をさらに備え、ここで、バス量子ビットの第１の端部は第１の接続部材を介して計算量子ビットの第１の端部に接続され、バス量子ビットの第２の端部は第２の接続部材を介して結合量子ビットの第１の端部に接続され、計算量子ビットの第２の端部は第３の接続部材を介して結合量子ビットの第２の端部に接続される。

１つの具体例では、第１の接続部材、第２の接続部材及び第３の接続部材は、コンデンサ、ジョセフソン接合、共振器のうちの少なくとも１つであり、ここで、第１の接続部材、第２の接続部材及び第３の接続部材として使用される素子は同一又は異なる。

本願の実施例の技術的解決策によれば、バス量子ビットを導入し、バス量子ビットを用いて各計算量子ビットを間接的に結合することにより、任意の２計算量子ビット間の結合を実現し、計算量子ビットの完全連結を実現し、さらに任意の２計算量子ビット間の量子ゲート操作を行うための基礎を構築し、また、本願の実施例では、結合量子ビットを導入し、結合量子ビットをバス量子ビットと計算量子ビットとの間に配置することにより、結合量子ビットを用いて計算量子ビットとバス量子ビットとの結合強度を制御することができ、結合量子ビットを用いて任意の２計算量子ビット間の結合をオフことができるため、計算量子ビット間のクロストークの発生を効果的に回避し、超伝導回路プラットフォームにおいて非隣接量子ビット間の操作を実現するとともに、計算量子ビット間のクロストークを効果的に抑制することができる。

以下、本願の実施例について、本願の超伝導回路構造の構造を説明した後、本願の超伝導回路構造の動作原理を分析し、最後に、超伝導回路素子を用いて本願の超伝導回路構造をどのように実現するかを説明する３つの部分から、さらに詳細に説明する。具体的には、
第１の部分として、超伝導回路構造の構成であり、この例において、基本素子は量子ビットである。本願の技術案の量子によるビットの機能に応じて、量子ビットを３つのタイプに分け、図３に示すように、計算のための量子ビットを計算量子ビット（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｑｕｂｉｔｓ）として、Ｑで示し、図３に示すＱ_０～Ｑ_７はいずれも計算量子ビットであり、異なる計算量子ビットを接続するための量子ビットをバス量子ビット（ｂｕｓｑｕｂｉｔｓ）として、Ｂｕｓで示し、計算量子ビットとバス量子ビットとの結合強度を調整するための量子ビットを結合量子ビット（ｃｏｕｐｌｅｒｑｕｂｉｔ）として、ｃで示し、図３に示すｃ_０～ｃ_７はいずれも結合量子ビットである。実際の応用において、結合量子ビットとバス量子ビットとは、カプラーモジュールとも言い、例えば、図３に示すように、カプラーモジュールは、１つのバス量子ビットＢｕｓ及び８つの結合量子ビット（ｃ_０～ｃ_７）を含む。さらに、各独立量子ビットにおいて、計算量子ビット間を共通のバス量子ビットで接続することにより、任意の２つの計算量子ビット間に等価結合を生じさせることができる。そして、各計算量子ビットとバス量子ビットとの間に、計算量子ビットとバス量子ビットとの結合強度を調整するための結合量子ビットを挿入することにより、必要に応じて両者の結合をオフにすることができ、２計算量子ビット間のクロストークを有効的に防止することができる。なお、バス量子ビットは共振器に置き換えても同様の機能を実現できる。ただし、本願では、タイプの異なる基本ユニットをできるだけ少なく使用するために、基本ユニットは全て量子ビットを採用している。

以上の構成のように、任意の２つの計算量子ビット、即ち、Ｑ_０～Ｑ_７が２つの量子ビットゲートを実現し、さらに、計算量子ビットの間のクロストークを良く制御することができる。例えば、図３に示すように、計算量子ビットＱ_１とＱ_６との結合及び量子ゲート操作を実現したい場合、結合量子ビットｃ_１とｃ_６を調整してバス量子ビットと結合し、さらに、他の結合量子ビットを調整して他の計算量子ビットとバス量子ビットとの結合をオフし、このように、計算量子ビットＱ_１とＱ_６との間の量子ゲートを実現する場合、他の計算量子ビットに影響を与えず、高忠実度の量子ゲート操作を実現する。

なお、図３に示される技術案は、実際のタスクの必要性に応じて、バス量子ビットが結合される計算量子ビットの数を選択することができる。また、図３に示す超伝導回路構造は、１つの基本ユニットのみでよく、実際の応用において、この基本ユニットに基づいて、より複雑なタスクをサポートするための拡張を行うことも可能である。例えば、図４は図３に示す基本ユニットを拡張して４０個の計算量子ビットＱ_０～Ｑ_３９を含む超伝導回路構造を構成し、９個の基本ユニットからなる超伝送量子ビット構成であり、ここで、４０個の計算量子ビットＱ_０～Ｑ_３９及び９つのバス量子ビットを含み、さらに、各計算量子ビットとバス量子ビットとが１つの結合量子ビットを介して接続し、計４０個の結合量子ビットからなる。同様に、各計算量子ビットはカプラーモジュールで他の計算量子ビットに等価結合を発生することができる。ここで、ある計算量子ビット、例えば、Ｑ_９の場合、付近の１２個の計算量子ビットと結合し、２つの量子ビットゲート操作を実現することができる。他の計算量子ビット、例えば、Ｑ_１３の場合、付近の２０個の計算量子ビットと結合し、２つの量子ビットゲート操作を実現することができる。さらに具体的に、任意の２つの計算量子ビットの間で量子ゲート操作を実現する場合、図４に示す構成から最も短いパスを選択し、ここで、量子ゲートの数はパス中のバス量子ビットの数と一致する。例えば、Ｑ_６とＱ_３３との間で２つの量子ビットゲートを実現する場合、最も短いパスがＱ_６とＱ_３３を接続する対角線であり、さらに、３つのバス量子ビットを経由し、これにより、Ｑ_６とＱ_１５との間、Ｑ_１５とＱ_２４との間、及びＱ_２４とＱ_３３との間で順に２つの量子ビットゲート操作を行う。明らかに、本願の技術案における計算量子ビット間の接続性が大幅に向上される。また、結合量子ビットの存在により、結合量子ビットの特性周波数を調整することによって、特定の結合をオフにすることができ、単一量子ビットゲート及び２量子ビットゲート操作においてさらなるクロストークを引き起こすことなく、高い忠実度の量子ゲートを実現することができる。もちろん、図４に示した拡張形態は一例に過ぎず、実際の応用において、超伝導回路構造を実際の需要に応じて拡張することも可能である。

第２の部分として、超伝導回路の動作原理である。

上記超伝導回路構造の動作原理をより明確に理解できるように、本願発明では超伝導回路構造のハミルトン量を加えて分析する。図３に示す超伝導回路構造を例にすると、ハミルトン量は、以下の通りであり、

ここで、前の３つの項目は計算量子ビット、バス量子ビット、結合量子ビットにそれぞれ対応し、ω^ｉ _ｑ、ω_ｂ、ω^ｉ _ｃは対応する量子ビット周波数であり、σ＾^ｉ _{ｑ（ｃ），ｚ}はｉ番目の計算（又は結合）量子ビットを記載するパウリパラメータであり、σ＾_ｂ，ｚはバス量子ビットを記載するパウリパラメータであり、後の３つの項目は、各計算量子ビットとバス量子ビットとの結合（結合強度はｇ^ｉ _ｑ－ｂ）、各結合量子ビットとバス量子ビットとの結合（結合強度はｇ^ｉ _ｂ－ｃ）、及び各計算量子ビットと対応する結合量子ビットとの結合（結合強度はｇ^ｉ _ｑ－ｃ）であり、ここでの結合強度は正の値であり、試験において、通常、ｇ^ｉ _ｂ－ｃ，ｇ^ｉ _ｑ－ｃ＞＞ｇ^ｉ _ｑ－ｂを満たす。

式（１）に対してＳｃｈｒｉｅｆｆｅｒ‐Ｗｏｌｆｆ変換を行い、目的として、カプラーモジュールを導入した計算量子ビットの間で発生する新しい等価結合を求める。具体的に、Ｈ＾_１＝ｅ^―ｓ１Ｈ＾ｅ^ｓ１を使用して、ここで、Ｓ_１は下の式で示し、

超伝導回路試験において、ｇ^ｉ _ｂ－ｃ，ｇ^ｉ _ｑ－ｃ＞＞ｇ^ｉ _ｑ－ｂ及び分散結合条件（ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅｃｏｕｐｌｉｎｇ）ｇ^ｉ _ｂ－ｃ＜＜｜ω_ｂ－ω^ｉ _ｃ｜、ｇ^ｉ _ｑ－ｃ＜＜｜ω^ｉ _ｑ－ω_ｃ ^ｉ｜を実現することができる。これにより、

ここで、関連パラメータとして、

このように、Ｓｃｈｒｉｅｆｆｅｒ‐Ｗｏｌｆｆ変換を行い、量子ビットとカプラーとの相互作用（即ち、式（１）の後の２つの項目）が除去され、計算量子ビットとバス量子ビットとの等価結合を生じ、即ちσ＾^ｉ _ｑ，＋σ＾_ｂ，－＋σ＾^ｉ _ｑ，－σ＾_ｂ，＋型の結合が生じる。式（１）と式（３）とを比較し、計算量子ビットとバス量子ビットとの間に結合量子ビットを導入した後、量子ビットの自身の周波数をある程度に補正するとともに、各計算量子ビットとバス量子との有効的な結合も調整される。さらに重要な点として、各結合量子ビットの周波数ω_ｃ ^ｉを独立的に調整し、且つ、ω^ｉ _ｃ＞ω^ｉ _ｑ，ω_ｂ（即ち、各結合量子ビットの周波数はバス量子ビットの周波数よりも大きく、それに結合される計算量子ビットの周波数よりも大きい）とし、各計算量子ビットとバス量子ビットとの結合をオフすることができる。

最後、２回目のＳｃｈｒｉｅｆｆｅｒ‐Ｗｏｌｆｆ変換を行い、任意の２つの計算量子ビットとの等価結合を取得し、それらの間で２つの量子ビットゲートの操作を実現する。具体的に、Ｈ＾_２＝ｅ^―ｓ２Ｈ＾_１ｅ^ｓ２を利用して、ここのＳ_２は、以下の通りであり、

超伝導回路試験において、分散結合条件ｇ^{ｉ，ｅｆｆ} _ｑ－ｂ＜＜｜ω^～ _ｑ ^ｉ－ω^～ _ｂ｜を実現することができる。これにより、

を求め、ここで、関連パラメータとして、

式（６）のように、変換して、任意の２つの計算量子ビット間の等価結合（即ち、式（６）の最後項目）を得る。その結合方式から、量子ビットｉＳＷＡＰゲートを直接実現することができる。具体的に、２つの計算量子ビットの有効的な周波数を調整して共振し、即ち、ω^- _ｑ ^ｉ＝ω^- _ｑ ^ｊあり、その後、システムダイナミクスを一定期間ｔ進展させ、システムの進展進化シンボルＵは以下の通りであり、

式（８）を行列形式に書き換えると、

進化期間がｔ＝π／（２ｇ^{ｉｊ，ｅｆｆ} _ｑ－ｑ）である場合、ｉＳＷＡＰゲートを取得する。また、進化期間がｔ＝π／（４ｇ^{ｉｊ，ｅｆｆ} _ｑ－ｑ）である場合、√ｉＳＷＡＰゲートを実現する。超伝導回路の量子ビットの間のクロストークは、カプラーモジュールの変調により除去されるため、ｉＳＷＡＰゲート又は√ｉＳＷＡＰゲートの忠実度が向上される。さらに、ｉＳＷＡＰゲート又は√ｉＳＷＡＰゲートと単一ビット回転ゲートとを組み合わせて、量子計算の通用量子ゲートグループを構成することができる。

第３の部分として、超伝導回路構造の実現形態である。

最後に、超伝導回路の基本要素（たとえば、コンデンサ、インダクタ、ジョセフソン接合など）を用いて、本願の超伝導回路構造をどのように実現するかを説明する。最終的に超伝導回路構造が基本単位の組み合わせになることを考慮すると、図３に対応する超伝導回路構造を提示すればよい。図４のような拡張構成は、当然のことながら利用可能であり、ここではその説明を省略する。

図５は図３に示す超伝導回路構造の実現方式であり、図５に示すように、１７個の量子ビットを含む。各量子ビットは、１つの超伝導量子干渉装置（通常、並列接続される２つジョセフソン接合（Ｘで表す）を含み、それが動作する場合、印加磁束により量子ビットの周波数を調整する）と１つのコンデンサにより並列接続される。図５に示すように、ここで、一番上の行は計算量子ビットＱ_０～Ｑ_７であり、点線ブロック部分はカプラーモジュールであり、カプラーモジュールにおいて、１つのバス量子ビットと８個の結合量子ビットｃ_０～ｃ_７を含む。このカプラーモジュールにおける結合量子ビットの周波数を調整することによって、任意の２つの計算量子ビットの結合、ひいては高い忠実度の２量子ビットゲートを実現することができる。また、バス量子ビットは、計算量子ビットと結合量子ビットとにそれぞれ独立のコンデンサを介して接続され、計算量子ビットと結合量子ビットもコンデンサを介して結合される。この超伝導回路構造は、上記式（１）のハミルトン量で記述できるので、上記超伝導回路の動作原理にも従う

本願の技術案を用いることにより、超伝導回路プラットフォームにおいて、量子ビット間の完全接続量子計算を実現することができ、量子計算の効率を大きく向上させる。この利点に加えて、本願の解決策は、以下の利点を有する。

第１に、超伝導量子ビット間の接続性やクロストークの問題を効果的に解決することができる。すなわち、バス量子ビットと結合量子ビットを導入することにより、計算量子ビット間のクロストークを有効的に回避しつつ、計算量子ビット間の完全結合を実現することができる。

第２に、簡易性と拡張性が高い。すなわち超伝導回路構造のアーキテクチャ自体も、その回路実装形態も、非常に単純である。さらに、本願の基本構成要素は、量子ビットの機能を区別するだけで超伝導量子ビットを全て用いることができるので、超伝導回路チップの製造および開発をより容易かつ効率的に行うことができる。

第３に、多量子ビット間の連結性問題とクロストーク問題が共に解決されるので、１つの量子アルゴリズム（タスク）をより効率的に実現することができ、問題解決能力が大幅に向上すると期待される。

本発明の実施例は、超伝導量子チップを提供し、超伝導量子チップ上に超伝導回路構造が少なくとも形成され、超伝導回路構造において、
少なくとも３つの計算量子ビットと、
計算量子ビットに接続されるバス量子ビットと、
計算量子ビットとバス量子ビットとの間に設けられ、計算量子ビットをバス量子ビットに接続し、計算量子ビットとバス量子ビットとの結合強度を調整する結合量子ビットと、を備え、
バス量子ビットにより接続された任意の２つの計算量子ビットの間に等価な結合が生じる。
なお、上記超伝導量子チップ上に形成された超伝導回路構造の構成は、上記と同様であり、上記超伝導回路構造の構成例と同様の作用効果を奏するので、その説明については省略する。本発明の超伝導量子チップの実施例に開示されていない技術的細部については、当業者は、上記の超伝導構造の説明を参照して理解できるため、文章を簡潔にするため、ここでは更なる説明を省略する。

本発明の実施例は、超伝導量子コンピュータを提供し、超伝導量子チップ及び超伝導量子チップに接続される操作読取装置を少なくとも含み、ここで、超伝導量子チップ上に超伝導回路構造が少なくとも形成され、超伝導回路構造は、
少なくとも３つの計算量子ビットと、
計算量子ビットに接続されるバス量子ビットと、
計算量子ビットとバス量子ビットとの間に設けられ、計算量子ビットをバス量子ビットに接続し、計算量子ビットとバス量子ビットとの結合強度を調整する結合量子ビットと、を備え、
バス量子ビットにより接続された任意の２つの計算量子ビットの間に等価な結合が生じる。
なお、上記超伝導量子コンピュータにおける超伝導回路構造の構成は、上記と同様であり、上記超伝導回路構造の構成例と同様の作用効果を奏するので、その説明については省略する。本発明の超伝導量子コンピュータの実施例に開示されていない技術的細部については、当業者は、上記の超伝導構造の説明を参照して理解できるため、文章を簡潔にするため、ここでは更なるを省略する。

上記に示された様々な形態のフローが、ステップの順序変更、追加、または削除のために使用され得ることが理解されるべきである。例えば、本出願に記載された各ステップは、並列に実行されても、順次的に実行されても、異なる順序で実行されてもよく、本明細書に開示された技術的解決手段の所望の結果を実現できる限り、本明細書に限定されない。

上記の詳細な説明は、特許請求の範囲を制限するようには構成されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において、各種の変更例または修正例を想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然、本発明の技術的範囲に属するものと理解される。本発明の思想及び原理に含まれるあらゆる変更、均等物及び改良等は、本発明の範囲に含まれるものとする。

Claims

少なくとも３つの計算量子ビットと、
前記少なくとも３つの計算量子ビットに接続されるバス量子ビットと、
計算量子ビットとバス量子ビットとの間に設けられ、計算量子ビットをバス量子ビットに接続し、計算量子ビットとバス量子ビットとの結合強度を調整する結合量子ビットと、を備え、
前記バス量子ビットにより接続された任意の２つの計算量子ビットの間で等価な結合が生じ、
前記バス量子ビットは共振器である、
ことを特徴とする超伝導回路構造。
前記計算量子ビットと、バス量子ビットと、結合量子ビットとは、同一または異なる回路構成を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の超伝導回路構造。
前記バス量子ビットは超伝導量子干渉装置を含み、及び／又は、前記計算量子ビットは超伝導量子干渉装置を含み、及び／又は、前記結合量子ビットは超伝導量子干渉装置を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の超伝導回路構造。
前記超伝導量子干渉装置は、並列接続された２つのジョセフソン接合を含む、
ことを特徴とする請求項３に記載の超伝導回路構造。
前記バス量子ビットは、さらに、前記バス量子ビットが位置する環境の電荷変動をノイズ低減するための第１のノイズ低減構造を含み、及び／又は、
前記計算量子ビットは、さらに、前記計算量子ビットが位置する環境の電荷変動をノイズ低減するための第２のノイズ低減構造を含み、及び／又は、
前記結合量子ビットは、さらに、前記結合量子ビットが位置する環境の電荷変動をノイズ低減するための第３のノイズ低減構造を含む、
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の超伝導回路構造。
前記バス量子ビットは、前記超伝導量子干渉装置に並列接続されたコンデンサをさらに含み、前記コンデンサが前記バス量子ビットの位置する環境の電荷変動をノイズ低減し、及び／又は、
前記計算量子ビットは、前記超伝導量子干渉装置に並列接続されたコンデンサをさらに含み、前記コンデンサが前記計算量子ビットの位置する環境の電荷変動をノイズ低減し、及び／又は、
前記結合量子ビットは、前記超伝導量子干渉装置に並列接続されたコンデンサをさらに含み、前記コンデンサが前記結合量子ビットの位置する環境の電荷変動をノイズ低減する、
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の超伝導回路構造。
前記超伝導回路構造は、さらに、第１の接続部材、第２の接続部材及び第３の接続部材を備え、
前記バス量子ビットの第１の端部は、前記第１の接続部材を介して計算量子ビットの第１の端部に接続され、
前記バス量子ビットの第２の端部は、第２の接続部材を介して結合量子ビットの第１の端部に接続され、
前記計算量子ビットの第２の端部は、第３の接続部材を介して結合量子ビットの第２の端部に接続される、
ことを特徴とする請求項１に記載の超伝導回路構造。
前記第１の接続部材、第２の接続部材及び第３の接続部材は、コンデンサ、ジョセフソン接合、共振器のうちの少なくとも１つであり、
前記第１の接続部材、第２の接続部材及び第３の接続部材として使用される素子は同一又は異なる、
ことを特徴とする請求項７に記載の超伝導回路構造。
超伝導量子チップであって、前記超伝導量子チップ上に請求項１～８のいずれか１項に記載の超伝導回路構造が形成された、
ことを特徴とする超伝導量子チップ。
超伝導量子チップ及び前記超伝導量子チップに接続される制御読取装置を少なくとも備え、
前記超伝導量子チップ上に請求項１～８のいずれか１項に記載の超伝導回路構造が形成されていた、
ことを特徴とする超伝導量子コンピュータ。