JP7441581B2 - 量子コンピューティング・デバイス用の超伝導共振器と一体化されたゲート電圧調整可能電子システム - Google Patents

量子コンピューティング・デバイス用の超伝導共振器と一体化されたゲート電圧調整可能電子システム Download PDF

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Description

本発明は、一般に、超伝導量子デバイスにおける量子ビット結合を制御するための超伝導デバイス、製造方法、および製造システムに関する。より詳細には、本発明は、量子コンピューティング・デバイス用の超伝導共振器と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムのためのデバイス、方法、およびシステムに関する。
以降、単語または句の接頭辞「Ｑ」は、使用される場合に明示的に区別されない限り、量子コンピューティングの文脈でのその単語または句の言及を示す。
分子および亜原子粒子は、物理世界が最も基本的なレベルでどのように機能するかを探求する物理学の一分野である量子力学の法則に従う。このレベルでは、粒子は、奇妙な振る舞いをし、同時に２つ以上の状態をとり、非常に遠く離れた他の粒子と相互作用する。量子コンピューティングは、これらの量子現象を利用して情報を処理する。
今日使用しているコンピュータは、古典的なコンピュータ（本明細書では「従来の」コンピュータもしくは従来のノード、または「ＣＮ」とも呼ばれる）として知られている。従来のコンピュータは、フォン・ノイマン・アーキテクチャとして知られているものにおいて、半導体材料および技術を用いて製造された従来のプロセッサと、半導体メモリと、磁気または固体記憶装置と、を使用する。特に、従来のコンピュータのプロセッサは、バイナリ・プロセッサであり、すなわち、１と０で表されたバイナリ・データで動作する。
量子プロセッサ（ｑプロセッサ）は、もつれ合った量子ビット・デバイス（本明細書では簡潔に「量子ビット」と呼ばれる）の奇妙な性質を使用して、計算タスクを実行する。量子力学が機能する特定の領域では、物質の粒子は、「オン」状態、「オフ」状態、および同時に「オン」と「オフ」の両方の状態などの複数の状態で存在することができる。半導体プロセッサを使用するバイナリ・コンピューティングがオン状態とオフ状態（バイナリ・コードの１と０に相当）のみを使用することに限定されているのに対し、量子プロセッサは、物質のこれらの量子状態を利用してデータ・コンピューティングで使用可能な信号を出力する。
従来のコンピュータは、情報をビットで符号化する。各ビットは、１または０の値をとることができる。これらの１と０は、最終的にコンピュータ機能を駆動するオン／オフ・スイッチとして作用する。一方、量子コンピュータは、量子ビットに基づいており、量子物理学の２つの重要な原理、すなわち重ね合わせ（superposition）およびもつれ（entanglement）に従って動作する。重ね合わせとは、各量子ビットが１と０の両方を同時に表すことができることを意味する。もつれとは、重ね合わせ状態にある量子ビットが非古典的な仕方で互いに相関し得ること、すなわち、（１であるか、０であるか、またはその両方であるかにかかわらず）一方の状態が、もう一方の状態に依存し得ること、および２つの量子ビットがもつれ合っている場合の方が、２つの量子ビットを個々に扱う場合よりも、２つの量子ビットに関して確認され得る情報が多いことを意味する。
これらの２つの原理を使用して、量子ビットは、より洗練された情報プロセッサとして動作し、従来のコンピュータを使用しては取り扱いにくい問題を量子コンピュータが解決することを可能にする。ＩＢＭ（Ｒ）は、超伝導量子ビットを使用した量子プロセッサの動作性を成功裏に構築および実証した（ＩＢＭは、米国およびその他の国におけるＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｍａｃｈｉｎｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの登録商標である）。
量子ビットなどの超伝導デバイスは、既知の半導体製造技法で超伝導および半導体材料を使用して製造される。超伝導デバイスは、一般に、デバイスの特性と機能を実装するために、異なる材料の１つまたは複数の層を使用する。材料の層は、超伝導性、導電性、半導電性、絶縁性、抵抗性、誘導性、容量性であってもよく、または他の任意の数の特性を有することができる。材料の性質、材料の形状、サイズまたは配置、材料に隣接する他の材料、および他の多くの考慮事項を考慮すると、材料の異なる層を異なる方法を使用して形成しなければならない場合がある。
超伝導デバイスは、多くの場合、平面であり、すなわち、超伝導構造が１つの平面上に製造される。非平面デバイスは、構造の一部が所与の製造平面の上または下に形成される３次元（３Ｄ）デバイスである。
ｑプロセッサは、２つ以上の量子ビットのセットとして実施される。量子ビットは、単一の製造面上に共平面デバイスの格子として製造される。このようなｑプロセッサの実装形態は、一般に、表面コード方式（ＳＣＳ：Surface Code Scheme）または表面コード・アーキテクチャ（ＳＣＡ：Surface Code Architecture）として知られるフォールト・トレラントな量子アーキテクチャとして受け入れられている。
例示的な実施形態は、超伝導デバイス、ならびにその製造の方法およびシステムを提供する。超伝導結合デバイスの一実施形態は、共振器構造を含む。一実施形態では、共振器構造は、第１のデバイスに結合されるように構成された第１の端部と、第２のデバイスに結合されるように構成された第２の端部と、を有する。本実施形態は、共振器構造に結合された電子システム、および電子システムの一部に近接して配置されたゲートをさらに含む。一実施形態では、電子システムおよびゲートは、スイッチを形成する１つまたは複数の所定の位置で共振器構造に割り込むように構成されている。一実施形態では、ゲートは、ゲート電圧を受け取り、ゲート電圧に基づいて電子システムのインダクタンスを変化させるように構成されている。一実施形態では、インダクタンスの変化は、第１のデバイスと第２のデバイスとの間の結合の強度を変化させるように共振器構造を誘導する。
別の実施形態では、インダクタンスの変化は、ゲートが電子システムの臨界電流を変化させた結果である。別の実施形態では、インダクタンスの変化は、共振器構造の特性周波数の変化を誘発する。別の実施形態では、共振器構造の特性周波数の変化は、第１のデバイスと第２のデバイスとの間の結合の強度の変化を可能にする。
別の実施形態では、ゲート電圧は、高い臨界電流を伴う低インダクタンス状態と、低い臨界電流を伴う高インダクタンス状態との間でスイッチを変化させるように構成されている。
別の実施形態では、共振器構造の少なくとも一部は、超伝導材料で形成されている。別の実施形態では、ゲートは、金属材料または超伝導材料で形成されている。
別の実施形態では、第１のデバイスは、共振器構造の第１の端部に容量結合され、第２のデバイスは、共振器構造の第２の端部に容量結合されている。
別の実施形態は、共振器構造のシャント部分によって共振器構造に結合された接地面をさらに含む。別の実施形態では、共振器構造のシャント部分は、電子システムを含む。
別の実施形態では、電子システムは、共振器構造の第１の部分と共振器構造の第２の部分との間に結合されている。
別の実施形態は、基板構造をさらに含み、電子システムは、基板構造の表面に配置されている。
別の実施形態は、電子システム上に配置された絶縁体をさらに含み、ゲートは、絶縁構造上に配置されている。
別の実施形態では、電子システムは、第１の障壁材料と第２の障壁材料との間に配置された量子井戸材料を含む。
別の実施形態では、電子システムは、半導体材料またはグラフェン材料のうちの少なくとも１つを含む。
別の実施形態では、第１のデバイスは、第１の量子ビットであり、第２のデバイスは、第２の量子ビットである。
一実施形態は、超伝導デバイスを製造するための製造方法を含む。
一実施形態は、超伝導デバイスを製造するための製造システムを含む。
本発明の特徴と考えられる新規の特徴は、添付の特許請求の範囲に記載されている。しかしながら、本発明自体、ならびに好ましい使用様式、さらなる目的、およびその利点は、添付の図面と併せて読むとき、例示的な実施形態の以下の詳細な説明を参照することによって最も良く理解されるであろう。
例示的な実施形態を使用して解決することができる問題を示す例示的な表面コード・アーキテクチャ（ＳＣＡ）を示す図である。 例示的な実施形態による、超伝導共振器と一体化された例示的なゲート電圧調整可能電子システムを示す図である。 例示的な実施形態による、例示的なシャントされたゲート調整可能な結合共振器を示す図である。 例示的な実施形態による、超伝導結合共振器と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムの例示的なインライン一体化を示す図である。 例示的な実施形態による、ＳＣＡ配置において超伝導共振器と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムの例示的な実装形態を示す図である。 例示的な実施形態による、超伝導共振器デバイス構造と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムの断面図である。 別の例示的な実施形態による、超伝導共振器デバイス構造と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムの断面図である。 別の例示的な実施形態による、超伝導共振器デバイス構造と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムの断面図である。 別の例示的な実施形態による、超伝導共振器デバイス構造と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムの断面図である。 例示的な実施形態による、超伝導共振器デバイス構造と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムの断面図である。 例示的な実施形態による、マルチビット・デバイス・アーキテクチャにおける超伝導共振器と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムの例示的な実装形態を示す図である。
本発明を説明するために使用される例示的な実施形態は、一般に、量子コンピューティング・デバイス用の調整可能な超伝導共振器を提供することによって、上述した問題および他の関連する問題に対処し、これらの問題を解決する。例示的な実施形態はまた、超伝導共振器と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムを製造するための製造方法およびシステムを提供する。
図１は、例示的な実施形態を使用して解決することができる問題を示す例示的な表面コード・アーキテクチャ（ＳＣＡ）を示す。ＳＣＡ１００などの超伝導量子ビット・アーキテクチャは、平面２次元（２Ｄ）グリッド上に、いくつかの量子ビット１０２、１０２Ａ、および１０２Ｂを格子の形態で配置する。量子ビットは、互いに結合されており、共振線１０４（「バス」としても知られる）を使用して通信する。量子ビット１０２の量子状態は、特定の量子ビットに容量結合された読み出し線１０６を使用して読み出される。
典型的には、読み出し線１０６は、特定の量子ビットの量子ビット状態が分散読み出し（dispersive readout）を使用して測定される共振線である。分散読み出しは、共振器との分散相互作用を使用し、この相互作用により、量子ビットの状態に応じて共振器の周波数を変化させる分散シフトが生じる。共振器周波数は、典型的には、基底状態および励起状態に対応する共振周波数の中点付近の周波数で、マイクロ波パルスを用いて問い合わせされる。反射信号の位相および振幅が量子ビットの状態を区別するために使用される。
しかしながら、分散読み出しを使用する既存のアーキテクチャは、マイクロ波クロストークまたは量子ビット間の周波数衝突あるいはその両方の影響を受けやすく、その結果、量子状態測定において性能劣化が生じ、それに応じて量子コンピュータの性能が低下する。
既存のアーキテクチャに関する上記の問題に対処するために、量子ビット間の結合の調整を可能にするアーキテクチャを開発する試みがなされてきた。実験的には、量子ビット結合の調整は、以前は磁束を用いて回路要素を制御することに依存していた。しかしながら、これらの磁束調整可能な量子ビットには、磁束ノイズに起因するコヒーレンス時間の短縮、磁束の微調整の必要性、オンチップ・クロストークに対する量子ビットの感受性（例えば、３０％もの高さ）、磁束を生成するために必要な電流に起因する加熱、およびコヒーレンス時間の短縮に起因する量子ビット性能の劣化を含むいくつかの欠点がある。いくつかの最近の活動は、量子ビット結合の電圧制御調整の開発に焦点を合わせている。電圧制御調整の開発に向けた最近のアプローチの１つは、ゲート調整された半導体スイッチを介して２つの接地されたトランスモンを制御可能に短絡する提案を含む。別の最近のアプローチでは、半導体ナノワイヤに基づく電圧制御スイッチを使用して、超伝導キャビティの一端を制御可能に接地して、接地されたゲートモン（gatemon）の結合を変化させる。
量子ビット間のマイクロ波クロストークまたは周波数衝突あるいはその両方の低減などの利点を提供するために、量子ビット結合に関連する上述した問題に対処する量子コンピューティング・デバイス用の調整可能な超伝導共振器を提供するための解決策が必要とされている。例えば、そのような解決策は、読み出し中の量子ビット１０２Ａと量子ビット１０２Ｂとの間のマイクロ波クロストークまたは周波数衝突１０８あるいはその両方を低減または排除するために、量子ビット１０２Ａと量子ビット１０２Ｂとの間の結合を制御することを可能にする。
一実施形態は、量子コンピューティング・デバイスのための調整可能な結合アーキテクチャを提供する。一実施形態は、結合共振器と一体化されたゲート電圧制御スイッチを形成するために、量子コンピューティング・デバイス用の超伝導共振器と一体化されたゲート電圧調整可能な電子システムを含む。一実施形態では、ゲート調整可能電子システムおよびゲートの一部は、重要な位置で超伝導共振器回路に割り込むように構成されたスイッチを形成するように配置されている。１つまたは複数の実施形態では、ゲート調整可能電子システムは、ジョセフソン接合（ＪＪ）スイッチである。ジョセフソン接合（ＪＪ）は、非超伝導材料の薄い部分によって結合された２つ以上の超伝導体で形成されている。特定の実施形態では、ゲートは、ＪＪスイッチに近接して配置された金属材料で形成されている。
１つまたは複数の実施形態では、ＪＪスイッチに近接して配置されたゲートは、ゲートにゲート電圧を供給することによって、ＪＪスイッチの臨界電流がゲート電圧に基づいて調整されるように構成された調整可能なＪＪスイッチを提供する。超伝導材料の臨界電流は、それを下回ると材料が超伝導になり、それを上回ると材料が非超伝導になる電流である。ＪＪスイッチの臨界電流を変化させることによって、ＪＪスイッチのジョセフソン・インダクタンスＬＪは、反比例して変化する。一実施形態では、近接した金属ゲートに印加される電圧は、高臨界電流（例えば、約１～１０マイクロアンペア（μＡ））を伴う低インダクタンス状態と、低臨界電流（例えば、１０ナノアンペア（ｎＡ））を伴う高インダクタンス状態との間でスイッチを調整する。
ＪＪスイッチを流れる電流が臨界電流と比べて小さい場合、ジョセフソン・インダクタンスは、次式で与えられる。
Figure 0007441581000001
ここで、Φ０は磁束量子であり、ＩｃはＪＪスイッチの臨界電流である。一例では、１μＡの臨界電流では、０．３ｎＨ（ナノヘンリ）のジョセフソン・インダクタンスとなり、１０ｎＡの臨界電流では、３０ｎＨのジョセフソン・インダクタンスとなる。
本実施形態では、ゲートのゲート電圧を変化させると、ＪＪスイッチのジョセフソン・インダクタンスが変化し、それに対応して、量子ビットを結合する共振器の特性周波数が変化する。共振器の特性周波数が変動すると、量子ビット間の結合強度が変動する。
１つまたは複数の実施形態は、ゲート電圧の調整を介して、最近傍量子ビット間の徐々に調整可能な結合を提供する。別の実施形態は、ゲート電圧制御ＪＪスイッチを読み出し共振器に一体化することにより量子ビットからの多重読み出しを提供する。さらに別の実施形態は、望ましくない遷移周波数を有する量子ビットと１つまたは複数の他の量子ビットとの結合を遮断または低減することによって、望ましくない遷移周波数を有する量子ビットを遮断する能力を提供する。１つまたは複数の実施形態は、より高速なゲート（例えば、約１ナノ秒（ｎｓ）のスイッチ時間）および量子ビット間の調整可能な結合強度を有する新規の量子ゲート・ハードウェア・アプローチを提供する。
別の実施形態は、超伝導共振器と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムのための製造方法をソフトウェア・アプリケーションとして実装することができるように提供する。製造方法の実施形態を実装するアプリケーションは、リソグラフィ・システムなどの既存の超伝導製造システムと連携して動作するように構成することができる。
説明を明確にするために、またそれに対するいかなる限定も暗示することなく、例示的な実施形態は、格子状に配置された例示的な数の量子ビットを使用して説明される。一実施形態は、例示的な実施形態の範囲内で、異なる数の量子ビット、格子内の異なる配置、量子ビット以外の超伝導デバイス、超伝導体に基づかない量子ビットのタイプ、またはそれらのなんらかの組合せで実施することができる。一実施形態は、超伝導素子への調整可能な結合が望まれる他の超伝導製造を同様に改善するために実施することができる。
さらに、図および例示的な実施形態では、例示的な調整可能な結合共振器の簡略図が使用されている。調整可能な結合共振器の実際の製造においては、本明細書に図示または記載されていない追加の構造、あるいは本明細書に図示および記載されているものとは異なる構造が、例示的な実施形態の範囲を逸脱することなく存在してもよい。同様に、例示的な実施形態の範囲内で、例示的な調整可能な結合共振器に図示または記載される構造は、本明細書に記載されるものと同様の動作または結果をもたらすように異なる仕方で製造されてもよい。
例示的な構造、層、および形成物の２次元図面において異なる陰影をつけた部分は、本明細書に記載されているように、例示的な製造における異なる構造、層、材料、および形成物を表すことが意図されている。異なる構造、層、材料、および形成物は、当業者に知られている適切な材料を使用して製造することができる。
本明細書に描かれている形状の特定の形状、場所、位置、または寸法は、そのような特性が実施形態の特徴として明示的に記載されていない限り、例示的な実施形態を限定することを意図していない。形状、場所、位置、寸法、またはそれらの組合せは、図面および説明を明確にするためにのみ選択されており、例示的な実施形態による目的を達成するために、実際のリソグラフィで使用される可能性のある実際の形状、場所、位置、または寸法から誇張、最小化、またはその他の方法で変更されている可能性がある。
さらに、例示的な実施形態は、特定の実際のまたは仮想の超伝導デバイス、例えば、量子ビットに関して、単なる例として説明されている。様々な例示的な実施形態によって説明されるステップは、同様のやり方で様々な調整可能な結合共振器を製造するために適合させることができ、そのような適合は、例示的な実施形態の範囲内で企図される。
アプリケーションに実装される場合の実施形態は、本明細書に記載された特定のステップを製造プロセスに実行させる。製造プロセスのステップは、いくつかの図に描かれている。すべてのステップが特定の製造プロセスにおいて必要であるとは限らない。一部の製造プロセスは、例示的な実施形態の範囲を逸脱することなく、異なる順序でステップを実施し、特定のステップを組み合わせ、特定のステップを除去もしくは置換し、またはこれらのステップおよびステップの他の操作のいくつかの組合せを実行することができる。
例示的な実施形態は、特定のタイプの材料、電気的特性、構造、形成物、層の配向、方向、ステップ、動作、平面、寸法、数、データ処理システム、環境、構成要素、およびアプリケーションに関して、単なる例として説明される。これらおよび他の類似のアーチファクトのいかなる特定の明示も、本発明を限定することを意図したものではない。これらおよび他の類似のアーチファクトのいかなる適切な明示も、例示的な実施形態の範囲内で選択することができる。
例示的な実施形態は、特定の設計、アーキテクチャ、レイアウト、概略図、およびツールを単なる例として使用して説明されており、例示的な実施形態に限定されない。例示的な実施形態は、他の同等のまたは同様の目的の設計、アーキテクチャ、レイアウト、概略図、およびツールと連携して使用することができる。
本開示の例は、説明を明確にするためにのみ使用されており、例示的な実施形態を限定するものではない。本明細書に列挙されている利点は、単なる例であり、例示的な実施形態に限定することを意図するものではない。追加のまたは異なる利点は、特定の例示的な実施形態によって実現することができる。さらに、特定の例示的な実施形態は、上で列挙された利点のいくつか、またはすべてを有してもよく、あるいはいずれも有さなくてもよい。
図２を参照すると、この図は、例示的な実施形態による、超伝導共振器と一体化された例示的なゲート電圧調整可能電子システムを示す。上面図２００は、ゲート調整可能電子システム２０６に結合された超伝導材料から構築された共振器中心導体２０２と、ゲート調整可能電子システム２０６に近接して配置されたゲート２０４と、を有する調整可能超伝導共振器構造を示す。１つまたは複数の実施形態では、ゲート調整可能電子システム２０６、共振器中心導体２０２、およびゲート２０４は、ジョセフソン接合（ＪＪ）スイッチ２０８を含む。１つまたは複数の実施形態では、共振器中心導体２０２の第１の端部は、第１の量子ビットなどの第１の超伝導デバイスに容量結合されるように構成され、共振器中心導体２０２の第２の端部は、第２の量子ビットなどの第２の超伝導デバイスに容量結合されるように構成されている。
図示する実施形態では、ゲート２０４は、平面の矩形形状であり、ゲート調整可能電子システム２０６の一部の上方に、近接して、直交して配置されている。他の特定の実施形態では、ゲート２０４は、任意の適切な形状、サイズ、または構成であってもよい。特定の実施形態では、ゲート２０４は、超伝導材料または金属材料で形成されている。他の実施形態では、他のゲートおよび量子ビット構造が使用されてもよい。他の実施形態では、２つ以上の量子ビットが、共振器中心導体２０２に、その長さに沿った異なる位置で容量結合されてもよい。１つまたは複数の実施形態では、ゲート２０４とゲート調整可能電子システム２０６は、絶縁体材料または真空によって分離されている。一実施形態では、ゲート２０４は、ゲート調整可能電子システム２０６の一部のみと重なっていてもよい。一実施形態では、ゲート２０４は、共振器中心導体２０２と重なっていなくてもよい。
特定の実施形態では、共振器中心導体２０２またはゲート２０４を形成することができる可能性のある超伝導材料には、アルミニウム、インジウム、ニオブ、窒化ニオブ、窒化ニオブチタン、二セレン化ニオブ、タンタル、チタン、またはモリブデン・レニウムのうちの１つまたは複数が含まれる。特定の実施形態では、ゲート２０４を形成することができる可能性のある金属または導電性ゲート材料には、金、プラチナ、パラジウム、金合金（例えば、パラジウム金）、銅、またはグラファイトが含まれる。上記は、可能性のある超伝導材料および金属材料の非網羅的なリストであり、他の実施形態では、他の適切な超伝導材料または金属材料が使用されてもよいことを理解されたい。
一実施形態では、ゲート電圧が金属ゲート２０４に印加されて、ＪＪスイッチ２０８内の臨界電流の制御可能な変動を引き起こし、それによって、ＪＪスイッチ２０８のジョセフソン・インダクタンスの変動をさらに引き起こす。ジョセフソン・インダクタンスの変動は、中心導体２０２を含む共振器の特性周波数の変化をさらに引き起こし、これは、共振器中心導体２０２に結合された２つ以上の超伝導デバイス間の結合の強度をさらに変化させる。したがって、ゲート電圧は、ジョセフソン・インダクタンスを調整するように構成可能であり、したがって、中心導体２０２を含む共振器を離調させて、超伝導デバイス間の結合の強度を、例えば、強く結合された状態と弱く結合された（または分離された）状態との間で変化させることが可能である。
図３を参照すると、この図は、例示的な実施形態による、例示的なシャントされたゲート調整可能な結合共振器を示す。上面図３００は、一方の端部で第１の結合パッド３０４Ａに接続され、もう一方の端部で第２の結合パッド３０４Ｂに接続された超伝導材料で構成された共振器中心導体３０２を有するシャントされた調整可能超伝導共振器構造を示す。共振器中心導体３０２は、共振器中心導体３０２を接地面３０８に結合するシャント部分３０６に接続されている。一実施形態では、共振器中心導体３０２およびシャント部分３０６は、同じ超伝導材料の連続部材から構成されてもよい。ＪＪスイッチ３１４は、シャント部分３０６に一体化されて、一体化されたＪＪスイッチ３１４のゲート３１０に印加されるゲート電圧に基づいて共振器を制御可能にシャントする。特定の実施形態では、接地面３０８は、超伝導材料で形成された超伝導接地面である。他の実施形態では、他のゲートおよび量子ビット構造が使用されてもよく、１つまたは複数のＪＪスイッチが、共振器中心導体３０２またはシャント部分３０６あるいはその両方に、それぞれの長さに沿った任意の適切な位置で一体化されてもよい。特定の実施形態では、１つのＪＪスイッチが共振器中心導体３０２に一体化され、シャント部分３０６は、ＪＪスイッチを含まない。
一部の実施形態では、接地面３０８は、共振器が共平面導波路を備えるように構築されてもよい。この幾何学形状では、接地面は、共振器の長さに沿って変化しない距離だけ、どちらの側にも共振器中心導体３０２ならびにシャント３０６から分離されている。寸法は、典型的には、１ＭＨｚ～２０ＧＨｚの周波数領域でインピーダンスが５０オームの伝送線路の設計仕様を指針とする。図３に示す実施形態では、この接地面の幾何学形状は、明確にするために示されていない。図３に示す特定の実施形態では、共振器中心導体３０２は、蛇行構成で示されている。他の特定の実施形態では、共振器中心導体３０２は、一直線の構成または任意の他の適切な共振器構成であってもよい。
図３に示す特定の実施形態では、シャント部分３０６は、一直線の構成で示されている。他の特定の実施形態では、シャント部分３０６は、任意の他の適切な構成の蛇行構成であってもよい。他の特定の実施形態では、シャント部分３０６の長さは、図３に示すものよりも実質的に長くてもよい。他の特定の実施形態では、シャント部分３０６の長さは、ＪＪスイッチを一体化するのに必要な長さ以下（例えば、ほぼＪＪスイッチの長さ）であってもよい。他の実施形態では、シャント部分３０６は、図３に示す位置とは異なる位置で共振器中心導体３０２に接続してもよい。
第１の結合パッド３０４Ａは、第１の量子ビット３１２Ａを共振器中心導体３０２に容量結合するように構成され、第２の結合パッド３０４Ｂは、第２の量子ビット３１２Ｂを共振器中心導体３０２に容量結合するように構成されている。他の実施形態では、第１の結合パッド３０４Ａは、量子ビット３１２Ａを共振器中心導体３０２に容量結合するように構成され、第２の結合パッド３０４Ｂは、別のデバイスに容量結合するように構成されている。一部の実施形態では、第１の結合パッド３０４Ａは、量子ビット３１２Ａを共振器中心導体３０２に容量結合するように構成され、第２の結合パッド３０４Ｂは、例えば、ワイヤボンドまたはバンプボンドを使用して、読み出し測定回路に直接結合する。
一実施形態では、ゲート電圧が、一体化されたＪＪスイッチ３１４のゲート３１０に印加されて、接合部の臨界電流の制御可能な変動を引き起こし、それによって、ジョセフソン・インダクタンスＬＪの変動をさらに引き起こす。ジョセフソン・インダクタンスＬＪの変動は、中心導体３０２を含む共振器の特性周波数の変化をさらに引き起こし、これは、第１の量子ビット３１２Ａと第２の量子ビット３１２Ｂとの間の結合の強度をさらに変化させる。したがって、ゲート電圧は、ジョセフソン・インダクタンスＬｊを調整するように構成可能であり、したがって、中心導体３０２を含む共振器の周波数を離調させて、第１の量子ビット３１２Ａと第２の量子ビット３１２Ｂとの間の結合強度を変化させることができる。
図４を参照すると、この図は、例示的な実施形態による、超伝導結合共振器と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムの例示的なインライン一体化を示す。上面図４００は、「Ｔ」字形ゲート電圧調整可能電子システム４１４と、ＪＪスイッチ４０４の一部に近接して直交して配置されたゲート４０２を有する超伝導結合共振器構造との一体化された構造を示す。ＪＪスイッチ４０４は、超伝導材料で構成された共振器中心導体４０８の２つの部分の間に結合されている。
ゲート４０２の一部は、第１の接地面４１０Ａに近接しており、電子システム４１４のシャント部分４０６は、第２の接地面４１０Ｂに結合されている。特定の実施形態では、第１の接地面４１０Ａおよび第２の接地面４１０Ｂはそれぞれ、超伝導材料で形成された超伝導接地面である。特定の実施形態では、電子システム４１４のシャント部分４０６は、１キロオーム（Ｋオーム）未満またはそれにほぼ等しい抵抗を有する。共振器中心導体４０８は、一方の端部で第１量子ビット４１２Ａに、もう一方の端部で第２量子ビット４１２Ｂに容量結合されている。
本発明の実施形態は、シャント電子システム４０６の実装形態に関して柔軟性がある。一部の実施形態では、シャント部分４０６および接地面４１０Ｂの幾何学形状は、シャント部分４０６の抵抗を決定するよう選択されてもよい。接地面４１０Ｂは、シャント４０６の近くで矩形部分が切り取られた状態で示されているが、一部の実施形態では、接地面４１０Ｂには、この切り取られた部分がなくてもよい。一部の実施形態では、電子システム４１４のシャント部分は、接地面４１０Ｂおよび共振器中心導体４０８からの近接効果により超伝導となっている。一部の実施形態では、シャント部分４０６は、シャント部分４０６およびＪＪスイッチ４０４が２つの異なる電子システムを備えるように、接地面４１０ＢをＪＪスイッチ４０４とは異なる位置で共振器中心導体４０８に接続する。
一実施形態では、ゲート４０２およびＪＪスイッチ４０４は、ＪＪスイッチ４０４の臨界電流の制御可能な変動を引き起こし、それによって、ＪＪスイッチ４０４のジョセフソン・インダクタンスＬＪの変動を引き起こすように構成されている。ジョセフソン・インダクタンスＬＪの変動は、構造体４００の共振器の特性周波数の変化をさらに引き起こし、これは、デバイスに結合された超伝導デバイス（例えば、量子ビット４１２Ａと量子ビット４１２Ｂ）間の結合の強度をさらに変化させる。他の実施形態では、他のゲートおよびゲート調整可能電子システムが使用されてもよく、ゲート構造は、ゲート調整可能電子システムの全部または一部をゲート制御することができる。
図５を参照すると、この図は、例示的な実施形態による、ＳＣＡ配置において超伝導共振器と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムの例示的な実装形態を示す。上面図５００は、平面２次元（２Ｄ）グリッド上に格子状に形成されたいくつかの量子ビット５０２を示す。量子ビットは、互いに結合されており、共振線５０４（「バス」としても知られている）を使用して通信する。量子ビット５０２の量子状態は、特定の量子ビットに容量結合された読み出し線５０６、５０６Ａを使用して読み出される。読み出し線５０６Ａのそれぞれは、これに近接して配置された一体化されたゲート／ＪＪスイッチ５０８をさらに含み、様々な実施形態に関して本明細書に記載されるような超伝導共振器と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムを形成する。
図示する実施形態では、読み出し線５０６Ａのそれぞれ、および対応する一体化されたゲート／ＪＪスイッチ５０８は、個々に制御可能なゲート電圧を受け取るように構成されたゲート調整可能な読み出し共振器を形成し、読み出し線５０６からの特定の量子ビット５０２の制御された結合および分離を可能にする。１つまたは複数の実施形態では、ゲート調整可能な読み出し共振器の個々にゲート制御されるセクションは、調整可能な読み出し共振器を介した量子ビット５０２の多重化読み出しの能力を提供する。
図６を参照すると、この図は、例示的な実施形態による、超伝導共振器デバイス構造体６００と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムの断面図を示す。構造体６００は、絶縁基板構造６０２の表面（例えば、上面）に形成された超伝導材料６０４の第１および第２の部分を有する絶縁基板構造６０２を含む。特定の実施形態では、絶縁基板構造６０２は、シリコン（Ｓｉ）またはサファイアなどの任意の適切な基板材料で形成することができる。
構造体６００は、超伝導材料６０４の第１の部分と第２の部分との間の絶縁基板構造６０２の表面に配置された半導体材料層６０６をさらに含む。図６に示す実施形態では、超伝導材料６０４の部分は、半導体材料層６０６の一部と重なっている。特定の実施形態では、半導体材料層６０６は、インジウム・ヒ素（ＩｎＡｓ）材料で形成されている。超伝導材料６０４の第１および第２の部分と半導体材料層６０６との接合部が一緒になって、ＪＪスイッチなどのゲート調整可能電子システムを形成する。
構造体６００は、半導体材料層６０６の露出部分および超伝導材料６０４の重なり合った部分に堆積させた絶縁体層６０８をさらに含む。特定の実施形態では、絶縁体層６０８は、酸化物材料で形成されている。構造体６００は、超伝導共振器デバイスと一体化されたゲート電圧調整可能電子システムのゲートを形成する、絶縁体層６０８上に堆積させたゲート材料６１０をさらに含む。特定の実施形態では、ゲート材料６１０を形成することができる可能性のある金属または導電性ゲート材料には、金、プラチナ、パラジウム、金合金（例えば、パラジウム金）、銅、またはグラファイトが含まれる。特定の実施形態では、超伝導材料６０４またはゲート材料６１０を形成することができる可能性のある超伝導材料には、アルミニウム、インジウム、ニオブ、窒化ニオブ、窒化ニオブチタン、二セレン化ニオブ、タンタル、チタン、またはモリブデン・レニウムが含まれる。上記は、可能性のある超伝導材料および金属材料の非網羅的なリストであり、他の実施形態では、他の適切な超伝導材料または金属材料が使用されてもよいことを理解されたい。絶縁体６０８は、任意選択であり、特定の実施形態によると存在しなくてもよいことも理解されたい。
一実施形態では、ゲート電圧がゲート材料６１０に印加されて、超伝導体／半導体接合内の臨界電流の制御可能な変動を引き起こし、それによって、ジョセフソン・インダクタンスＬｊの変動をさらに引き起こす。ジョセフソン・インダクタンスＬＪの変動は、構造体６００の共振器の特性周波数の変化をさらに引き起こし、これは、デバイスに結合された超伝導デバイス（例えば、量子ビット）間の結合の強度をさらに変化させる。
図７を参照すると、この図は、別の例示的な実施形態による、超伝導共振器デバイス構造体７００と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムの断面図を示す。構造体７００は、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）成長ヘテロ構造を含む。構造体７００は、第１の障壁層７０２の表面（例えば、上面）に形成された量子井戸層７０４を有する第１の障壁層７０２を含む。
構造体７００は、量子井戸層７０４の表面（例えば、上面）に形成された超伝導材料７０６の第１および第２の部分と、超伝導材料７０６の第１の部分と第２の部分との間の量子井戸層７０４の表面に配置された第２の障壁層７０８と、をさらに含む。
一部の実施形態では、超伝導材料７０６は、量子井戸層７０４の表面に配置されなくてもよく、代わりに、別の適切なやり方で形成されてもよい。例えば、超伝導体７０６は、量子井戸７０４内に延在することができ、または超伝導体７０６の底面は、障壁７０８の量子井戸のやや上方に配置することができる。さらに、７００では、超伝導体７０６の底面は、平坦として描かれているが、一部の実施形態では、そうではない場合がある。例えば、超伝導体７０６は、空間的に均一ではないやり方で量子井戸７０４と接触してもよく、または超伝導体７０６からの超伝導材料が、製造プロセスの一部として量子井戸７０４に部分的に移動してもよい。
図示する実施形態では、第１の障壁層７０２、量子井戸層７０４、および第２の障壁層７０８が量子井戸を形成する。量子井戸は、量子閉じ込めを引き起こす離散的なエネルギー値を有するポテンシャル井戸である。様々な実施形態において、第１の障壁層７０２、量子井戸層７０４、および第２の障壁層７０８のうちの１つまたは複数は、ＭＢＥプロセスを使用して形成される。特定の例では、量子井戸層７０４は、ＩｎＡｓ材料で形成され、第１の障壁層７０２および第２の障壁層７０８は、ＩｎＧａＡｓ材料で形成される。別の特定の例では、量子井戸層７０４は、Ｇｅ材料で形成され、第１の障壁層７０２および第２の障壁層７０８は、ＳｉＧｅ材料で形成される。
他の特定の実施形態では、量子井戸層７０４、第１の障壁層７０２、および第２の障壁層７０８のための可能性のある材料には、以下が含まれてもよい。
量子井戸 障壁
ＩｎＡｓ ＡｌｘＧａ１－ｘＳｂ
ＩｎＡｓ ＩｎｘＧａ１－ｘＡｓ
ＧａＡｓ ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ
Ｇｅ ＳｉｘＧｅ１－ｘ
Ｓｉ ＳｉｘＧｅ１－ｘ
ＳｉｙＧｅ１－ｙ ＳｉｘＧｅ１－ｘ
ＨｇＴｅ ＨｇｘＣｄ１－ｘＴｅ
ＩｎＳｂ ＩｎｘＡｌ１－ｘＳｂ
ＩｎｘＧａ１－ｘＡｓ ＩｎｙＡｌ１－ｙＡｓ
ＩｎｘＧａ１－ｘＡｓ ＩｎｙＧａ１－ｙＡｓ
図７に示す実施形態では、超伝導材料７０６の第１および第２の部分と、第１の障壁層７０２と、量子井戸層７０４と、第２の障壁層７０８との接合部が一緒になって、ＪＪスイッチなどのゲート調整可能電子システムを形成する。
構造体７００は、第２の障壁層７０８の露出部分および超伝導材料７０６の重なり合った部分に堆積させた絶縁体層７１０をさらに含む。特定の実施形態では、絶縁体層７１０は、酸化物材料で形成されている。構造体７００は、超伝導共振器デバイスと一体化されたゲート電圧調整可能電子システムのゲートを形成する、絶縁体層７１０上に堆積させたゲート材料７１２をさらに含む。
一実施形態では、ゲート電圧がゲート材料７１２に印加されて、超伝導体／半導体接合内の臨界電流の制御可能な変動を引き起こし、それによって、ジョセフソン・インダクタンスＬｊの変動をさらに引き起こす。ジョセフソン・インダクタンスＬＪの変動は、構造体７００の共振器の特性周波数の変化をさらに引き起こし、これは、デバイスに結合された超伝導デバイス（例えば、量子ビット）間の結合の強度をさらに変化させる。絶縁体７１０は、任意選択であり、特定の実施形態によると存在しなくてもよいことを理解されたい。
一部の実施形態では、７００の構造体は、構造体内の特定の位置に挿入されたドーパントまたは原子を含んでもよい。例えば、ゼロ電圧がゲート７１２に印加されたときのＪＪスイッチ内のキャリア密度を制御するために、ドーパントが使用されてもよい。したがって、ドーパントを使用して、スイッチを動作させるために必要なゲート電圧の範囲を制御することができる。一部の実施形態では、ドーパントは、量子井戸７０４から一定の距離で、障壁７０２内または障壁７０８内あるいはその両方の薄層に配置されてもよい（例えば、デルタ・ドーピング・スキーム）。
一部の実施形態では、量子井戸はまた、２つの異なる半導体間の界面に形成されてもよい。例えば、障壁７０８および量子井戸７０４が両方とも同じ半導体（例えば、ＧａＡｓ）で構成されてもよく、障壁７０２が異なる半導体（例えば、ＡｌＧａＡｓ）で構成されてもよい。さらに、デルタ・ドーピング層が障壁７０２に存在してもよい。この状況では、障壁７０２との界面近くの量子井戸層７０４に量子井戸が形成される可能性がある。
図８を参照すると、この図は、別の例示的な実施形態による、超伝導共振器デバイス構造体８００と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムの断面図を示す。構造体８００は、ＭＢＥ成長超伝導コンタクトを有するＭＢＥ成長量子井戸ヘテロ構造を含む。構造体８００は、第１の障壁層８０２の表面（例えば、上面）に形成された量子井戸層８０４を有する第１の障壁層８０２を含む。
構造体８００は、量子井戸層８０４の表面に配置された第２の障壁層８０６と、第２の障壁層８０６の表面（例えば、上面）に形成された超伝導材料８０８の第１および第２の部分と、をさらに含む。図示する実施形態では、超伝導材料８０８の第１および第２の部分は、エピタキシャル・プロセスを使用して第２の障壁層８０６上に形成されている。
図示する実施形態では、第１の障壁層８０２、量子井戸層８０４、および第２の障壁層８０６が量子井戸を形成する。様々な実施形態において、第１の障壁層８０２、量子井戸層８０４、および第２の障壁層８０６のうちの１つまたは複数は、ＭＢＥプロセスを使用して形成される。特定の例では、量子井戸層８０４は、ＩｎＡｓ材料で形成され、第１の障壁層８０２および第２の障壁層８０６は、ＩｎＧａＡｓ材料で形成される。別の特定の例では、量子井戸層８０４は、Ｇｅ材料で形成され、第１の障壁層８０２および第２の障壁層８０６は、ＳｉＧｅ材料で形成される。
超伝導材料８０８の第１および第２の部分と、第１の障壁層８０２と、量子井戸層８０４と、第２の障壁層８０６との接合部が一緒になって、ＪＪスイッチなどのゲート調整可能電子システムを形成する。
構造体８００は、第２の障壁層８０６の露出部分ならびに超伝導材料８０８の第１および第２の部分に堆積させた絶縁体層８１０をさらに含む。特定の実施形態では、絶縁体層８１０は、酸化物材料で形成されている。構造体８００は、超伝導共振器デバイスと一体化されたゲート電圧調整可能電子システムのゲートを形成する、絶縁体層８１０上に堆積させたゲート材料８１２をさらに含む。絶縁体８１０は、任意選択であり、特定の実施形態によると存在しなくてもよいことを理解されたい。
一実施形態では、ゲート電圧がゲート材料８１２に印加されて、超伝導体／半導体接合内の臨界電流の制御可能な変動を引き起こし、それによって、ジョセフソン・インダクタンスＬｊの変動をさらに引き起こす。ジョセフソン・インダクタンスＬＪの変化は、構造体８００の共振器の特性周波数の変化をさらに引き起こし、これは、デバイスに結合された超伝導デバイス（例えば、量子ビット）間の結合の強度をさらに変化させる。
一部の実施形態では、８００の構造体は、構造体の特定の位置に挿入されたドーパントまたは原子を含んでもよい。例えば、ゼロ電圧がゲート８１２に印加されたときのＪＪスイッチ内のキャリア密度を制御するために、ドーパントが使用されてもよい。したがって、ドーパントを使用して、スイッチを動作させるために必要なゲート電圧の範囲を制御することができる。一部の実施形態では、ドーパントは、量子井戸８０４から一定の距離で、障壁８０２内または障壁８０６内あるいはその両方の薄層に配置されてもよい（例えば、デルタ・ドーピング・スキーム）。
一部の実施形態では、量子井戸はまた、２つの異なる半導体間の界面に形成されてもよい。例えば、障壁８０６および量子井戸８０４が両方とも同じ半導体（例えば、ＧａＡｓ）で構成されてもよく、障壁８０２が異なる半導体（例えば、ＡｌＧａＡｓ）で構成されてもよい。さらに、デルタ・ドーピング層が障壁８０２に存在してもよい。この状況では、障壁８０２との界面近くの量子井戸層８０４に量子井戸が形成される可能性がある。
図９を参照すると、この図は、別の例示的な実施形態による、超伝導共振器デバイス構造体９００と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムの断面図を示す。構造体９００は、半導体基板構造９０２の表面（例えば、上面）に形成された超伝導材料９０４の第１および第２の部分を有する半導体基板構造９０２を含む。特定の実施形態では、半導体基板構造９０２は、Ｓｉなどの半導体材料で形成された近接半導体基板（proximitized semiconducting substrate）である。超伝導材料９０４の第１および第２の部分と半導体基板層９０２との接合部が一緒になって、ＪＪスイッチなどのゲート調整可能電子システムを形成する。
構造体９００は、半導体基板層９０２の露出部分および超伝導材料９０４の一部の重なり合った部分に堆積させた絶縁体層９０６をさらに含む。特定の実施形態では、絶縁体層９０６は、酸化物材料で形成されている。構造体９００は、超伝導共振器デバイスと一体化されたゲート電圧調整可能電子システムのゲートを形成する、絶縁体層９０６上に堆積させたゲート材料９０８をさらに含む。特定の実施形態では、ゲート材料９０８を形成することができる可能性のある金属または導電性ゲート材料には、金、プラチナ、パラジウム、金合金（例えば、パラジウム金）、銅、またはグラファイトが含まれる。特定の実施形態では、超伝導材料９０４またはゲート材料９０８を形成することができる可能性のある超伝導材料には、アルミニウム、インジウム、ニオブ、窒化ニオブ、窒化ニオブチタン、二セレン化ニオブ、タンタル、チタン、またはモリブデン・レニウムが含まれる。上記は、可能性のある超伝導材料および金属材料の非網羅的なリストであり、他の実施形態では、他の適切な超伝導材料または金属材料が使用されてもよいことを理解されたい。絶縁体層９０６は、任意選択であり、特定の実施形態によると存在しなくてもよいことも理解されたい。
一実施形態では、ゲート電圧がゲート材料９０８に印加されて、超伝導体／半導体接合内の臨界電流の制御可能な変動を引き起こし、それによって、ジョセフソン・インダクタンスＬｊの変動をさらに引き起こす。ジョセフソン・インダクタンスＬＪの変動は、構造体９００の共振器の特性周波数の変化をさらに引き起こし、これは、デバイスに結合された超伝導デバイス（例えば、量子ビット）間の結合の強度をさらに変化させる。
図１０を参照すると、この図は、例示的な実施形態による、超伝導共振器デバイス構造体１０００と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムの断面図を示す。構造体１０００は、絶縁基板構造１００２の表面の一部（例えば、上面）に配置されたグラフェン材料で形成されたグラフェン層１００４を有する絶縁基板構造１００２を含む。特定の実施形態では、絶縁基板構造１００２は、シリコンで形成されている。特定の実施形態では、絶縁基板材料は、シリコンであってもよく、その表面の一部上およびグラフェン層１００４の下に窒化ホウ素材料が配置されている。
構造体１０００は、絶縁基板構造１００２の表面に形成された超伝導材料１００６の第１および第２の部分と、グラフェン層１００４の一部と、をさらに含み、グラフェン層１００４は、超伝導材料１００６の第１の部分と第２の部分との間に配置されている。超伝導材料１００６の第１および第２の部分とグラフェン層１００４との接合部が一緒になって、ＪＪスイッチなどのゲート調整可能電子システムを形成する。
構造体１０００は、グラフェン層１００４の露出部分および超伝導材料１００６の一部の重なり合った部分に堆積させた絶縁体層１００８をさらに含む。特定の実施形態では、絶縁体層１００８は、酸化物材料で形成されている。特定の実施形態では、絶縁体層１００８は、窒化ホウ素材料である。構造体１０００は、超伝導共振器デバイスと一体化されたゲート電圧調整可能電子システムのゲートを形成する、絶縁体層１００８上に堆積させたゲート材料１０１０をさらに含む。特定の実施形態では、ゲート材料１０１０を形成することができる可能性のある金属または導電性ゲート材料には、金、プラチナ、パラジウム、金合金（例えば、パラジウム金）、銅、またはグラファイトが含まれる。特定の実施形態では、超伝導材料１００６またはゲート材料１０１０を形成することができる可能性のある超伝導材料には、アルミニウム、インジウム、ニオブ、窒化ニオブ、窒化ニオブチタン、二セレン化ニオブ、タンタル、チタン、またはモリブデン・レニウムが含まれる。上記は、可能性のある超伝導材料および金属材料の非網羅的なリストであり、他の実施形態では、他の適切な超伝導材料または金属材料が使用されてもよいことを理解されたい。
一実施形態では、ゲート電圧がゲート材料１０１０に印加されて、超伝導体／グラフェン接合内の臨界電流の制御可能な変動を引き起こし、それによって、ジョセフソン・インダクタンスＬｊの変動をさらに引き起こす。ジョセフソン・インダクタンスＬＪの変動は、構造体１０００の共振器の特性周波数の変化をさらに引き起こし、これは、デバイスに結合された超伝導デバイス（例えば、量子ビット）間の結合の強度をさらに変化させる。
他の特定の実施形態では、層１００４は、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ２Ｓｅ３、Ｓｂ２Ｔｅ３、Ｓｂ２Ｓｅ３のうちの１つまたは複数などの薄膜材料を含むことができる。特定の実施形態では、層１００４は、単層グラフェンまたは二層グラフェンであってもよい。
図１１を参照すると、この図は、例示的な実施形態による、マルチ量子ビット・デバイス・アーキテクチャにおいて超伝導共振器と一体化されたゲート電圧調整可能電子システムの例示的な実装形態を示す。上面図１１００は、平面２次元（２Ｄ）グリッド上に格子状に形成されたいくつかの量子ビット１１０２Ａ～１１０２Ｄを示す。一部の実施形態では、量子ビット１１０２Ａ～１１０２Ｄは、トランスモン量子ビットである。量子ビット１１０２Ａ～１１０２Ｄの量子状態は、特定の量子ビットに容量結合された読み出し線１１０４を使用して読み出される。量子ビットは互いに結合されており、共振線１１０６（「バス」としても知られている）を使用して通信する。
共振線１１０６は、ＪＪスイッチ１１１２と、対応するＪＪスイッチ１１１２に近接して配置されたゲート１１１０とを含む、共振線１１０６に結合されたシャント１１０８をさらに含み、様々な実施形態に関して本明細書に記載されるようなゲート調整可能共振器を形成することができる。図示する実施形態では、スイッチ１１１２および対応するゲート１１１０のそれぞれは、量子ビット１１０２Ａ～１１０２Ｄのペアの制御された結合および分離を可能にするために、個々に制御可能なゲート電圧を受け取るように構成されている。１つまたは複数の実施形態では、ゲート調整可能共振器の個々にゲート制御されるセクションは、最近傍量子ビット間の結合を徐々に調整する能力を提供する。１つまたは複数の実施形態では、ゲート調整可能共振器の個々にゲート制御されるセクションは、望ましくない遷移周波数を有する量子ビットを遮断する能力を提供する。１つまたは複数の実施形態では、ゲート調整可能共振器の個々にゲート制御されるセクションは、より高速なゲートおよび量子ビット間の調整可能な結合強度を有する新規の量子ゲート・ハードウェア・アプローチを提供する。
本発明の様々な実施形態は、関連する図面を参照して本明細書に記載されている。本発明の範囲から逸脱することなく代替の実施形態を考案することができる。以下の説明および図面において、要素間に様々な接続および位置関係（例えば、上、下、隣接など）が規定されているが、当業者は、本明細書に記載された位置関係の多くは、向きが変わっても記載されている機能が維持されている場合は、向きに依存しないことを認識するであろう。これらの接続または位置関係あるいはその両方は、特に明記されていない限り、直接的または間接的であってもよく、本発明は、この点に関して限定的であることは意図していない。したがって、エンティティの結合は、直接的または間接的な結合のいずれかを指すことができ、エンティティ間の位置関係は、直接的または間接的な位置関係であってもよい。間接的な位置関係の例として、層「Ｂ」の上に層「Ａ」を形成することに対する本明細書における言及は、層「Ａ」および層「Ｂ」の関連する特徴および機能性が中間層によって実質的に変化しない限り、１つまたは複数の中間層（例えば層「Ｃ」）が層「Ａ」と層「Ｂ」との間にある状況を含む。
以下の定義および略語は、特許請求の範囲および本明細書の解釈に使用されるべきである。明細書で使用されるとき、用語「備える」、「備えている」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、「有している」、「含有する」、または「含有している」、あるいはそれらの任意の他の変形形態は、非排他的な包含を含むことを意図している。例えば、要素の列挙を含む組成物、混合物、プロセス、方法、物品、または装置は、必ずしもそれらの要素だけに限定されず、そのような組成物、混合物、プロセス、方法、物品、または装置に明示的に列挙されていない、あるいは固有の他の要素を含むことができる。
加えて、用語「例示的」は、本明細書では、「例、実例、または例示として役立つ」ことを意味するために使用される。「例示的」として本明細書に記載された任意の実施形態または設計は、他の実施形態または設計よりも好ましいもしくは有利であると必ずしも解釈されるべきではない。用語「少なくとも１つ」および「１つまたは複数」は、１以上の任意の整数、すなわち１、２、３、４などを含むと理解される。用語「複数」は、２以上の任意の整数、すなわち２、３、４、５などを含むと理解される。用語「接続」は、間接的な「接続」および直接の「接続」を含むことができる。
「一実施形態」、「実施形態」、「例示的実施形態」などへの本明細書における言及は、記載された実施形態が特定の特徴、構造、または特性を含むことを示すが、すべての実施形態が特定の特徴、構造、または特性を含んでも、含まなくてもよい。さらに、そのような言い回しは、必ずしも同じ実施形態に言及しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性がある実施形態に関連して記載されている場合、明示的に記載されているかどうかにかかわらず、他の実施形態に関連するそのような特徴、構造、または特性に影響を与えることは、当業者の知識の範囲内であると思われる。
用語「約」、「実質的に」、「およそ」、およびそれらの変形は、出願を申請する時点で利用可能な機器に基づいた特定の量の測定値に関連付けられた誤差の程度を含むことを意図している。例えば、「約」は、所与の値の±８％、または５％、または２％の範囲を含むことができる。
本発明の様々な実施形態の説明は、例示の目的で提示されているが、網羅的であること、または開示された実施形態に限定されることを意図するものでもない。記載された実施形態の範囲および思想から逸脱することなく、多くの変更形態および変形形態が当業者には明らかであろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、市場で見出される技術に対する実際の応用または技術的改良を最も良く説明するか、または当業者が本明細書に記載された実施形態を理解することができるように選択された。

Claims (16)

  1. 超伝導結合デバイスであって、
    共振器構造であって、第１の量子ビットに容量結合されるように構成された第１の端部、および第２の量子ビットに容量結合されるように構成された第２の端部を有する、前記共振器構造と、
    前記共振器構造に結合された電子システムと、
    前記電子システムの一部に近接して配置されたゲートと、
    を備え、前記電子システムおよび前記ゲートが、スイッチを形成する１つまたは複数の所定の位置で前記共振器構造に割り込むように構成されており、前記ゲートが、ゲート電圧を受け取り、前記ゲート電圧に基づいて前記電子システムのインダクタンスを変化させるように構成され、前記インダクタンスの前記変化により、前記共振器構造の特性周波数の変化をもたらして、前記第１の量子ビットと前記第２の量子ビットとの間の結合の強度を変化させるように前記共振器構造を誘導するように構成された、超伝導結合デバイス。
  2. 前記インダクタンスの前記変化が、前記ゲートが前記電子システムの臨界電流を変化させた結果である、請求項１に記載の超伝導結合デバイス。
  3. 量子ビット間の結合は、前記ゲート電圧の調整を介して、段階的に調整可能である、請求項１または２に記載の超伝導結合デバイス。
  4. 前記共振器構造の前記特性周波数の前記変化が、前記第１の量子ビットと前記第２の量子ビットとの間の結合の前記強度の前記変化を可能にする、請求項１ないし３の何れか一項に記載の超伝導結合デバイス。
  5. 前記ゲート電圧が、高い臨界電流を伴う低インダクタンス状態と、低い臨界電流を伴う高インダクタンス状態との間で前記スイッチを変化させるように構成されている、請求項１ないし３の何れか一項に記載の超伝導結合デバイス。
  6. 前記共振器構造の少なくとも一部が超伝導材料で形成されている、請求項１ないし５の何れか一項に記載の超伝導結合デバイス。
  7. 前記ゲートが金属材料または超伝導材料で形成されている、請求項１ないし６の何れか一項に記載の超伝導結合デバイス。
  8. 前記共振器構造のシャント部分によって前記共振器構造に結合された接地面をさらに備える、請求項１ないし６の何れか一項に記載の超伝導結合デバイス。
  9. 前記共振器構造の前記シャント部分が前記電子システムを含む、請求項８に記載の超伝導結合デバイス。
  10. 前記電子システムが、前記共振器構造の第１の部分と前記共振器構造の第２の部分との間に結合されている、請求項１ないし９の何れか一項に記載の超伝導結合デバイス。
  11. 基板構造をさらに備え、前記電子システムが前記基板構造の表面に配置されている、請求項１ないし１０の何れか一項に記載の超伝導結合デバイス。
  12. 前記電子システム上に配置された絶縁体をさらに備え、前記ゲートが絶縁構造上に配置されている、請求項１１に記載の超伝導結合デバイス。
  13. 前記電子システムが、第１の障壁材料と第２の障壁材料との間に配置された量子井戸材料を含む、請求項１１に記載の超伝導結合デバイス。
  14. 前記電子システムが、半導体材料またはグラフェン材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１ないし１３の何れか一項に記載の超伝導結合デバイス。
  15. 方法であって、
    共振器構造の第１の端部を第１の量子ビットに容量結合することと、
    前記共振器構造の第２の端部を第２の量子ビットに容量結合することと、
    電子システムを前記共振器構造に結合することと、
    前記電子システムの一部に近接してゲートを配置することと、
    前記電子システムおよび前記ゲートによって、スイッチを形成する１つまたは複数の所定の位置で前記共振器構造に割り込むことと、
    前記ゲートによってゲート電圧を受け取ることと、
    前記ゲート電圧に基づいて前記電子システムのインダクタンスを変化させることであって、前記インダクタンスの前記変化により、前記共振器構造の特性周波数の変化をもたらして、前記第１の量子ビットと前記第２の量子ビットとの間の結合の強度を変化させるように前記共振器構造を誘導する、前記インダクタンスを変化させることと、
    を含む方法。
  16. リソグラフィ構成要素を含む超伝導体製造システムであって、ダイに対して動作させた場合に、
    共振器構造の第１の端部を第１の量子ビットに容量結合することと、
    前記共振器構造の第２の端部を第２の量子ビットに容量結合することと、
    電子システムを前記共振器構造に結合することと、
    前記電子システムの一部に近接してゲートを配置することと、
    前記電子システムおよび前記ゲートによって、スイッチを形成する１つまたは複数の所定の位置で前記共振器構造に割り込むことであって、前記ゲートが、ゲート電圧を受け取り、前記ゲート電圧に基づいて前記電子システムのインダクタンスを変化させるように構成され、前記インダクタンスの前記変化により、前記共振器構造の特性周波数の変化をもたらして、前記第１の量子ビットと前記第２の量子ビットとの間の結合の強度を変化させるように前記共振器構造を誘導する、前記割り込むことと、
    を含む動作を実行する超伝導体デバイスを製造する、超伝導体製造システム。
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