JP7511920B2 - 高温超伝導量子ビットおよび製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、量子情報処理用途に高温超伝導体を用いる超伝導量子ビットに関する。

量子コンピュータは、古典的なコンピュータよりも迅速に特定のクラスの問題を解決することができる。これは、２つの状態（「０」および「１」）のいずれかにのみあり得る古典的なビットの代わりに、２つの状態の量子機械的重なりを提供する量子ビットを使用して達成される。量子コンピュータの実装における課題は、量子ビットの実装および操作に関する。有望な手法は、超伝導体およびジョセフソン接合に基づく量子ビットを使用する。低温超伝導体、例えばアルミニウムなどの元素超伝導体は、コヒーレンス時間が１ミリ秒に近いジョセフソン接合および量子ビットに適用されている。新興の量子技術の差し迫った探求において、ジョセフソン接合に基づく技術およびアルミニウムに基づく量子ビットは、量子優位性を成功裏に実証し、第１世代の市販の量子コンピュータを生み出した。しかしながら、それらの高品質にもかかわらず、Ａｌジョセフソン接合、および一般に、低温超伝導体に基づくすべての量子ビットデバイスは、Ａｌジョセフソン接合の比較的低い品質係数（接合の品質係数は、その臨界電流と通常状態抵抗の値との間の積である）およびアルミニウムの小さい超伝導ギャップに起因していくつかの固有の限界を有し、これは、Ａｌジョセフソン接合および量子ビットデバイスのダイナミクスに影響を及ぼす。また、Ａｌジョセフソン接合は、Ａｌの固有の超伝導特性、例えば小さい超伝導ギャップのために磁場の影響を強く受け、その臨界温度は１Ｋ程度と非常に低い。その結果、Ａｌジョセフソン接合などの低温超伝導ジョセフソン接合を含む量子ビットの対応する特性が制限され、例えば、動作温度が低くなり、読み出しおよび書き込み周波数が制限される。特に、低い動作温度は、低温超伝導体に基づく量子ビットを含む量子コンピュータの動作において、多大な技術的努力およびコストをもたらす。多大な技術的努力およびコストは、例えば、量子プロセッサ全体と、量子ビットおよびジョセフソン接合を含むその構成要素とを冷却するために希釈冷凍機を使用することに関連し得る。量子ビットが量子センサなどの他の量子デバイスで使用される場合にも、低温超伝導体に基づく量子ビットの同じ問題が当てはまる。

上述の技術的問題を考慮して、改善された臨界温度、改善された臨界電流、改善された臨界磁場、改善された品質係数、改善されたノイズ特性、磁場に対する低減された感度、および／または改善された読み出しおよび／または書き込み周波数を提供する改善された超伝導量子ビットが必要とされている。

この目的は、独立請求項１による高温超伝導量子ビットによって達成される。独立請求項１３は、高温超伝導量子ビットの構成要素を製造するための方法を提供する。従属請求項は、好ましい実施形態に関する。

第１の態様では、高温超伝導量子ビットは、第１の超伝導体と、第２の超伝導体と、重なり領域とを含む。第１の超伝導体は、第１の面と、第１の向きとを含む第１の高温超伝導体材料を含む。第２の超伝導体は、第２の面と、第２の向きとを含む第２の高温超伝導体材料を含む。重なり領域では、第１の面の少なくとも第１の部分と第２の面の少なくとも第２の部分とが重なり、第１の部分および第２の部分は、所定の距離に対応する距離で平行に配置され、第１の向きおよび第２の向きは、所定の角度に対応する角度で配置される。高温超伝導量子ビットは、第１の高温超伝導体材料と第２の高温超伝導体材料との間にジョセフソン接合を含むことを特徴とする。ジョセフソン接合は、高温超伝導量子ビットの量子力学的２準位系を提供するように適合されている。

本開示の文脈において、量子ビットは、量子情報処理に適した量子力学的２準位系を意味し得る。

量子力学的２準位系は、少なくとも２つの区別可能な量子状態を有するシステムであってもよく、任意のより高い数の区別可能な量子状態、特に任意の整数の区別可能な量子状態を有してもよい。

高温超伝導量子ビットは、量子力学的２準位系を実施するように適合され得る。

ジョセフソン接合は、複数の量子力学的状態を提供するように適合され得る。特に、ジョセフソン接合は、量子力学的２準位系の第１の量子力学的状態および量子力学的２準位系の第２の量子力学的状態を提供するように適合され得る。第１の量子力学的状態および第２の量子力学的状態は、最低エネルギーを有する複数の量子力学的状態の状態であってもよい。特に、量子力学的２準位系の第１の量子力学的状態は、複数の量子力学的状態の基底状態であってもよい。特に、量子力学的２準位系の第２の量子力学的状態は、複数の量子力学的状態の最低エネルギー励起状態であってもよい。第１の量子力学的状態は、特にエネルギー、スピン、空間分布、ジョセフソン接合上の電荷、ジョセフソン接合を通る電流の方向、および／またはジョセフソン接合を通る電流の位相に関して、第２の量子力学的状態とは異なっていてもよい。特に、第２の状態と第１の状態との間のエネルギー差は、複数の量子力学的状態の任意の対の状態のエネルギー差と異なっていてもよい。

高温超伝導量子ビット、一般に量子ビットに適した量子力学的２準位系を提供する高温超伝導体材料間のジョセフソン接合の実用的に実行可能な実装は、最新技術における課題のままであった。本開示によるジョセフソン接合は、この問題を解決し、量子力学的２準位系を提供し、高温超伝導量子ビットの実装を可能にする。

本開示の実施形態は、第１および／または第２の高温超伝導体材料、特に第１および／または第２の面、ならびにジョセフソン接合を改善する。本開示による第１および／または第２の高温超伝導体材料は、超伝導ギャップ、臨界温度、臨界電流、および／または臨界磁場などの改善された超伝導材料特性を有することができる。これは、ジョセフソン接合の対応する超伝導接合特性を改善することができる。代替的または追加的に、ジョセフソン接合の品質係数などの超伝導接合特性を改善することができ、品質係数は、ジョセフソン接合の臨界電流とジョセフソン接合の通常状態抵抗との積であり得る。その結果、超伝導体材料特性および／または超伝導接合特性に対応する高温超伝導量子ビットの超伝導量子ビット特性を改善することができる。代替的または追加的に、外場に対する感度、磁場に対する感度、ならびに／または読み出しおよび／もしくは書き込み周波数などの超伝導量子ビット特性を改善することができる。

高温超伝導量子ビットは、ジョセフソン接合に結合されたインダクタンスループをさらに含むことができる。

ジョセフソン接合は、低磁場、特にゼロ磁場で高温超伝導量子ビットの仕事を提供するように適合され得る。代替的または追加的に、ジョセフソン接合は、低周波数で高温超伝導量子ビットの仕事を提供するように適合され得る。低磁場、特にゼロ磁場での高温超伝導量子ビットの仕事および／または低周波数での高温超伝導量子ビットの仕事は、周囲雑音に対する量子ビット感度を低下させるように適合され得る。

例えば、低周波数は、量子力学的２準位系の読み出しおよび／または制御に適合されたマイクロ波信号の周波数に関連付けられ得る。例えば、高温超伝導量子ビットの仕事は、高温超伝導量子ビットの動作可能性と関連付けられてもよく、または高温超伝導量子ビットの動作可能性を含んでもよい。磁場は、高温超伝導量子ビット付近もしくは高温超伝導量子ビットにおける、特にジョセフソン接合付近もしくはジョセフソン接合における、またはインダクタンスループ付近もしくはインダクタンスループにおける磁場に関連付けられ得る。低周波数は、２００ＧＨｚ未満、特に１００ＧＨｚ未満、特に５０ＧＨｚ未満、特に２０ＧＨｚ未満、特に１０ＧＨｚ未満、特に５ＧＨｚ未満、特に２ＧＨｚ未満、特に１ＧＨｚ未満、または０．５ＧＨｚ未満の周波数を含むことができる。

高温超伝導量子ビットは、ジョセフソン接合における外部磁場および／またはインダクタンスループを通る外部磁束が０であるときに動作可能であるように適合され得る。代替的または追加的に、ジョセフソン接合は、ジョセフソン接合における外部磁場および／またはインダクタンスループを通る外部磁束が０であるときに高温超伝導量子ビットの量子力学的２準位系を提供するように適合され得る。

高温超伝導量子ビットは、有利には、低磁場、例えば０の外部磁束、例えば０のインダクタンスループを通る外部磁束での動作に適合した量子ビットの実装を可能にする。したがって、外部磁場を生成および／または制御するための追加の構成要素を回避することができる。対応する量子ビットは、高温超伝導量子ビットのジョセフソン接合に結合されたインダクタンスループを用いて確立することができる。低い外部磁場または０の外部磁束での動作は、周囲ノイズおよび／または制御されていない変動に対する量子ビットの感度をさらに低下させる可能性があり、これは、例えば、熱変動および／または電磁場などの磁場の変動に関連し得る。したがって、量子ビットのコヒーレンス時間および／またはノイズ特性を改善することができ、それぞれ静かな量子ビットが得られる。量子ビットは、フルキソニウム量子ビット、特にπフルキソニウム量子ビットであってもよい。

インダクタンスループの電気インダクタンスは、ジョセフソン接合の電気インダクタンスよりも大きくてもよい。特に、インダクタンスループは、超伝導材料を含んでもよい。超伝導材料は、高温超伝導体または低温超伝導体、例えば元素超伝導体であってもよい。元素状超伝導体は、単一の化学元素、特に単一の化学元素で構成された超伝導体によって超伝導性が提供される超伝導体であってもよい。

本発明による高温超伝導量子ビットは、低温超伝導体の確立された製造および構造化技術を利用するために、例えばインダクタンスループなどの構造化構成要素に低温超伝導体を含むことができる。高温超伝導量子ビットが低温超伝導体を備える実施形態では、高温超伝導材料間のジョセフソン接合は、高温超伝導量子ビットの動作温度を高めることができる。

インダクタンスループは、中断部を有する閉曲線の形状を有してもよい。例えば、中断部を有する閉曲線は、ギャップを有する円形もしくは楕円形のリングを含むかもしくはそれであってもよく、またはループ形状を維持する任意の他の形状であってもよい。インダクタンスループは、２つのインダクタンスループ接点を含むおよび／または提供することができる。インダクタンスループが中断部を伴う閉曲線の形状を有する実施形態では、２つのインダクタンスループ接点は、中断部に最も近い閉曲線の部分に対応することができる。

インダクタンスループは、少なくとも１つの追加のジョセフソン接合をさらに含むことができる。特に、少なくとも１つの追加のジョセフソン接合は、インダクタンスループのインダクタンスを増加させるように適合されてもよい。少なくとも１つの追加のジョセフソン接合は、本開示によるジョセフソン接合を含むか、またはジョセフソン接合であってもよい。あるいは、少なくとも１つの追加のジョセフソン接合は、従来のジョセフソン接合であるか、または従来のジョセフソン接合を含んでもよい。特に、追加のジョセフソン接合は、低温超伝導体接合、例えば少なくとも１つの元素超伝導体を含む低温超伝導体接合であるか、またはそれを含んでもよい。

インダクタンスループは、接点要素を介してジョセフソン接合に結合されてもよい。接点要素は、金属および／または伝導性材料を含むか、またはそれらから構成されてもよい。例えば、接点要素は金を含むことができる。接点要素は、チタンもしくはタンタルまたは対応する窒化物などの接触接着材料を含むことができる。接点要素は、ジョセフソン接合の温度がジョセフソン接合の臨界温度を下回るときに超伝導電流輸送を提供するように適合されてもよい。特に、超伝導電流輸送は、第１の超伝導体および／または第２の超伝導体に関連する近接効果によって媒介され得る。

第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料は、ｄ波超伝導体を含むか、またはｄ波超伝導体であってもよい。第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料は、ｄ波超伝導ギャップを含んでもよく、および／またはｄ波ペアリングに適合されてもよい。ｄ波超伝導体は、ｄ波対称性を有する順序パラメータを提供することができる。第１の向きおよび／または第２の向きは、順序パラメータおよび／または順序パラメータのｄ波対称性に関連付けられてもよい。第２の高温超伝導体材料は、第１の高温超伝導体材料に関連して説明したものに対応する特徴によって特徴付けることができる。

ｄ波超伝導体は、量子力学的２準位系の提供を有利にサポートすることができる。例えば、量子力学的２準位系は、第１の高温超伝導体材料のｄ波超伝導体と第２の高温超伝導体材料のｄ波超伝導体との間のジョセフソン結合に関連付けられ得る。特に、インダクタンスループを有する実施形態では、ｄ波超伝導体およびインダクタンスループは、０のインダクタンスループを通る外部磁束での動作に適合した量子ビット、特にフルキソニウム量子ビットおよび／またはπフルキソニウム量子ビットの実装を相乗的にサポートする。

第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料は、タイプＩＩの超伝導体を含むか、またはタイプＩＩの超伝導体であってもよい。

第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料は、少なくとも４Ｋ、特に少なくとも８Ｋ、特に少なくとも１５Ｋ、特に少なくとも３０Ｋ、特に少なくとも５０Ｋ、特に少なくとも７０Ｋ、特に少なくとも７８Ｋの臨界温度を有することができる。

上記の特徴のうちの１つまたはすべてを有する高温超伝導体材料は、改善された超伝導材料特性、特に低温超伝導体のものを超える臨界温度を有利に提供することができる。

一実施形態によれば、第１の面における第１の高温超伝導体材料は、第１の超伝導体に対応する第１のバルク材料に対応し、特に、第１の面における第１の高温超伝導体材料の化学組成は、第１のバルク材料の化学組成と同一であり、および／または第１の面における第１の高温超伝導体材料の結晶質構造は、第１のバルク材料の結晶質構造と同一である。代替的または追加的に、第２の面における第２の高温超伝導体材料は、第２の超伝導体に対応する第２のバルク材料に対応してもよい。特に、第２の面における第２の高温超伝導体材料の化学組成は、第２のバルク材料の化学組成と同一であってもよく、および／または第２の面における第２の高温超伝導体材料の結晶質構造は、第２のバルク材料の結晶質構造と同一であってもよい。代替的または追加的に、第１（第２）のバルク材料は、第１（第２）の高温超伝導体材料に対応してもよい。

超伝導接合特性、したがって超伝導量子ビット特性は、第１（第２）の面における第１（第２）の高温超伝導体材料によって強く影響され得る。特に、それらは、第１（第２）の面からさらに離れた第１（第２）の高温超伝導体材料よりも、第１（第２）の面において第１（第２）の高温超伝導体材料によってより強く影響され得る。高温超伝導量子ビットの実装に関連する最新技術の問題は、第１（第２）の面における第１（第２）の高温超伝導体材料に関連する可能性があり、これは、例えば、化学組成、結晶質構造および／または超伝導デバイス特性において、第１（第２）の超伝導体に対応するバルク材料とは異なり得る。例えば、最新技術による第１（第２）の面における第１（第２）の高温超伝導体材料は、第１（第２）の超伝導体に対応するバルク材料よりも低い臨界温度および／または臨界電流を有し得る。例えば、第１（第２）の面における第１（第２）の高温超伝導体材料は、ジョセフソン接合の製造プロセスにおいて変更されている可能性がある。量子ビット素子を製造する開示された方法などの本開示の実施形態は、第１（第２）の面における第１（第２）の高温超伝導体材料を改善することができ、対応するバルク材料のものと同様または同一の超伝導材料特性をもたらし、したがって超伝導量子ビット特性を改善する。特に、量子力学的２準位系に関連する波動関数ならびに／または第１および／もしくは第２の量子力学的状態のコヒーレンスは、バルクおよび面材料の均一性によって改善され、高温超伝導量子ビットのコヒーレンスを改善することができる。

第１の面における第１の高温超伝導体材料は、第１の面から６ｎｍ以内、特に第１の面から３ｎｍ以内、特に第１の面から１．５ｎｍ以内、特に第１の面から１ｎｍ以内、特に第１の面から０．５ｎｍ以内、特に第１の面から０．３ｎｍ以内の第１の高温超伝導体材料を含むことができる。第２の面における第２の高温超伝導体材料は、それに応じて規定することができる。

第１の高温超伝導体材料がＢＳＣＣＯである実施形態では、第１の面における第１の高温超伝導体材料の化学組成は、第１の面における第１の高温超伝導体材料のｎと関連付けられてもよく、および／または第１のバルク材料の化学組成は、第１のバルク材料のｎと関連付けられてもよい。特に、第１の面における第１の高温超伝導体材料のｎは、第１のバルク材料のｎと同一であってもよい。特に、第１のバルク材料のｎが２である実施形態では、第１の面における第１の高温超伝導体材料は、２とは異なるｎを有する、特にｎ＝３ではないＢＳＣＣＯを含まなくてもよい。

第２の面は、第１の面における文脈で説明したものに対応する特徴によって特徴付けられてもよい。

第１の部分は、第１の面における文脈で説明したものに対応する特徴によって特徴付けられてもよい。

第２の部分は、第１の面における文脈で説明したものに対応する特徴によって特徴付けられてもよい。

ＢＳＣＣＯを含むジョセフソン接合の実装に関連する問題は、面におけるＢＳＣＣＯの酸素含有量および／またはｎの変化に関連し得る。例えば、これらの従来の製造技術は、室温を超える高温を適用することができる。本開示による製造方法およびジョセフソン接合は、この変化を回避し、高温超伝導量子ビットの実装に成功している。

実施形態によれば、第１のバルク材料は、第１の超伝導体の大部分を形成することができる。第２のバルク材料は、第２の超伝導体の大部分を形成することができる。これに関連して、大部分は、少なくとも５０％、特に少なくとも７０％、特に少なくとも９０％、特に少なくとも９５％、特に少なくとも９９％の質量分率を指してもよい。

実施形態によれば、ジョセフソン接合は、第１の面における第１の高温超伝導体材料と第２の面における第２の高温超伝導体材料との間のジョセフソン接合であってもよい。

実施形態によれば、ジョセフソン接合は、第１の面と第２の面との間のジョセフソン接合であってもよい。特に、ジョセフソン接合は、第１の面の第１の部分と第２の面の第２の部分との間のジョセフソン接合であってもよい。例えば、重なり領域にジョセフソン接合を形成してもよい。

第１のバルク材料は、第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料に関連して説明したものに対応する特徴によってさらに特徴付けることができる。

第２のバルク材料は、第１のバルク材料に関連して説明したものに対応する特徴によって特徴付けることができる。実施形態によれば、第１のバルク材料は、第２のバルク材料と同じバルク材料であってもよい。

第１の高温超伝導体材料は、酸素またはカルコゲナイドなどの元素の周期表の第６の主族の元素を含むことができる。第１の面における第１の高温超伝導体材料は、第１のバルク材料の元素の周期表の第６の主族の元素の含有量に対応する元素の周期表の第６の主族の元素の含有量を有してもよい。

第２の面における第２の高温超伝導体材料は、第１の面における第１の高温超伝導体材料に関連して説明したものに対応する特徴によって特徴付けることができる。

高温超伝導量子ビットを実装するための最新技術における問題は、面における第６の主族の元素の含有量に関連し得る。例えば、酸素などの第６の主族の元素を含む面は、特に室温およびより高い温度で、例えば水および／または有機溶媒などの溶媒との化学反応を起こしやすい可能性がある。化学反応は、面における第６の主族の元素の含有量を変化させ、面における超伝導材料特性を低下させる可能性がある。本開示による高温超伝導量子ビットは、この問題を解決し、したがって、超伝導接合特性および超伝導量子ビット特性を改善することができる。

一実施形態によれば、第１の超伝導体に対応する第１のバルク材料の臨界電流または第２の超伝導体に対応する第２のバルク材料の臨界電流に対するジョセフソン接合の臨界電流は、少なくとも０．０５％、特に少なくとも０．０７５％、または少なくとも０．１％、特に少なくとも０．５％、特に少なくとも１％、または少なくとも１．５％、または少なくとも２％、または少なくとも３％、または少なくとも５％、または少なくとも１０％、または少なくとも２０％、または少なくとも４０％である。代替的または追加的に、第１（第２）のバルク材料は、第１（第２）の高温超伝導体材料に対応してもよい。

第１のバルク材料の臨界電流は、少なくとも１０Ａ／ｃｍ^２、特に少なくとも１００Ａ／ｃｍ^２、特に少なくとも５００Ａ／ｃｍ^２、特に少なくとも１２００Ａ／ｃｍ^２であってもよい。例えば、第１のバルク材料はＢＳＣＣＯであってもよく、第１のバルク材料の臨界電流は１２４０Ａ／ｃｍ^２であってもよい。

一実施形態によれば、第１の超伝導体に対応する第１のバルク材料の臨界温度または第２の超伝導体に対応する第２のバルク材料の臨界温度に対するジョセフソン接合の臨界温度は、少なくとも０．５％、特に少なくとも１％、特に少なくとも５％、特に少なくとも２０％、特に少なくとも２５％、特に少なくとも６５％、特に少なくとも７０％、特に少なくとも７５％、特に少なくとも８０％、特に少なくとも８５％、特に少なくとも９０％、または少なくとも９５％である。特に、ジョセフソン接合は、単一の臨界温度を示すように適合され得る。単一の臨界温度は、温度の関数としてのジョセフソン接合の抵抗の単一の不連続性に関連し得る。

実施形態によれば、ジョセフソン接合の臨界温度は、少なくとも０．４Ｋ、特に少なくとも１Ｋ、特に少なくとも８Ｋ、特に少なくとも１５Ｋ、特に少なくとも３０Ｋ、特に少なくとも５０Ｋ、特に少なくとも６０Ｋ、特に少なくとも６５Ｋ、特に少なくとも７０Ｋ、特に少なくとも７５Ｋ、特に少なくとも７８Ｋ、特に少なくとも８０Ｋである。

ジョセフソン接合の高い臨界温度は、例えば低温超伝導体ジョセフソン接合を有する量子ビットの動作温度と比較して、高温での高温超伝導量子ビットの動作を可能にし得る。これは、高温超伝導量子ビットを動作させる技術的努力およびコストを低減することができる。さらに、ジョセフソン接合を含む量子ビットの読み出しおよび書き込み速度または周波数は、例えば、超伝導ギャップ、臨界電流および／または接合品質係数の向上の結果として改善され得る。特に、ジョセフソン接合の高い臨界温度は、第１（第２）の面における改善された第１（第２）の高温超伝導体材料に関連し得る。面における材料品質の改善により、ジョセフソン接合の臨界温度は、対応するバルク材料の臨界温度と同様の値まで上昇する。したがって、本開示による量子ビットは、高温超伝導体ジョセフソン接合が、面における高温超伝導体材料に関連し得るより低い臨界温度および／または単一の臨界温度より高い臨界温度を示し得る、最新技術からの問題を解決する。これはまた、本開示によるジョセフソン接合の改善された臨界電流をもたらし得る。

ジョセフソン接合の臨界温度は、ジョセフソン接合が超伝導電流を支持するように適合されるジョセフソン接合の最低温度に対応し得る。特に、超伝導電流は、第１の高温超伝導体材料から第２の高温超伝導体材料への超伝導電流を含むことができる。

第１の高温超伝導体材料がＢＳＣＣＯであり、ＢＳＣＣＯが単一のＢｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_ｎ－１Ｃｕ_ｎＯ_{２ｎ＋４＋ｘ}によって記述される化学組成を有する実施形態によれば、第１のバルク材料の臨界温度は、ｎ＝１の場合３３Ｋ、またはｎ＝２の場合９６Ｋ、またはｎ＝３の場合１０８Ｋ、またはｎ＝４の場合１０４Ｋであり得る。

実施形態によれば、距離の変動は、最大で０．３ｎｍ、特に最大で０．２ｎｍ、特に最大で０．１ｎｍ、特に最大で０．０５ｎｍであり、および／または第１の部分の粗さは、最大で０．３ｎｍ、特に最大で０．２ｎｍ、特に最大で０．１ｎｍ、特に最大で０．０５ｎｍであり、および／または第２の部分の粗さは、最大で０．３ｎｍ、特に最大で０．２ｎｍ、特に最大で０．１ｎｍ、特に最大で０．０５ｎｍである。

本発明による高温超伝導量子ビットは、第１（第２）の面における第１（第２）の高温超伝導体材料の改善に関連し得る、面の部分の距離および／または粗さの変動の低減を提供する。面の部分の距離および／または粗さの変動の低減は、量子力学的２準位系に関連する波動関数ならびに／または第１および／もしくは第２の量子力学的状態のコヒーレンスを改善することができる。これは、超伝導接合特性および超伝導量子ビット特性を改善することができ、および／または高温超伝導量子ビットの実装に関連する最新技術の問題を克服するのに有益であり得る。

実施形態によれば、高温超伝導量子ビットは、第１の超伝導体と第２の超伝導体との間のスペーサ材料、特に第１の部分と第２の部分との間のスペーサ材料をさらに含むことができる。

スペーサ材料は、半導体または誘電材料を含んでもよい。スペーサ材料は、ジョセフソン接合のトンネルバリアを調整するように適合された単一粒子バンドギャップおよび／または厚さを有してもよい。実施形態によれば、重なり領域内のスペーサ材料の厚さは、最大で０．３ｎｍ、特に最大で０．２ｎｍ、特に最大で０．１ｎｍ、特に最大で０．０５ｎｍ変動する。

スペーサ材料は、第３の層状結晶構造を含んでもよい。

スペーサ材料は、第１の面および／または第２の面、特に第１の面における第１の部分および／または第２の面における第２の部分を化学的に不動態化するように適合されてもよい。例えば、スペーサ材料は、酸素および／またはカルコゲナイドおよび／または水および／または有機溶媒などの反応種に対して不透過性であってもよい。例えば、スペーサ材料は、第１の面の第１の部分および／または第２の面の第２の部分を完全に覆うように、特に第１の面および／または第２の面を完全に覆うように配置されてもよい。

実施形態によれば、スペーサ材料は超伝導体材料ではない。あるいは、スペーサ材料は、ジョセフソン接合の臨界温度よりも小さい、特に少なくとも２倍小さい、特に少なくとも５倍小さい臨界温度を有する超伝導体材料であってもよい。

ジョセフソン接合におけるトンネル電流の短距離性のために、高温超伝導量子ビットは距離の変動に敏感であり得る。スペーサ材料は、距離の変動を改善することができる。したがって、距離の変動の改善は、高温超伝導量子ビットの性能を改善することができる。距離の変動の改善は、例えば、元素の周期表の第６の主族の元素に関して上述したように、面と化学物質との間、例えば第１（第２）の面と溶媒との間の反応を低減することによって達成することができる。距離の変動の改善はまた、第１および／または第２の面の製造において劈開プロセスを適用することによって達成することができる。スペーサ材料は、均一な厚さを提供することによって距離の変動をさらに改善することができる。スペーサ材料は、スペーサ材料なしで達成される距離よりも大きい距離をさらに許容することができる。

第１の高温超伝導体材料は、第１の一次格子ベクトルを含んでもよく、第１の向きは、第１の一次格子ベクトルに関連付けられてもよい。第１の一次格子ベクトルは、第１の高温超伝導体材料の一次格子ベクトルであってもよい。第１の向きは、第１の面上への第１の一次格子ベクトルの投影に関連付けられてもよい。第１の一次格子ベクトルは、第１の面に本質的に平行であってもよい。第１の一次格子ベクトルは、第１の結晶質高温超伝導体材料の逆格子ベクトルであってもよい。

第２の向きは、第２の高温超伝導体材料の第２の一次格子ベクトルに関連付けられてもよい。第２の一次格子ベクトルは、第１の一次格子ベクトルに関連して説明したものに対応する特徴によって特徴付けることができる。

第１（第２）の向きを格子ベクトルと関連付けることにより、顕微鏡、ゴニオメトリックまたは回折技術、特にＸ線回折および／または電子回折などの開発された技術を使用して第１（第２）の向きを制御することができる。

一実施形態によれば、第１の高温超伝導体材料および第２の高温超伝導体材料は、同じブラベ格子、同じ結晶系および／または同じ結晶構造を有し、第１の一次格子ベクトルおよび第２の一次格子ベクトルは、同じブラベ格子、同じ結晶系および／または同じ結晶構造に関連付けられた対応する格子ベクトルである。

実施形態によれば、所定の角度は、第１の高温超伝導体材料の第１の軌道と第２の高温超伝導体材料の第２の軌道との間の角度に対応する。特に、第１の軌道および／または第２の軌道は、ｄ軌道であってもよい。

所定の角度は、０とは異なり、特に本質的に０より大きくてもよい。

代替的または追加的に、所定の角度は、第１の高温超伝導体材料のフェルミ面の第１の節点の方向と第２の高温超伝導体材料のフェルミ面の第２の節点の方向との間の角度に対応してもよい。

特に、所定の角度は、第１の高温超伝導体材料と第２の高温超伝導体材料との間の非超伝導電荷担体の伝播を抑制するように選択することができる。例えば、非超伝導電荷担体は、電子および／または正孔であってもよい。

本発明の実施形態によれば、所定の角度および／または中央所定の角度は、第１の高温超伝導体材料の第１の一次格子ベクトルと第１の二次格子ベクトルとの間の角度の整数分の１に対応してもよく、特に、第１の一次格子ベクトルは、第１の高温超伝導体材料の第１の基本格子ベクトルに対応し、および／または第１の二次格子ベクトルは、第１の基本格子ベクトルとは異なる第１の高温超伝導体材料の第２の基本格子ベクトルに対応する。例えば、画分は半分であってもよい。特に、第１の基本格子ベクトルおよび第２の基本格子ベクトルは両方とも第１の面に平行であってもよい。例えば、所定の角度および／または中央所定の角度は、特に第１の一次格子ベクトルと第１の二次格子ベクトルとの間の角度が９０度である実施形態では、４５度であってもよい。

そのような所定の角度、特にそのような所定の角度の範囲は、電流フィルタを提供することができる。電流フィルタは、ジョセフソン接合の散逸の低減をもたらし得る。散逸の低減は、ジョセフソン接合を含む量子ビットのコヒーレンス時間を改善することができる。

実施形態によれば、第１の高温超伝導体材料は、例えばその機械的、光学的、または電子的特性に関して異方性である。第１の高温超伝導体材料は、第１のｃ軸を有することができ、第１のｃ軸は、異方性高温超伝導体材料の異なる方向に関連付けられる。第１の高温超伝導体材料は、第１の層状構造を有してもよい。第１のｃ軸は、第１の層状構造の層に垂直であってもよい。第１の層状構造の層は、第１の面の第１の部分に本質的に平行であってもよい。特に、第１の層状構造は、第１の層状結晶構造であってもよく、第１の層状結晶構造の結晶面は、第１の面の第１の部分に本質的に平行であってもよい。特に、層は、第１の超伝導面、第２の平面、または第３の平面であってもよい。第２の高温超伝導体材料は、対応する特徴によって特徴付けることができる。

第１の層状構造および／または第２の層状構造は、第１の層状構造の層に対応する第１の超伝導面を含むことができる。第１の超伝導面は、第１の層状構造および／または第２の層状構造の超伝導性を提供するように適合されてもよい。特に、第１の超伝導面は、第１の超伝導面に沿って超伝導性を提供するように適合されてもよい。遷移金属酸化物、遷移金属カルコゲナイド、またはプニクチドを有する実施形態によれば、第１の超伝導面は、遷移金属酸化物、遷移金属カルコゲナイド、またはプニクチドを含んでもよい。

第１の層状構造および／または第２の層状構造は、第１の層状構造の層に対応し、かつ第１の超伝導平面とは異なる第２の平面をさらに含むことができる。第１の面の第１の部分および／または第２の面の第２の部分は、第２の平面によって形成されてもよい。

第１の層状構造および／または第２の層状構造は、第１および／または第２の層状構造の層に対応する第３の平面をさらに含むことができる。第３の平面は、第１の超伝導面と異なっていてもよい。第１の層状構造および／または第２の層状構造のバルク構造によれば、第３の平面は、第２の平面に隣接および／または平行であってもよい。バルク構造は、バルク結晶構造であってもよい。第１の層状構造および／または第２の層状構造のバルク構造によれば、第２の平面および第３の平面は、ファンデルワールスギャップによって分離されてもよい。ファンデルワールスギャップは、少なくとも０．１５ｎｍ、特に少なくとも０．２５ｎｍ、特に少なくとも０．３ｎｍ、特に少なくとも０．３５ｎｍ、特に少なくとも０．４ｎｍ、特に少なくとも０．４５ｎｍ、特に少なくとも０．５ｎｍの層間隔を有してもよい。本発明の実施形態によれば、第３の平面は、第２の結晶面の化学組成と同一の化学組成を有してもよい。

第１（第２）の層状構造は、他の第１の超伝導面よりも第１（第２）の面に近い第１の超伝導面が、第１（第２）の面からさらに離れている他の第１の超伝導面よりもジョセフソン接合を通るトンネル電流に強く寄与することを保証することができる。

第１の超伝導面、第２の平面、および第３の平面のいずれかは、第１および／または第２の層状構造の隣接する層と組み合わせてファンデルワールスギャップを提供することができる。ファンデルワールスギャップは、第１（第２）の高温超伝導体材料の劈開を有利に改善することができ、第１（第２）の面の品質を改善することができる。例えば、劈開の信頼性を向上させることができ、または得られる第１（第２）の面の粗さを緩和することができる。

距離は、第１の面の第１の部分に最も近い第１の高温超伝導体材料の平面と第２の面の第２の部分に最も近い第２の高温超伝導体材料の平面との間の距離、特にファンデルワールスギャップに関連してもよい。特に、第１の面の第１の部分に最も近い第１の高温超伝導体材料の平面は、第１の高温超伝導体材料の第１の超伝導平面または第２の平面または第３の平面であってもよい。第２の面の第２の部分に最も近い第２の高温超伝導体材料の平面は、第２の高温超伝導体材料の第１の超伝導面または第２の平面または第３の平面であってもよい。

第１の面における第１の高温超伝導体材料は、第１の面に最も近い第１の層状結晶構造の２つの層、特に第１の面に最も近い第１の層状結晶構造の層、特に第１の面に最も近い第１の層状結晶構造の層の半分、特に第１の面に最も近い第１の層状結晶構造の層の３分の１の第１の高温超伝導体材料を含むことができる。

第１の超伝導面を有する実施形態では、第１の面における第１の高温超伝導体材料は、第１の面に最も近い第１の超伝導面の第１の高温超伝導体材料を含むことができる。

第２の平面を有する実施形態では、第１の面における第１の高温超伝導体材料は、第１の面に最も近い第２の平面の第１の高温超伝導体材料を含むことができる。

第３の平面を有する実施形態では、第１の面における第１の高温超伝導体材料は、第１の面に最も近い第３の平面の第１の高温超伝導体材料を含むことができる。

第１の高温超伝導体材料が第１の層状構造を有する実施形態では、第１の一次格子ベクトルは第１の層状構造の層に平行であってもよい。特に、第１の高温超伝導体材料が第１の層状結晶構造を有する実施形態では、第１の一次格子ベクトルは、第１の層状結晶構造の層に平行であってもよく、層は第１の層状結晶構造の結晶面に関連付けられる。第１の超伝導面を有する実施形態では、第１の超伝導面は第１の結晶面であってもよい。第１の一次格子ベクトルは、第１の結晶面に本質的に平行であってもよい。第２の平面を有する実施形態では、第２の平面は第２の結晶面であってもよい。第１の一次格子ベクトルは、第２の結晶面に本質的に平行であってもよい。第３の平面を有する実施形態では、第３の平面は第３の結晶面であってもよい。第１の一次格子ベクトルは、第３の結晶面に本質的に平行であってもよい。特に、第１の向きは、第１の面上への第１の一次格子ベクトルの投影に対応してもよい。

第２の高温超伝導体材料は、第１の高温超伝導体材料に関連して説明したものに対応する特徴によって特徴付けることができる。

第１の高温超伝導体材料は、遷移金属カルコゲナイドおよび／または遷移金属酸化物、特に銅酸化物を含んでもよい。代替的または追加的に、第１の高温超伝導体材料は、プニクチドを含んでもよい。特に、第１の高温超伝導体材料は、銅酸塩超伝導体材料および／またはプニクチド超伝導体材料を含むか、またはそれらであってもよい。

第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料は、ＢＳＣＣＯを含むか、またはＢＳＣＣＯから構成されてもよい。

ＢＳＣＣＯは、ビスマス、ストロンチウム、銅、および酸素を含んでもよい。さらに、ＢＳＣＣＯはカルシウムを含んでもよい。実施形態によれば、ＢＳＣＣＯは、ビスマス、ストロンチウム、銅、および酸素から構成されてもよい。あるいは、ＢＳＣＣＯは、ビスマス、ストロンチウム、カルシウム、銅、および酸素から構成されてもよい。特に、ＢＳＣＣＯは、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_ｎ－１Ｃｕ_ｎＯ_{２ｎ＋４＋ｘ}によってそれぞれ記載される化学組成を有する材料または材料の組み合わせを、対応するｎおよび対応するｘと共に含んでもよく、ｎは整数を表してもよく、特にｎは１、２、３、または４であってもよく、および／またはｘは正の数であってもよく、特にｘは０．１～０．３の範囲であってもよい。実施形態によれば、ＢＳＣＣＯは、単一のＢｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_ｎ－１Ｃｕ_ｎＯ_{２ｎ＋４＋ｘ}によって記述される単一の化学組成を有する、および／またはそれぞれ単一のｎおよび／または単一のｘを有する化学的に均質な材料である。

ＢＳＣＣＯは、第１（第２）の高温超伝導体材料および／または第１（第２）の層状構造に関連して上述した複数の有利な特徴を提供することができる。例えば、ＢＳＣＣＯは、超伝導性を提供する第１の超伝導面を提供することができ、第１の超伝導面は酸化銅を含む。ＢＳＣＣＯは、トンネルバリアを提供する第２の平面をさらに提供することができる。ＢＳＣＣＯは、隣接する第２の平面と共にファンデルワールスギャップを提供する第３の平面をさらに提供することができる。パラメータｎおよびｘは、ＢＳＣＣＯの特性を特定の用途の要件に調整するのに役立ち得る。しかしながら、特定の用途の要件に応じて、異なる第１（第２）の高温超伝導体材料は、特に選択された超伝導材料特性、選択された機械的特性、または選択された形成および／または面準備方法を提供するための利点を有することができる。複数の高温超伝導体材料が最新技術から知られており、それらのいずれかまたは組み合わせは、本開示の文脈において第１（第２）の高温超伝導体材料として適用することができる。

第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料は、元素の周期表の第６の主族の元素、特に酸素を含んでもよい。代替的または追加的に、第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料は、酸化物および／またはカルコゲナイドを含んでもよい。

元素の周期表の第６の主族の元素の濃度は、第１および／または第２の高温超伝導体材料をドープするために使用され、その超伝導材料特性を調整および／または最適化することを可能にする。第１および／または第２の高温超伝導体材料が結晶質である実施形態では、元素の周期表の第６の主族の元素、特に酸素の原子位置は、少なくとも部分的に非周期的であってもよい。特に、第１および／または第２の高温超伝導体材料のドーピングに関連する元素の周期表の第６の主族の元素の原子位置は、少なくとも部分的に非周期的であってもよい。

実施形態によれば、第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料は、単一の化学組成を有する化学的に均質な材料からなることができる。

第１の面は、少なくとも１００ｎｍ^２、特にもしくは少なくとも０．０１μｍ^２、または特にもしくは少なくとも１μｍ^２、特に少なくとも１０μｍ^２、特に少なくとも２０μｍ^２、特に少なくとも４０μｍ^２、特に少なくとも６０μｍ^２、特に少なくとも８０μｍ^２、特に少なくとも１００μｍ^２の面積を有することができる。第１の面は、最大で１ｍｍ^２の面積を有することができる。

第１（第２）の面の最適化された領域は、最適化された総臨界電流、ならびにジョセフソン接合の最適化されたコヒーレンスおよび／または最適化されたキャパシタンスを提供することができる。

本開示の文脈では、第１の面の第１の部分および第２の面の第２の部分は、第１の面の第１の部分および／または第２の面の第２の部分に垂直な線が存在し、その線が第１の面の第１の部分および第２の面の第２の部分の両方と交差する場合に重なると理解され得る。

本発明の実施形態によれば、所定の距離は、少なくとも０．２ｎｍ、特に少なくとも０．２５ｎｍ、特に少なくとも０．３ｎｍ、特に少なくとも０．３５ｎｍ、特に少なくとも０．４ｎｍ、特に少なくとも０．４５ｎｍ、特に少なくとも０．５ｎｍであってもよい。

本発明の実施形態によれば、所定の距離は、最大で１０ｎｍ、特に最大で８ｎｍ、特に最大で６ｎｍ、特に最大で４ｎｍ、特に最大で３ｎｍ、特に最大で２ｎｍ、特に最大で１ｎｍであってもよい。

対応する距離は、ジョセフソンを改善し得る。特に、この距離は、ジョセフソン接合を通る電流がトンネル電流、特に超伝導トンネル電流を含むかまたはトンネル電流であるように選択されてもよい。

本発明の実施形態によれば、所定の角度は、中央の所定の角度を中心として±３度の範囲、特に中央の所定の角度を中心として±２度の範囲、特に中央の所定の角度を中心として±１度の範囲であってもよい。

ｃ軸を有する実施形態によれば、所定の角度は、ｃ軸を中心とする角度および／または回転に関連付けられてもよい。

ジョセフソン接合は、第１の高温超伝導体材料と第２の高温超伝導体材料との間にトンネル接合を含むことができる。特に、トンネル接合は、接合、特にクーパー対を通る超電流に関連する電荷のためのトンネル接合であってもよい。第１の層状構造を有する実施形態では、トンネル接合は、第１の層状構造の層、特に第１の面に最も近い第１の層状構造の第１の超伝導面を含むことができる。そのような実施形態では、トンネル接合のトンネル方向は、第１の面に最も近い第１の層状構造の第１の超伝導面に垂直であってもよい。代替的または追加的に、トンネル方向はｃ軸に本質的に平行であってもよい。第２の層状結晶構造を有する実施形態では、トンネル接合は、第２の層状結晶構造の層、特に第２の面に最も近い第２の層状結晶構造の第１の超伝導面を含むことができる。そのような実施形態では、トンネル接合のトンネル方向は、第２の面に最も近い第２の層状結晶構造の第１の超伝導面に垂直であってもよい。

代替的または追加的に、ジョセフソン接合は、第１の高温超伝導体材料と第２の高温超伝導体材料との間に弱い結合を含んでもよい。

実施形態によれば、ジョセフソン接合は、ジョセフソン効果、特にＤＣジョセフソン効果および／またはＡＣジョセフソン効果および／または逆ＡＣジョセフソン効果を示すように適合される。

特に、ジョセフソン接合は、シャピロステップを示すように適合され得る。特に、シャピロステップは、ＡＣ電圧を使用して記録されたジョセフソン接合の電流－電圧特性のプラトーに対応し得る。例えば、ＡＣ電圧の周波数は、マイクロ波周波数範囲内であってもよい。これに関連して、マイクロ波周波数範囲は、０．３ＧＨｚ～３００ＧＨｚ、特に１ＧＨｚ～１００ＧＨｚの周波数範囲に対応してもよい。

ジョセフソン接合の実装は、高温超伝導量子ビットを確立するために有益である。特に、超伝導接合を含む既存の高温超伝導量子ビットの動作モードは、ジョセフソン接合の実装に依存すると考えられる。

実施形態によれば、重なり領域内の第１および／または第２の超伝導体の厚さは、最大で３００ｎｍ、特に最大で２００ｎｍ、特に最大で１００ｎｍ、特に最大で５０ｎｍ、特に最大で３０ｎｍ、特に最大で２０ｎｍ、特に最大で１０ｎｍ、特に最大で５ｎｍである。

実施形態によれば、重なり領域内の第１および／または第２の高温超伝導体材料の厚さは、最大で３００ｎｍ、特に最大で２００ｎｍ、特に最大で１００ｎｍ、特に最大で５０ｎｍ、特に最大で３０ｎｍ、特に最大で２０ｎｍ、特に最大で１０ｎｍ、特に最大で５ｎｍであり得る。

対応する最小厚さは、ジョセフソン接合におけるトンネル電流を保証することができる。ジョセフソン接合におけるトンネル電流の短距離性のために、第１（第２）の高温超伝導体材料の限られた量の材料、特に限られた厚さに関して限られた量はジョセフソン接合を確立するのに十分であり得る。限られた量の材料は、第１（第２）の高温超伝導体材料の超伝導挙動に関連する電子の数を最小限に抑えることができ、これはジョセフソン接合を含む量子ビットのコヒーレンス時間を改善および／または増加させることができる。さらに、材料の量を制限することにより、第１（第２）の高温超伝導体材料の欠陥の数を最小限に抑えることができ、これはジョセフソン接合を含む量子ビットのコヒーレンス時間をさらに改善することができる。制限された厚さはまた、第１（第２）の高温超伝導体材料の熱均質性および／または超伝導挙動をサポートするのに十分低い第１（第２）の面における温度を改善することができる。

一実施形態によれば、第１の高温超伝導体材料はＢＳＣＣＯであり、第２の高温超伝導体材料はＢＳＣＣＯであり、所定の角度は４３～４７度の範囲または－２～２度の範囲である。特に、ＢＳＣＣＯは、ｎ＝２のＢＳＣＣＯを含むか、またはｎ＝２のＢＳＣＣＯであり得る。

高温超伝導量子ビットは、マイクロ波共振器と、マイクロ波共振器に結合された少なくとも１つの抵抗器とをさらに含むことができる。マイクロ波共振器は、量子力学的２準位系の読み出しおよび／または制御に適合されたマイクロ波信号用のアンテナとして機能するように適合されてもよい。マイクロ波共振器は、ジョセフソン接合および／またはインダクタンスループに結合されてもよい。マイクロ波共振器は、マイクロ波信号を量子力学的２準位系に結合するように適合されてもよい。少なくとも１つの抵抗器は、量子力学的２準位系量子力学的２準位系に関連する読み出し信号および／または制御信号を提供するように適合され得る。

マイクロ波共振器および少なくとも１つの抵抗器は、量子ビットの制御および読み出しを可能にする。これは、高温超伝導量子ビットの量子コンピュータへの統合をサポートすることができ、これは、古典的なコンピュータよりも速く特定のクラスの問題を解決することができ、古典的なコンピュータのビットは、整数の数の状態、特に２つの状態のみをとることができる。量子ビットはまた、磁場感知などの計測に適用されてもよい。

マイクロ波共振器は、ジョセフソン接合および／またはインダクタンスループに容量的に結合されてもよい。例えば、マイクロ波共振器の少なくとも一部は、ジョセフソン接合および／またはインダクタンスループの一部に近接して配置されてもよい。

マイクロ波共振器は、マイクロ波周波数範囲の共振周波数を提供するように適合されてもよい。マイクロ波共振器は、少なくとも１つの導線、特に互いに平行に配置された２つの導線を含んでもよい。導電ワイヤの長さおよび／または形状は、マイクロ波周波数範囲の共振周波数を提供するように適合されてもよい。

マイクロ波共振器および／または少なくとも１つの導線の材料組成は、インダクタンスループの材料組成に関連して説明した特徴に対応する特徴によって特徴付けることができる。特に、マイクロ波共振器および／または少なくとも１つの導線は、インダクタンスループと同じ材料から構成されてもよい。

少なくとも１つの抵抗器は、マイクロ波共振器に容量結合されてもよい。少なくとも１つの抵抗器は、マイクロ波共振器の電気的読み出しをサポートするように適合されてもよい。特に、少なくとも１つの抵抗器は、マイクロ波共振器内のマイクロ波電力に関連する尺度を提供するように適合されてもよい。代替的または追加的に、少なくとも１つの抵抗器は、正確に２つの抵抗器、特にマイクロ波共振器の一部に対して対称的な配置を有する正確に２つの抵抗器を含むことができる。

第２の態様では、本開示は、高温超伝導量子ビット用の量子ビット素子を製造するための方法に関し、方法は、第１の超伝導体の第１の高温超伝導体材料の第１の面を形成するステップと、第２の超伝導体の第２の高温超伝導体材料の第２の面を形成するステップと、第１の面と第２の面とを配置して重なり領域を形成するステップとを含む。第１の高温超伝導体材料は、第１の向きを含む。第２の高温超伝導体材料は、第２の向きを含む。第１の面および第２の面は重なり領域を形成するように配置され、その結果、重なり領域において、第１の面の少なくとも第１の部分と第２の面の少なくとも第２の部分とが重なり、第１の部分および第２の部分は、所定の距離に対応する距離で平行であり、第１の向きと第２の向きとの間の角度は、所定の角度に対応する。方法は、第１の面を形成するステップ、第２の面を形成するステップ、および／または重なり領域を形成するように第１の面および第２の面を配置するステップ中に、第１の面の温度および／または第２の面の温度を２５０Ｋ未満に冷却するステップをさらに含むことを特徴とする。

第１（第２）の面の温度を冷却することにより、第１（第２）の面における第１（第２）の高温超伝導体材料を変化させることを防止することができる。その結果、量子ビット素子は、第１（第２）の面における第１（第２）の高温超伝導体材料に関して上記で説明したように、改善された臨界温度、臨界電流、臨界磁場、および／または品質係数を提供することができる。特に、第１（第２）の面における温度を冷却することにより、第１（第２）の面における第１（第２）の高温超伝導体材料が第１の超伝導体に対応するバルク材料に対応することを確実にすることができる。

特に、第１の面の温度および／または第２の面の温度を冷却することは、第１の面の温度および／または第２の面の温度を２３０Ｋ未満、特に２１０Ｋ未満、特に１９０Ｋ未満、特に１７０Ｋ未満、特に１５０Ｋ未満に冷却することを含んでもよい。

特に、本方法は、第１の面の形成および／または第２の面を形成するステップから、重なり領域を形成するために第１の面および第２の面を配置するステップまでの、特に、重なり領域を形成するために第１の面および第２の面を配置するステップが完了するまでの全時間間隔の間、第１の面の温度を冷却するステップを含んでもよい。特に、時間間隔全体の持続時間は、最大で１５分、特に最大で１０分、特に最大で８分、特に最大で４分、特に最大で３分、特に最大で２分、特に最大で１分であってもよい。

あるいは、本方法は、第１の面の形成および／または第２の面の形成から、重なり領域を形成するために第１の面および第２の面を配置するプロセスステップが開始されるまでの全時間間隔の間、第１の面の温度を冷却するステップを含んでもよい。

本方法は、重なり領域を形成するように第１の面および第２の面を配置するプロセスステップにおいて第１の超伝導体の温度を上昇させるステップ、特に最大で１０Ｋ、または最大で２０Ｋ、または最大で３０Ｋ、または最大で４０Ｋ、または最大で５０Ｋ、または最大で６０Ｋだけ第１の超伝導体の温度を上昇させるステップをさらに含んでもよい。

特に、時間間隔全体の持続時間は、最大で１５分、特に最大で１０分、特に最大で８分、特に最大で４分、特に最大で３分、特に最大で２分、特に最大で１分であってもよい。第１の超伝導体の温度を上昇させることおよび／または第２の超伝導体の温度を上昇させることから、第１の面および第２の面を配置して重なり領域を形成することを完了するまでの持続時間は、最大で４分、特に最大で３分、特に最大で２分、特に最大で１分、特に最大で３０秒、特に最大で２０秒であってもよい。

第１の超伝導体の適度な加熱は、量子ビット素子の製造方法に関連する接着剤の接着を調整する手段を提供することができる。加熱に関連する第１の超伝導体の温度の上昇を所与の値未満に保つこと、または加熱の時間間隔を所与の値未満に保つことは、第１（第２）の面において第１（第２）の高温超伝導体材料を変化させることを防ぐことができる。

本方法は、第２の面の温度に関して対応するプロセスステップを含むことができる。

第１の面および第２の面を配置して重なり領域を形成することは、第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料を所定の回転角度だけ回転させることを含むことができる。

第１の面および第２の面が共通の開始材料から形成される実施形態では、それらは最初に互いに対して自動的に位置合わせされてもよい。所定の回転角度だけ回転させることは、第１の向きと第２の向きとの間の角度をそのような実施形態における所定の角度に調整する効率的な方法を提供する。

代替的または追加的に、第１の面および第２の面を配置して重なり領域を形成することは、第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料の結晶向きを識別すること、および／または第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料を、第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料の結晶向きに対応する回転角度だけ回転させることを含んでもよい。

例えば、第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料の結晶向きを識別することは、Ｘ線技術、特にＸ線回折技術、電子回折技術または顕微鏡技術、特に電子顕微鏡技術または光学顕微鏡技術を使用することを含んでもよい。例えば、第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料の結晶向きを識別することは、実空間格子ベクトル、逆格子ベクトル、または高対称ファセットを識別することを含んでもよい。

少なくとも１つの結晶向きの対応する識別を使用して、第１の材料組成を有する第１の高温超伝導体材料と、第１の材料組成とは異なる材料組成を有する第２の高温超伝導体材料との間のジョセフソン接合、またはそれぞれヘテロ構造を実装することができる。材料組成に関してヘテロ構造の改善された柔軟性は、量子ビット素子の製造技術および／または超伝導特性に関してさらなる柔軟性を提供することができる。

第１の面および第２の面を配置して重なり領域を形成することは、第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料の横方向の位置決めを含むことができる。重なり領域を形成するように第１の面および第２の面を配置すること、特に横方向の位置決めおよび／または回転は、ピックアンドプレース技術、特に少なくとも部分的にロボットピックアンドプレース技術を含むことができる。重なり領域を形成するように第１の面および第２の面を配置すること、特に横方向の位置決めおよび／または回転は、例えばカメラおよび／または顕微鏡を使用して、第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料の測定された横方向位置を識別するための光学技術を適用することを含むことができる。ピックアンドプレース技術を使用する実施形態では、ピックアンドプレース技術は、第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料の測定された横方向位置を使用することを含むことができる。重なり領域を形成するように第１の面および第２の面を配置すること、特に回転および／または横方向の位置決め、特にピックアンドプレース技術は、特に接着剤を使用して、第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料を保持することをさらに含むことができる。

量子ビット素子を製造する方法は、最新技術で開発されたピックアンドプレース技術を含むことができる。特に、最新技術によるピックアンドプレース技術は、ある程度の自動化および／またはロボット化を提供することができ、これは、例えばジョセフソン接合を製造するための完全に自動化またはロボット化された方法を実施するために、量子ビット素子を製造する方法に適合させることができる。

特に、接着剤はエラストマーを含んでもよく、またはエラストマーから構成されてもよい。接着剤は、接着剤の温度が遷移温度未満である場合には第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料を保持し、接着剤の温度が遷移温度を超える場合には第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料を放出するように適合されてもよい。例えば、遷移温度は、接着剤の溶融温度に対応し得る。重なり領域を形成するように第１の面および第２の面を配置すること、特に回転および／または横方向の位置決め、特にピックアンドプレース技術は、特に接着剤を使用して、第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料を保持した後に、第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料を解放することをさらに含むことができる。

接着剤としてエラストマーを使用すると、水または有機溶媒などの溶媒を含む接着剤の使用を回避することができる。これは、第１（第２）の面における第１（第２）の高温超伝導体材料に関して上述したように、ジョセフソン接合および／または量子ビット素子の性能を改善することができる。さらに、エラストマーは、例えばマニピュレータ温度および／または第１および／または第２の超伝導体の温度、特に第１および／または第２の面の温度を制御することによって、エラストマーの温度を制御することによって形成および解放することができる接合部を提供することができる。

実施形態によれば、方法は、第１の面を形成する、および／または第２の面を形成する、および／または重なり領域を形成するために第１の面および第２の面を配置するプロセスステップ中に、第１の面および／または第２の面に隣接する雰囲気の水の分圧を制御するステップ、特に水の分圧を０．０１Ｐａ未満、特に０．００１Ｐａ未満、特に０．０００１Ｐａ未満に制御するステップをさらに含む。

水の分圧を対応する値未満に維持することにより、第１（第２）の面において第１（第２）の高温超伝導体材料を変化させることを回避することができる。これは、第１（第２）の面における第１（第２）の高温超伝導体材料に関して上述したように、ジョセフソン接合および／または高温超伝導量子ビットの性能を改善することができる。

第１の面および／または第２の面に隣接する雰囲気は、少なくとも１０^４Ｐａ、特に少なくとも５×１０^４Ｐａ、特に少なくとも９×１０^４Ｐａ、特に少なくとも１０^５Ｐａの全圧を含むことができる。例えば、第１の面および／または第２の面に隣接する大気の全圧は、環境圧力に対応してもよく、および／または環境圧力を最大で５％、特に最大で３％、特に最大で１％超えてもよい。

第１の面および／または第２の面に隣接する雰囲気は、０．０１Ｐａ未満、特に０．００１Ｐａ未満、特に０．０００１Ｐａ未満の有機溶媒の分圧を含むことができる。

有機溶媒の分圧を対応する値未満に維持することにより、第１（第２）の面において第１（第２）の高温超伝導体材料を変化させることを回避することができる。これは、第１（第２）の面における第１（第２）の高温超伝導体材料に関して上述したように、ジョセフソン接合および／または高温超伝導量子ビットの性能を改善することができる。

特に、本方法は、第１の面を形成するステップから、重なり領域を形成するために第１の面および第２の面を配置するステップまでの、特に、重なり領域を形成するために第１の面および第２の面を配置するステップが完了するまでの全時間間隔の間、第１の面に隣接する雰囲気の水の分圧を制御するステップを含むことができる。本方法は、第１の面を形成するステップから、重なり領域を形成するために第１の面および第２の面を配置するステップまでの、特に、重なり領域を形成するために第１の面および第２の面を配置するステップが完了するまでの全時間間隔の間、第２の面に隣接する雰囲気の水の分圧を制御するステップを含むことができる。

本方法は、第１の部分と第２の部分との間にスペーサ材料を配置するステップをさらに含むことができる。特に、第１の部分と第２の部分との間にスペーサ材料を配置するステップは、第１の面を形成した後および／または第２の面を形成した後に行うことができる。特に、第１の部分と第２の部分との間にスペーサ材料を配置するステップは、第１の面および第２の面を配置して重なり領域を形成する前に、および／または第１の高温超伝導体材料または第２の高温超伝導体材料を解放する前に行うことができる。スペーサ材料は、高温超伝導量子ビットに関連して説明したスペーサ材料の特徴に対応する特徴によって特徴付けることができる。スペーサ材料の配置は、重なり領域を形成するために第１の面および第２の面を配置することに関連して説明したプロセスステップを使用することができる。

本方法は、スペーサ材料を使用して第１の面の第１の部分および／または第２の面の第２の部分を化学的に不動態化するステップをさらに含むことができる。そのような実施形態によれば、第１の面の温度および／または第２の面の温度の冷却は、第１の面の第１の部分および／または第２の面の第２の部分上へのスペーサ材料の配置が完了するまで行われてもよい。代替的または追加的に、そのような実施形態によれば、第１の面および／または第２の面に隣接する雰囲気の水の分圧の制御は、第１の面の第１の部分および／または第２の面の第２の部分上へのスペーサ材料の配置が完了するまで行われてもよい。

実施形態によれば、第１の面を形成することは、第１の超伝導体を劈開することを含み、および／または第２の面を形成することは、第２の超伝導体を劈開することを含む。特に、第１の超伝導体を劈開することおよび／または第２の超伝導体を劈開することは、エラストマーを使用することを含むことができる。

劈開は、劈開前のバルク材料に対応する第１（第２）の論文面、および／または第１（第２）の超伝導体に対応するバルク材料に対応する第１（第２）の論文面を生成することができ、第１（第２）の超伝導体に対応するバルク材料に関して上記で説明した利点がある。

第１の超伝導体を劈開することおよび／または第２の超伝導体を劈開することは、第１の超伝導体および／または第２の超伝導体の一部を機械的に剥離すること、特に第１の高温超伝導体材料の一部を機械的に剥離することおよび／または第１の高温超伝導体材料の一部を機械的に剥離することを含んでもよい。機械的剥離は、特に第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料の横方向の位置決めに関して、重なり領域を形成するための第１の面および第２の面の配置に関して説明したようなプロセスステップを使用して実行することができる。

第１の超伝導体を劈開することおよび／または第２の超伝導体を劈開すること、特に第１の超伝導体および／または第２の超伝導体の一部を機械的に剥離することは、ピックアンドプレース技術、例えば重なり領域を形成するために第１の面および第２の面を配置することに関して説明したようなピックアンドプレース技術を適用することを含むことができる。

特に、第１の超伝導体を劈開することおよび／または第２の超伝導体を劈開すること、特に第１の超伝導体および／または第２の超伝導体の一部を機械的に剥離することは、特に接着剤を使用して、特に重なり領域を形成するために第１の面および第２の面を配置することに関して説明したように、第１の高温超伝導体材料および／または第２の高温超伝導体材料を保持することを含むことができる。

第１の超伝導体を劈開するステップは、第１の面を有する第１の高温超伝導体の厚さを制御するステップを含むことができる。例えば、第１の面を有する第１の高温の厚さを制御することは、第１の面を有する第１の高温の実験的に評価された厚さを測定することを含むことができる。特に、実験的に評価された厚さを測定することは、光学技術を適用することを含むことができる。第１の面を有する第１の高温超伝導体の厚さを制御することは、所定の厚さに対応する実験的に評価された厚さを有する第１の高温超伝導体を選択することを含むことができる。所定の厚さは、高温超伝導量子ビットに関連して説明したように、重なり領域内の第１の超伝導体の厚さに対応することができる。

第２の超伝導体を劈開するステップは、第２の面を有する第２の高温超伝導体の厚さを制御するステップを含むことができる。第１の面を有する第１の高温超伝導体の厚さを制御することに関連して説明したものに対応するプロセスステップは、第２の面を有する第２の高温超伝導体の厚さの制御に適用することができる。

本方法は、スペーサ材料を劈開するステップ、特にスペーサ材料を劈開してスペーサ材料の厚さを制御するステップをさらに含むことができる。第１の超伝導体の劈開に関連して説明したものに対応するプロセスステップは、スペーサ材料の劈開に適用することができる。

本方法は、第１の態様による高温超伝導量子ビットに関連して説明された特徴の一部またはすべてに対応する特徴によって特徴付けることができる。

一実施形態による高温超伝導量子ビットのためのジョセフソン接合の斜視図である。 別の実施形態による高温超伝導量子ビットのためのジョセフソン接合の側面図を示す。 図１Ａの実施形態および／または図１Ｂの実施形態と同様であり得る実施形態による高温超伝導量子ビットのためのジョセフソン接合の上面図を示す。 一実施形態による高温超伝導量子ビットのための量子ビット素子を製造するための装置を示す。 一実施形態による高温超伝導量子ビットのための量子ビット素子を製造するための方法のフロー図を示す。 一実施形態によるジョセフソン接合の電流－電圧特性を示す。 別の実施形態による高温超伝導量子ビットのためのジョセフソン接合の電流－電圧特性を示す。 温度が異なる図３Ｂの実施形態による高温超伝導量子ビットのためのジョセフソン接合の電流－電圧特性を示す。 高温超伝導量子ビットの構成要素を示す。 図４Ａの高温超伝導量子ビットの構成要素に対応する回路図を示す。 図４Ａの高温超伝導量子ビットの構成要素の一部の断面図を示す。 図４Ａおよび図５Ａの高温超伝導量子ビットの構成要素の一部の上面図を示す。 一実施形態による高温超伝導量子ビットを示す。 図６Ａの高温超伝導量子ビットに対応する回路図を示す。

以下の開示は、高温超伝導量子ビットを可能にする例示的かつ非限定的な設計を提供する。したがって、本開示は、臨界温度、臨界電流、臨界磁場、品質係数、および／または外場、特に外部磁場に対する感受性を改善することができる。

図１Ａは、高温超伝導量子ビットの量子力学的２準位系を提供することができるジョセフソン接合１００の第１の実施形態の斜視図を示す。ジョセフソン接合１００は、第１の超伝導体１０２ａと第２の超伝導体１０２ｂとを含む。第１の超伝導体１０２ａと第２の超伝導体１０２ｂとは、重なり領域１１０を形成する領域１１０で重なっている。特に、重なり領域１１０において、第１の超伝導体１０２ａの第１の面１０６ａの第１の部分１１２ａは、第２の超伝導体１０２ｂの第２の面１０６ｂの第２の部分１１２ｂに面している。

より正確には、第１の面１０６ａは、第１の超伝導体１０２ａに含まれる第１の高温超伝導体材料１０４ａの面である。以下、第１の高温超伝導体材料１０４ａを、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの例を用いて説明する。本開示に関連して、例えば酸素ドーパントなどのドーパントの空間分布および最新技術で知られている高温超伝導体材料の空間分布など、材料の成分の空間分布が少なくとも部分的に非周期的である場合、材料は結晶質であると見なされてもよい。

第１の高温超伝導体材料１０４ａは、高温超伝導体材料の単結晶であってもよいし、高温超伝導体材料の結晶粒であってもよいし、高温超伝導体材料の結晶子であってもよい。第１の超伝導体１０２ａは、単結晶であってもよく、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａと同一であってもよく、または第１の超伝導体１０２ａは、複数の結晶粒子または結晶子を含み、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａはそれらのうちの１つであってもよい。

これに対応して、第２の面１０６ｂは、第２の超伝導体１０２ｂに含まれる第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂの面である。重なり領域１１０において、第１の面１０６ａの第１の部分１１２ａと、第２の面１０６ｂの第２の部分１１２ｂとは、距離ｄを隔てて平行に配置されている。それらの間の空間は、空隙であってもよく、または以下の図１Ｂの実施形態に関連してより詳細に説明するように、スペーサ材料によって少なくとも部分的に充填されてもよい。本発明の実施形態によれば、距離ｄは、製造方法に関連して後に詳細に説明するように、ジョセフソン接合１００の製造において調整される。

実施形態によれば、距離ｄは、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａと第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂとの間の電気的接触がトンネル接触、特に超伝導電流のためのトンネル接触であるように調整される。トンネル接触は、ジョセフソン接合１００を確立するために有益であり得る。したがって、距離ｄは、例えば化学吸着または共有結合の結合長を超えなければならない。第１の面１０６ａの第１の部分１１２ａと第２の面１０６ｂの第２の部分１１２ｂとの間のそれぞれファンデルワールス相互作用、ファンデルワールスギャップ、またはファンデルワールス距離は、トンネル接触を確立するための適切な距離ｄを提供することができる。ファンデルワールス距離は、第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂに含まれる材料に応じて、少なくとも０．２ｎｍ、少なくとも０．２５ｎｍ、少なくとも０．３ｎｍ、少なくとも０．３５ｎｍ、少なくとも０．４ｎｍ、少なくとも０．４５ｎｍ、または少なくとも０．５ｎｍに対応することができる。

図１Ｂは、一実施形態によるジョセフソン接合１００の側面図を示す。実施形態は、図１Ａのものと同様である。しかしながら、図１Ａの実施形態と比較して、第１の面１０６ａの第１の部分１１２ａと第２の面１０６ｂの第２の部分１１２ｂとの間のさらに大きな距離は、第１の面１０６ａの第１の部分１１２ａと第２の面１０６ｂの第２の部分１１２ｂとの間のスペーサ材料１１６によって達成することができる。スペーサ材料はまた、第１の面１０６ａの第１の部分１１２ａおよび第２の面１０６ｂの第２の部分１１２ｂに対する化学的不動態化として機能してもよい。典型的には、スペーサ材料は誘電体を含む。しかしながら、他の超伝導体の臨界温度がジョセフソン接合１００の動作温度未満および／またはジョセフソン接合１００の臨界温度未満である限り、半導体、金属、またはさらには別の超伝導体も同様に使用することができる。

トンネル接触を可能にする距離ｄは、典型的には最大で１０ｎｍ、特に最大で８ｎｍ、特に最大で６ｎｍ、特に最大で４ｎｍ、特に最大で３ｎｍ、特に最大で２ｎｍ、特に最大で１ｎｍである。

重なり領域１１０の十分な面積は増加し、したがって、ジョセフソン接合１００の総臨界電流を改善することができる。これに関連して、総臨界電流は、ジョセフソン接合１００が超伝導性のままである間に、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａと第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂとの間を流れることができる全体的な電流を指すことができる。対照的に、臨界電流は、重なり領域１１０の面積当たりの総臨界電流を指すことができる。ジョセフソン接合１００は、少なくとも１μｍ^２、特に少なくとも１０μｍ^２、特に少なくとも２０μｍ^２、特に少なくとも４０μｍ^２、特に少なくとも６０μｍ^２、特に少なくとも８０μｍ^２、特に少なくとも１００μｍ^２の重なり領域１１０の面積を提供することができる。結果として生じる総臨界電流の増加および改善は、計測、量子ビットおよび量子コンピューティングなどの用途における高温超伝導量子ビットの性能を改善する。あるいは、重なり領域１１０のより小さい面積が実装されてもよく、ジョセフソン接合１００のキャパシタンスの低減に有益であってもよく、これは特定の用途に有益であってもよい。

第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａは、アルミニウムまたはニオブなどの低温超伝導体の最高温度よりも高い温度で超伝導体として挙動する材料を指すことができ、その温度で低温超伝導体は超伝導体として挙動する。例えば、第１の結晶質高温超伝導体材料は、少なくとも４Ｋ、特に少なくとも８Ｋ、特に少なくとも１５Ｋ、特に少なくとも３０Ｋ、特に少なくとも５０Ｋ、特に少なくとも７０Ｋ、特に少なくとも７８Ｋの臨界温度を有することができる。

しかしながら、材料が超伝導体として挙動する臨界温度または（最高）温度は、高温超伝導体材料、特に第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａを定義するための唯一の基準でも常に必要な基準でもない。

実施形態によれば、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａは、タイプＩＩ超伝導体、および／またはｄ波対を有する超伝導体および／または例えば遷移金属酸化物もしくはカルコゲナイド中に遷移金属イオンを含む超伝導体などのｄ波超伝導体、および／または少なくとも２、３、４もしくは５つの化学元素などの複雑な化学組成を有する超伝導体、および／または例えばアルミニウムもしくはニオブなどの元素超伝導体の結晶構造とは対照的な複雑な結晶構造を有する超伝導体を指すことができる。特に、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａは、例えば、超伝導セラミック、超伝導遷移金属酸化物またはカルコゲナイド、銅酸塩超伝導体、および／またはプニクチド超伝導体などの上述の特性の一部またはさらにはすべてを示すことができる。

特に、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａは、以下ＢＳＣＣＯと呼ばれるＢｉ_２Ｓｒ_２Ｍａｙ_－１Ｃｕ_ｎＯ_{２ｎ＋４＋ｘ}の形態の化学組成を有するビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物またはそれらの混合物を含むことができ、ここでｎ＝１、２、３、４であり、ｘは正の数である。酸素ドーピングは、ＢＳＣＣＯの臨界電流および／または臨界温度を調整および／または最大化するために適用され得るｘの値を制御する。第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂは、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａについて説明したものに対応する選択からの材料を含むか、またはそれから構成されてもよい。第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａおよび第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂは、同じ材料または異なる材料を含むか、またはそれらから構成されてもよい。

限定された臨界温度、限定された臨界電流、限定された臨界磁場、および／または接合接合１００の限定された品質係数などの限定された超伝導接合特性などの最新技術における未解決の問題は、ジョセフソン接合１００および／またはジョセフソン接合１００のトンネル接合の特性が、第１の面１０６ａにおける第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａおよび第２の面１０６ｂにおける第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂ、特に第１の面１０６ａの第１の部分１１２ａおよび第２の面１０６ｂの第２の部分１１２ｂによって強く影響されるという事実に関連し得る。本明細書に提示される実施形態によるジョセフソン接合１００の主な利点は、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにおける改善された第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂに関する。第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにおける改善された第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂは、ジョセフソン接合１００の実装に有益であり得る。さらに、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにおける改善された第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂは、改善された超伝導接合特性に関連し得る。

第１および第２の面１０６ａ、１０６ｂにおける第１および第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂの強い影響は、第１の面１０６ａの第１の部分１１２ａと第２の面１０６ｂの第２の部分１１２ｂとの間の相互作用の短距離性に起因する可能性があり、これはジョセフソン接合１００を通る電流の基礎となる。実施形態によれば、ジョセフソン接合１００を通る電流はトンネル電流であってもよく、ジョセフソン接合１００はトンネル接合と呼ばれてもよい。ジョセフソン接合１００を通る電流は、典型的には、電荷担体、例えば超伝導電荷担体、および場合によっては非超伝導電荷担体によって提供され、第１の面１０６ａの第１の部分１１２ａと第２の面１０６ｂの第２の部分１１２ｂとの間に位置する。典型的には、第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂの電荷担体は、対応する面間の空間ではなく、主にそれぞれの第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂに局在する。しかしながら、対応する面間の空間内の電荷担体の小さな局在化が存在し得る。対応する面間の空間内の局在化は、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにある第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂの電荷担体の方が、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにない、または第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂからさらに離れている第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂの電荷担体よりもはるかに大きくなり得る。したがって、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにある第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂの電荷担体の方が、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにない、または第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂからさらに離れている第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂの電荷担体よりも、第１の面１０６ａの第１の部分１１２ａと第２の面１０６ｂの第２の部分１１２ｂとの間の相互作用にはるかに強い影響を及ぼし得る。その結果、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにある第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂの方が、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにない、または第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂからさらに離れている第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂよりも、第１の面１０６ａの第１の部分１１２ａと第２の面１０６ｂの第２の部分１１２ｂとの間の相互作用にはるかに強い影響を及ぼし得る。その結果、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにある第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂの方が、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにない、または第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂからさらに離れている第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂよりも、ジョセフソン接合１００および／またはジョセフソン接合１００に関連する量子力学的２準位系にはるかに強い影響を及ぼし得る。

典型的には、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにない、または第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂからさらに離れている第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂの電荷担体の寄与は、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂからの距離が増加するにつれて指数関数的に減少し、典型的には約０．１ｎｍ程度の減衰長を有する。したがって、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにおける第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂは、第１の面から６ｎｍ以内、特に第１の面から３ｎｍ以内、特に第１の面から１．５ｎｍ以内、特に第１の面から１ｎｍ以内、特に第１の面から０．５ｎｍ以内、特に第１の面から０．３ｎｍ以内の第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂを指すことができる。第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにおける対応する第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂは、ジョセフソン接合１００および／またはジョセフソン接合１００に関連する量子力学的２準位系に強い影響を及ぼし得る。

限定された超伝導特性、限定された臨界温度、限定された臨界電流、限定された臨界磁場、および／または高温超伝導体接合部の限定された品質係数などの最新技術における未解決の問題は、高温超伝導体の面における高温超伝導体材料が高温超伝導体のバルク材料とは異なり得るという事実に関連し得る。対照的に、本明細書に開示の実施形態による第１の面１０６ａにおける改善された第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａは、第１の超伝導体１０２ａおよび／または第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａに対応するバルク材料と同じ特性を有し得る。同じ特性は、例えば、同一または本質的に同一の化学組成を含み得る。特に、本質的に同一の化学組成は、酸素などの元素の周期表の第６の主族の元素の同様または同一の濃度に対応し得る。これらの元素は、ジョセフソン接合１００の製造中などに、例えば水との化学反応を特に起こしやすい。化学反応は、第１の面１０６ａにおける第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ中のこれらの元素の濃度を変更、特に低下させ得る。これらの元素の濃度は、例えば、ドーピングに関連し得るため、超伝導特性に非常に重要であり得る。ＢＳＣＣＯを含む実施形態では、ドーピングは、ＢＳＣＣＯの臨界電流および／または臨界温度を調整および／または最大化する例に関連して前述したように、パラメータｘに関連し得る。したがって、第１の超伝導体１０２ａおよび／または第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａに対応するバルク材料としての第１の面１０６ａにおける第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの同一または本質的に同一の化学組成は、ジョセフソン接合１００の超伝導特性の値および信頼性を改善することができる。

第１の超伝導体１０２ａおよび／または第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａに対応するバルク材料としての第１の面１０６ａにおける第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの同じ特性は、同じまたは同一の結晶構造をさらに含むことができる。図１Ｃに関連して詳細に説明するように、例えば第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの格子ベクトルに関連し得る、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの結晶構造および／または向きは、ジョセフソン接合１００および／またはジョセフソン接合１００に関連する量子力学的２準位系に対する制御を提供することができる。第１の超伝導体１０２ａおよび／または第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａに対応するバルク材料としての第１の面１０６ａにおける第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの同じまたは同一の結晶構造は、制御を改善し、したがって超伝導特性を改善することができる。

第１の面１０６ａにおける改善された第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａはまた、原子的に滑らかな第１の面１０６ａ、特に第１の面１０６ａの原子的に滑らかな第１の部分１１２ａを特徴とすることができる。例えば、第１の面１０６ａおよび／または第１の部分１０６ａの第１の部分１１２ａは、最大で０．３ｎｍ、特に最大で０．２ｎｍ、特に最大で０．１ｎｍ、特に最大で０．０５ｎｍの粗さを有してもよい。

面における結晶質高温超伝導体材料の改善について、第１の面１０６ａにおける第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａに関連して説明した。面における結晶質高温超伝導体材料の改善は、第２の面１０６ｂの第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂに対応して適用されてもよい。

第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａは、その結晶質に伴い、図１Ａに示すように、第１の向き１０８ａをさらに有する。第１の向き１０８ａは、第１の面１０６ａの第１の部分１１２ａに平行な平面内の矢印または線によって表されてもよい。図１Ｃは、第１の面１０６ａの面法線方向に沿っており、第１の向き１０８ａに垂直なジョセフソン接合１００の上面図を示す。第１の向き１０８ａは、例えば、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの面内格子基本格子ベクトルなどの、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの第１の一次格子ベクトル、または第１の面１０６ａ上への第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの基本格子ベクトルの投影に対応してもよい。第１の向き１０８ａは、代替的または追加的に、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの結晶ファセット、および／または第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの縁部に対応してもよい。第１の向き１０８ａは、代替的または追加的に、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの逆格子ベクトルに対応してもよい。代替的または追加的に、第１の向き１０８ａは、電子軌道１１４ａまたは第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａのブロッホ状態の結晶運動量に対応してもよい。特に、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａは、ｄ波超伝導体であってもよいし、ｄ波超伝導ギャップを有する超伝導体であってもよい。この場合、第１の向き１０８ａは、ｄ波電子スペクトル、特にｄ波節点電子スペクトル１１４ａに関連付けられてもよい。

第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂは、図１Ａおよび図１Ｃに示すように、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの第１の向き１０８ａと同様の第２の向き１０８ｂを有する。第２の向き１０８ｂは、例えば、両方ともｄ波電子スペクトルまたは格子ベクトルに対応し得るという意味で、第１の向き１０８ａと同様であってもよく、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの格子ベクトルは、第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂの格子ベクトルに対応する。例えば、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａおよび第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂの両方が層状結晶構造を有する場合、向き１０８ａ、１０８ｂはそれぞれ、それぞれの層状結晶構造の面内基本格子ベクトルに対応してもよい。第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａおよび第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂが両方ともｄ波超伝導体である場合、向き１０８ａ、１０８ｂはそれぞれ、それぞれのｄ波節点電子スペクトル１１４ａ、１１４ｂに対応してもよい。

第１の向き１０８ａおよび第２の向き１０８ｂは、それぞれ角度θまたは中間角度で構成されている（図１Ｃ参照）。角度θは、所定の角度に対応して構成される。これは、超伝導接合特性および対応する超伝導量子ビット特性を改善することができる。特に、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃにも示されているように、所定の角度は、場合によっては他の超伝導特性の少なくとも１つのより低い値を犠牲にして、臨界温度または臨界電流などの超伝導特性の少なくとも１つを最適化することができる。これを達成するために、中央の所定の角度を中心として±３°、±２°または±１°の幅を有する範囲の所定の角度が典型的には有利である。したがって、ジョセフソン接合１００の製造プロセスにおいて角度θを規定する際の精度は、最大でもその範囲の幅であるべきである。本開示のジョセフソン接合１００の製造方法によれば、±１°の精度を達成することができる。

有利には、所定の角度が選択されてもよく、第１の向き１０８ａと第２の向き１０８ｂとの間の角度θは、それに対応して、ジョセフソン接合１００およびジョセフソン接合１００を含む量子ビットの散逸を低減するように調整されてもよい。散逸の減少は、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａまたは第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂなどの結晶質材料では、電荷担体は結晶質材料によって決定される特定の伝播方向に沿ってのみ伝播する（または、移動する、進むのそれぞれ）ことができるという事実に関連してもよい。その結果、電荷担体に関連する電流は、これらの特定の伝播方向に沿ってのみ流れることができる。第１の面１０６ａにおける第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａおよび第２の面１０６ｂにおける第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂがそれぞれ結晶質材料である場合、電荷担体は、ジョセフソン接合１００および／またはトンネル接合を横切るときにその伝播（または移動、進行のそれぞれ）方向を変えなくてもよく、ジョセフソン接合１００および／またはトンネル接合を横切る担体のプロセスはトンネル電流を提供する。特に、第１の面１０６ａの第１の部分１１２ａおよび／または第２の面１０６ｂの第２の部分１１２ｂに平行な電荷担体の伝搬方向の成分は変化しなくてもよい。第１の向き１０８ａと第２の向き１０８ｂとの間の角度θが、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの伝播方向、特に第１および／または第２の部分１１２ａ、１１２ｂに平行な成分が、第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂの伝播方向、特に第１および／または第２の部分１１２ａ、１１２ｂに平行な成分と異なるように配置されている場合、第１または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂ内の電荷担体は、ジョセフソン接合１００および／またはトンネル接合を横切らずに、他方、つまり第２または第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂ、１０４ａに到達することができる。したがって、電荷担体によって支持される電流、すなわちトンネル電流が低減される。言い換えれば、対応するジョセフソン接合１００は、電流フィルタを含んでもよい。これは、適切な所定の角度で達成することができる。例えば、ＢＳＣＣＯで構成された第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａおよびＢＳＣＣＯで構成された第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂを有する実施形態では、最新技術から知られているように、適切な所定の角度は４５°である。異なる第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂに適した所定の角度は、密度汎関数理論計算などの十分に開発された電子構造計算に基づいて、または光電子分光実験または走査型トンネル顕微鏡実験からの実験データなどの実験データに基づいて選択することができる。電流フィルタは、散逸損失を抑制することができる。これにより、ジョセフソン接合１００の効率およびジョセフソン接合１００を含む量子ビットのコヒーレンス時間が改善される。

一例として、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａでは、電荷担体は、それぞれ図１Ｃの座標系１２０に従ってｘ方向に沿って伝播することができる。第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂは、第１の向き１０８ａと第２の向き１０８ｂとが角度θを有するように配向されている。第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａがＢＳＣＣＯで構成され、第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂがＢＳＣＣＯで構成される実施形態では、図１Ｃに示すように、角度θは４５°であってもよい。その結果、第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂでは、電荷担体は、図１Ｃの座標系１２０に従って、ｘ方向とｙ方向との間の対角方向に沿って伝播してもよい。実施形態によれば、第１の面１０６ａにおける第１の高温超伝導体材料１０４ａおよび第２の面１０６ｂにおける第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂは、それぞれ結晶質材料であるため、担体は、ジョセフソン接合１００を横切るときにｘ方向およびｙ方向にまたがる面内で伝搬方向を変えなくてもよい。したがって、担体は、第１の高温超伝導体材料１０４ａおよび／または第２の高温超伝導体材料１０４ｂの間を移動しない可能性がある。したがって、担体は、ジョセフソン接合１００の電流および／またはトンネル電流に寄与しない可能性がある。言い換えれば、担体がフィルタリングされ、電流フィルタが確立される。その結果、そうでなければ電荷担体および／またはそのトンネル電流の伝播に関連し得る散逸が抑制される。特に、角度θ＝０であり、電荷担体がジョセフソン接合１００を横切ることができる他の点では同様の実施形態と比較して、ジョセフソン接合１００の散逸の低減が達成される。散逸の減少は、高温超伝導量子ビットのコヒーレンス時間を改善することができる。

伝搬方向を保存し、電流フィルタを確立するためには、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにおける第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂの高い結晶品質が有益である。前述のように、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにある第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂの方が、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにない、または第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂからさらに離れている第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂよりも、ジョセフソン接合１００および／またはジョセフソン接合１００のトンネル接合にはるかに強い影響を及ぼす。第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにおける第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂの一部またはすべてが非結晶質である場合、ジョセフソン接合および／またはトンネル接合における伝搬方向が保存されない可能性があり、および／または電流フィルタが確立されない可能性があり、および／または散逸の低減が達成されない可能性がある。

第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂが層状結晶構造を有する実施形態では、第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂの層状結晶構造の層に対する面外基本格子ベクトルの方向は、ｃ軸、特に層状結晶構造の層に対する面外基本格子ベクトルと呼ぶことができる。あるいは、ｃ軸は、第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂの非等方性、例えば非立方格子の異なる方向を指すことができる。ｃ軸を有する実施形態では、第１の部分１１２ａおよび／または第２の部分１１２ｂの面法線は、典型的にはｃ軸に対応してもよい。また、伝搬方向は、層状結晶構造の層内であってもよい。代替的または追加的に、伝播方向はｃ軸に垂直であってもよい。そのような実施形態では、ジョセフソン接合１００の電流および／またはトンネル電流は、典型的にはｃ軸に沿って流れることができ、ｃ軸電流および／またはｃ軸トンネル電流と呼ばれる。そのような実施形態では、所定の角度は、ｃ軸電流および／またはｃ軸トンネル電流に関連する低減された散逸のために選択され得る。

ｃ軸トンネリングは、例えば、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａがＢＳＣＣＯで構成され、第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂがＢＳＣＣＯで構成される実施形態で発生し得る。ＢＳＣＣＯの第１の面内格子ベクトルおよびＢＳＣＣＯの第２の面内格子ベクトルは、９０°の角度にまたがる。ＢＳＣＣＯに関連する伝播方向は、ＢＳＣＣＯの層状結晶構造の層に沿っており、ＢＳＣＣＯの第１および第２の面内格子ベクトルに関連する。その結果、そのような実施形態では、伝播方向は９０°ごとに周期的に発生する。第１の向き１０８ａは、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの伝搬方向に対応してもよく、第２の向き１０８ｂは、第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂの伝搬方向に対応してもよい。そのような実施形態における第１の向き１０８ａと第２の向き１０８ｂとの間の所定の角度および／または４５°の角度θは、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａおよび第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂの伝播方向の最大のミスアラインメントに対応することができる。最大のミスアラインメントは、低減された散逸を改善することができる。したがって、ブラベ格子、第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの結晶系および／または結晶構造に従って、ＢＳＣＣＯ以外の第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの伝播方向および／または所定の角度を特定することができる。特に、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａおよび第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂの伝搬方向の最大のミスアラインメントのための所定の角度が特定されてもよい。例えば、第１および第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂが同じブラベ格子、結晶系および／または結晶構造を有する結晶質材料を含む場合、伝播方向の最大のアラインメントのための所定の角度は、同じブラベ格子、結晶系および／または結晶構造の第１の格子ベクトルと第２の格子ベクトルとの間の角度の半分（±１０％、特に±５％）に対応してもよい。

図２Ａは、ジョセフソン１００を含む高温超伝導量子ビットのための量子ビット素子を製造するための一実施形態による装置２００を示し、図２Ｂは、一実施形態による対応する方法２３０のフロー図を示す。

図２Ａに示すように、ジョセフソン接合１００を製造するための装置２００は、制御された雰囲気を提供する格納容器２０２を含む。これは、典型的には、窒素、アルゴン、または別の不活性および／または希ガスを含む不活性ガス雰囲気などの不活性ガス雰囲気であり得る。しかしながら、制御された雰囲気は真空を含むこともできる。一実施形態によれば、格納容器２０２はグローブボックス２０２である。格納容器２０２内で、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａおよび／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂを含み得る超伝導体材料２０４は、ステージ２０６上に配置され、特に超伝導体材料２０４に並進および回転の自由度を提供することができる。この目的のために、少なくとも１つのモータ２０８がステージに結合される。さらに、温度制御システム２１０が、超伝導体材料２０４および／またはステージ２０６に結合されている。特に、温度制御システム２１０は、極低温および／または室温未満であり得る超伝導体材料２０４のサンプル温度を提供するための冷却システムを含むことができる。少なくとも１つのモータ２０８および温度制御システム２１０は、図２Ａでは１つの一体型システム２０８、２１０として示されているが、２つの別個のシステムとして実現されてもよい。超伝導体材料２０４の位置を特定するための光学技術は、顕微鏡２１２によって提供される。顕微鏡２１２には、カメラ２１４が接続されている。装置２００は、少なくとも１つのモータと同様であってもよい少なくとも１つのマニピュレータモータ２１８を有するマニピュレータ２１６と、温度制御システムと同様であってもよいマニピュレータ温度制御システム２２０とをさらに含む。カメラは、格納容器２０２の外側に配置されてもよい電子制御システム２２４に接続されている。電子制御システム２２４は、プロセッサまたはメモリなどの１つまたは複数のコンピュータ構成要素を含んでもよい。電子制御システム２２４は、例えばカメラ２１４から光学技術に関連する画像を取得し、任意選択で記録するように適合される。電子制御システム２２４は、少なくとも１つのモータ２０８の位置を取得および／または記録し、および／または少なくとも１つのモータ２０８の設定点位置を設定するようにさらに適合される。電子制御システム２２４は、少なくとも１つのマニピュレータモータ２１８のマニピュレータ位置を取得および／または記録し、および／または少なくとも１つのマニピュレータモータ２１８の設定点マニピュレータ位置を設定するようにさらに適合される。さらに、電子制御システム２２４は、温度制御システム２１０から温度を取得し、および／または温度制御システム２１０の設定点温度を設定するように適合される。さらに、電子制御システム２２４は、マニピュレータ温度制御システム２２０からマニピュレータ温度を取得し、および／またはマニピュレータ温度制御システム２２０のマニピュレータ設定点温度を設定するように適合される。特に、電子制御システムは、特にカメラ２１４から得られた画像に応じて、少なくとも１つのモータ２０８の設定点位置、温度制御システム２１０の設定点温度、少なくとも１つのマニピュレータモータ２１８の設定点マニピュレータモータ位置、マニピュレータ温度制御システム２２０のマニピュレータ設定点温度を、少なくとも１つのモータ２０８の位置、マニピュレータ温度制御システム２２０のマニピュレータ温度、少なくとも１つのマニピュレータモータ２１８のマニピュレータ位置、および／またはマニピュレータ温度制御システム２２０からのマニピュレータ温度にそれぞれ自動的に調整するように適合されてもよい。装置２００は、例えば金などの伝導性および／または金属材料を堆積させるための蒸発器システム２２２をさらに含む。ステージ２０６と蒸発器システム２２２との間の移動は、ロボット式および／または自動化することができる。図２Ａによれば、少なくとも１つのモータ２０８、温度制御システム２１０、顕微鏡２１２、カメラ２１４、少なくとも１つのマニピュレータモータ２１８、およびマニピュレータ温度制御システム２２０は、格納容器２０２の内部に配置される。しかしながら、これらの構成要素はいずれも、少なくとも部分的に格納容器の外側に配置され、最新技術から知られている手段によって格納容器２０２の内側の対応する対応物に結合されてもよい。さらに、蒸発器システム２２２は、ステージ２０６と同じ格納容器２０２に配置されてもよく、または制御された雰囲気を介して格納容器２０２と別個の格納容器との間で移動させるための手段を備えて、別個の格納容器に配置されてもよい。

図２Ｂは、ジョセフソン接合１００を製造するための方法２３０を示す。方法は、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの第１の面１０６ａを形成するステップ２４０と、第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂの第２の面１０６ｂを形成するステップ２５０と、重なり領域１１０を形成するために第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂを配置するステップ２６０とを含む。

プロセスステップ２４０、２５０、２６０のいずれかまたはすべては、第１の面１０６ａの温度および／または第２の面１０６ｂの温度を極低温、例えば環境温度未満の温度、または例えば２５０Ｋ未満、２３０Ｋ未満、特に２１０Ｋ未満、特に１９０Ｋ未満、特に１７０Ｋ未満、特に１５０Ｋ未満の温度に冷却するステップ２３２を含んでもよい。

典型的には、第１の面１０６ａは、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａなどの結晶質材料を含む超伝導体材料２０４を劈開することによって形成される。劈開は、典型的には、ステージ２０６および／またはマニピュレータ２１６を移動させることによって行われる。例えば、超伝導体材料２０４が層状結晶構造を有する場合、接着剤が超伝導体材料２０４をステージに固定し、接着剤が超伝導体材料２０４とマニピュレータ２１６との間の接合部を形成してもよい。接合部は、マニピュレータ温度を接着剤の溶融温度より低い温度および高い温度に制御することによって形成および解放することができる。特に、マニピュレータ温度が接着剤の溶融温度より高く、接着剤が溶融すると、接合が解放され得る。溶融した接着剤が超伝導体材料２０４およびマニピュレータ２１６と接触している間に、マニピュレータ温度が接着剤の溶融温度より低い温度まで低下すると、接合部が固定され得る。

一実施形態によれば、接合部が固定されている間にステージ２０６および／またはマニピュレータ２１６を移動させることは、超伝導体材料２０４を第１の超伝導体１００ａと第２の超伝導体１００ｂとに分離するために使用され得る。超伝導体材料２０４が層状結晶構造を有する場合、分離は、リード結晶構造の２つの層の間で発生し、典型的には劈開の瞬間に整列するそれぞれの向き１０８ａ、１０８ｂで第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂを露出させる。層状結晶構造を有する材料に限定されない多数の材料、例えば超伝導体、高温超伝導体、例えばＢＳＣＣＯ、酸化物、および／またはカルコゲナイドのための劈開手順が開発されており、ステージ２０６およびマニピュレータ２１６を使用して様々な既知の劈開手順を適用することができる。上述の実施形態のように、劈開ステップが１回のみ適用される場合、第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂは同時に生成される。しかしながら、例えば、第１の面１０６ａを生成するための第１の劈開ステップと、第２の面１０６ｂを生成するための第２の劈開ステップとを適用することによって、第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂを連続的に生成することができる。第２の劈開ステップは、超伝導体材料２０４とは異なる第２の超伝導体材料に適用されてもよい。したがって、第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂは、劈開直後に異なる化学組成および／または異なる結晶構造および／または異なる向きを有してもよい。

また、劈開ステップ後の第１の超伝導体１０２ａおよび／または第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの厚さは、所定の厚さの劈開ステップで生成される第１の超伝導体１０２ａおよび／または第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａを選定することで制御してもよい。例えば、第１の超伝導体１０２ａおよび／または第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの厚さは、光学技術を使用して、例えば、第１の超伝導体１０２ａおよび／または第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａに関連する光吸収または光消光に従って、および／または第１の超伝導体１０２ａおよび／または第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの光干渉効果に関連する見かけの色などの光干渉特性に従って特定することができる。特に、第１の超伝導体１０２ａおよび／または第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの厚さは、顕微鏡２１２、カメラ２１４、および電子制御システム２２４を使用して自動的に識別および／または制御することができる。第２の超伝導体１０２ｂおよび／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂの厚さも同様に制御することができる。

第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂを形成した後、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂは、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂに隣接する雰囲気に曝される。これは、露出された第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂの特性の変化に関連する問題を引き起こすことがある。特に、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂの温度が室温に近づくと、例えば２５０Ｋを超えると、方法２３０で製造されたジョセフソン接合１００の超伝導特性が低下する可能性がある。有利には、本開示による方法は、露出された第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂの温度を冷却することによって変化を制御するステップを含んでもよい。冷却は、露出された第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂの変化を最小限に抑える。

製造プロセスは、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂに隣接する雰囲気、すなわち格納容器２０２内の雰囲気に対する制御を提供することによってさらに改善され得る。露出面に隣接する雰囲気の水分圧が０．０１Ｐａを超えると、方法２３０で製造されジョセフソン接合１００の超伝導特性が低下する可能性がある。さらに、大気中に有機溶媒が存在すると、方法２３０で製造されたジョセフソン接合１００の超伝導特性が低下する可能性がある。

第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａと第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂとの間にジョセフソン接合１００を実装するためには、２５０Ｋ未満の試料温度、０．０１Ｐａ未満の露出面に隣接する雰囲気中の水の分圧、および露出面に隣接する雰囲気中に有機溶媒が存在しないことが有益であることが証明されている。

同じ目的のために、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂが露出される時間間隔を短く、例えば最大で１５分、特に最大で１０分、特に最大で８分、特に最大で４分、特に最大で３分、特に最大で２分、特に最大で１分保つことは有益であることが証明されている。

重なり領域１１０を形成するように第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂを配置するステップ２６０は、所定の角度に対応する角度θを形成するように第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂの向き１０８ａ、１０８ｂを配置するステップを含んでもよい。第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂが単一の劈開プロセスで単一の超伝導体材料２０４から形成される場合、これは、回転の総量が所定の角度に対応するように、第１の面１０６ａおよび／または第２の面１０６ｂを回転させることによって達成され得る。例えば、第１の面１０６ａが、ステージ２０６およびマニピュレータ２１６で劈開した後にステージ２０６上に残っている超伝導体材料２０４の一部の面であり、第２の面１０６ｂが、劈開プロセス後にマニピュレータ２１６に接着している超伝導体材料２０４の一部の面である実施形態では、ステージ２０６を所定の角度に応じて回転させることによって角度を構成することができる。第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂが連続的に、および／または第１の劈開ステップおよび第２の劈開ステップで生成される、および／または超伝導体材料２０４から、および超伝導体材料２０４とは異なる第２の超伝導体材料から生成される場合、追加のプロセスステップを適用して、所定の角度に従って第１の向き１０８ａと第２の向き１０８ｂとの間の角度を調整することができる。

例えば、第１の向き１０８ａは、Ｘ線回折実験または電子回折実験などの回折実験から、第１の格子ベクトル、特に第１の面内格子ベクトルに関して決定されてもよい。したがって、第２の向き１０８ｂは、Ｘ線回折実験または電子回折実験などの回折実験から、第２の格子ベクトル、特に第２の面内格子ベクトルに関して決定されてもよい。第１の向き１０８ａおよび第２の向き１０８ｂは、第１の劈開ステップおよび／または第２の劈開ステップの前に決定されてもよい。超伝導体材料２０４および第２の超伝導体材料は、第１の劈開ステップおよび第２の劈開ステップの前に所定の角度に従って整列させることができ、これにより、第１の劈開ステップおよび／または第２の劈開ステップの後に第１の面１０６ａおよび／または第２の面１０６ｂを回転させることを回避することができ、したがって、第１の面１０６ａおよび／または第２の面１０６ｂが露出する時間間隔を短縮することができる。あるいは、超伝導体材料２０４および第２の超伝導体材料は、第１の劈開ステップおよび／または第２の劈開ステップの前に共通の出発超伝導体材料から形成されてもよい。この場合、第１の向き１０８ａと第２の向き１０８ｂとの間の角度は、第１の面１０６ａを形成する前および／または第２の面１０６ｂを形成する前に、超伝導体材料２０４ａと第２の超伝導体材料とを互いに対して回転させることによって画定されてもよい。

重なり領域１１０を形成するように第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂを配置するステップ２６０は、第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂを距離ｄに配置するステップをさらに含んでもよい。これは、第２の面１０６ｂを形成２５０した後にマニピュレータ２１６に付着し得る第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂの第２の面１０６ｂを、ステージ２０６上に配置され得る第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａの第１の面１０６ａ上に押し付けることによって達成され得る。第２の面１０６ｂを第１の面１０６ａに押し付ける圧力および／または持続時間を用いて、第１の面１０６ａと第２の面１０６ｂとの間の距離ｄを調整してもよい。第２の面１０６ｂを第１の面１０６ａに押し付ける前に、ステージ２０６および／またはマニピュレータ２１６を平行移動させることにより、第１の面１０６ａおよび／または第２の面１０６ｂの互いに対する位置を調整してもよい。このようにして、重なり領域１１０の面積を調整することができる。

蒸発器システム２２２は、第１の超伝導体１０２ａおよび／または第２の超伝導体１０２ｂへの電気的接触を画定するために適用されてもよい。接点は、第１の面１０６ａおよび／または第２の面１０６ｂを形成する前に、例えば、重なり領域１１０を形成するために第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂを配置２３０するプロセスステップなどにおいて、第１の超伝導体１０２ａおよび／または第２の超伝導体１０２ｂが後で配置される基板上に画定されてもよい。あるいは、接点は、重なり領域１１０を形成するために第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂを配置２３０した後に画定されてもよい。後者の場合、重なり領域１１０を形成するために第１の面１０６ｂおよび第２の面１０６ｂを配置２３０した後に、ステンシルマスクなどのマスクを第１の超伝導体１０２ａおよび／または第２の超伝導体１０２ｂの上に配置してもよい。マニピュレータ２１６および顕微鏡２１２を使用してマスクを配置することができる。その後、マスクを有するジョセフソン接合１００が蒸発器システム２２２に移動され、マスクの少なくとも１つの開口部に従って金などの伝導性および／または金属材料が堆積される。実施形態によれば、接点の一部は、第１の面１０６ａおよび／または第２の面１０６ｂを形成するステップ２４０、２５０の前に画定され、接点の一部は、重なり領域１１０を形成するために第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂを配置するステップ２６０の後に画定される。特に、第１の超伝導体１０２ａへの接触は、第１の面１０６ａおよび／または第２の面１０６ｂを形成２４０、２５０する前に画定されてもよく、第２の超伝導体１０２ｂへの接点は、重なり領域１１０を形成するために第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂを配置２６０した後に画定されてもよい。そのような実施形態では、例えば図１Ｃのｚ軸に対応するｚ軸に関して、第１の超伝導体１０２ａへの接点は第１の超伝導体１０２ａの下にあってもよく、第２の超伝導体１０２ｂへの接点は第２の超伝導体１０２ｂの上にあってもよい。

図３Ａは、一実施形態によるジョセフソン接合１００の電流－電圧特性を示す。図３Ｂは、同様の実施形態によるジョセフソン接合１００の電流－電圧特性を示す。図３Ｃは、図３Ｂの実施形態によるジョセフソン接合の電流－電圧特性を示すが、ジョセフソン接合の温度が異なる。

図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃの実施形態によれば、第１の超伝導体１０２ａおよび第２の超伝導体１０２ｂは、いずれもｎ＝０の単結晶ＢＳＳＣＯである。ＢＳＳＣＯは、層状の結晶構造を有し、ＢＳＣＣＯのｃ軸は、第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂに対して垂直に配置されている。したがって、第１の向き１０８ａおよび第２の向き１０８ｂは、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａおよび第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂの面内格子ベクトルに関連する。ＢＳＣＣＯは、ｄ波超伝導体である。したがって、第１の向き１０８ａおよび第２の向き１０８ｂは、第１のｄ波節点電子スペクトル１１４ａおよび第２のｄ波節点電子スペクトル１１４ｂにも関連する。図３Ａの実施形態は、その角度がθ＝０という点で、角度θ＝４５°である図３Ｂおよび図３Ｃの実施形態と異なる。

図３Ａの実施形態によるジョセフソン接合１００は、単結晶ＢＳＳＣＯ超伝導体材料２０４を劈開することによって、すなわち、ステージ２０６上の単結晶ＢＳＳＣＯ超伝導体材料２０４に接着剤でマニピュレータ２１６を取り付け、マニピュレータ２１６を持ち上げて第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂを生成することによって製造された。次いで、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂのいずれも回転させることなく、マニピュレータ２１６を下方に移動させて、第２の面１０６ｂを第１の面１０６ａに押し付け、重なり領域１１０を生成した。この距離は、ＢＳＣＣＯのファンデルワールスギャップに相当する。全手順の間、ＢＳＣＣＯ材料を極低温に保ち、グローブボックス２０２内の雰囲気を０．０１Ｐａ未満の水の分圧に保ち、有機溶媒を含まなかった。第１の超伝導体１０２ａとの金属接点は、第１の超伝導体１０２ａの下の基板上の金属リードとして実現された。第２の面１０６ｂを第１の面１０６ａに押し付けて重なり領域１１０を生成した後、蒸発器２２２を使用して第２の超伝導体１０２ｂへの金属接点を堆積させた。ジョセフソン接合１００の電圧、したがって抵抗が消失する図３Ａの最大電流である接合部の臨界電流は、ＢＳＣＣＯのバルク臨界電流と同様であり、１２４０Ａ／ｃｍ^２になる。言い換えれば、図３Ａの実施形態によるジョセフソン接合１００は、バルクＢＳＣＣＯと同様である。これは、第１の面１０６ａにおける第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａが製造プロセスで変化せず、バルクＢＳＣＣＯ、すなわち第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａに対応するバルク材料と同様または同一であることを示している。第２の面１０６ｂにおける第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂについても同様である。これは、バルクＢＳＣＣＯの臨界温度、すなわち、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａに対応するバルク材料と同様の、図３Ａの実施形態によるジョセフソン接合１００の臨界温度にも反映される。特に、この説明によるジョセフソン接合１００は、第１および第２の超伝導体１０２ａ、１０２ｂがｎ＝２のＢＳＣＣＯから形成される実施形態に対して８５Ｋの臨界温度を確実に提供することができる。ｎ＝２のバルクＢＳＣＣＯの臨界温度は、９６Ｋに達する。

したがって、本開示によるジョセフソン接合１００は、高温超伝導体接合の臨界温度が、高温超伝導体接合に対応するバルク材料の臨界温度よりも著しく低いという最新技術の問題を克服することができる。特に、最新技術によるジョセフソン接合のより低い臨界温度は、ジョセフソン接合を形成する面における高温超伝導体材料の低下した臨界温度に関連し得る。

図３Ｂは、図３Ａと同様の実施形態によるジョセフソン接合の電流－電圧特性を示す。しかしながら、この実施形態によれば、マニピュレータ２１６を持ち上げて第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂを生成することと、マニピュレータ２１６を下方に移動させて第２の面１０６ｂを第１の面１０６ａ上に押し付けることとの間に、第１の面１０６ａおよび／またはそれが位置するステージ２０６は、それぞれ４５°回転されている。これにより、第１の向き１０８ａと第２の向き１０８ｂとの間の角度θは、それぞれ４５°の値に調整される。本実施形態によるジョセフソン接合１００は、図３Ａの実施形態によるジョセフソン接合１００よりも著しく低い臨界電流を示す。両方の実施形態は、製造プロセスにおいて同じ温度および雰囲気を適用して製造されている。したがって、図３Ｂによる実施形態では、図３Ａによる実施形態と同様に、第１および／または第２の面１０６ａ、１０６ｂにおける第１および／または第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ａ、１０４ｂは、製造プロセスで変更されず、バルクＢＳＣＣＯと同様または同一である。図３Ｂの実施形態によるジョセフソン接合１００の著しく低い臨界電流は、４５°の角度θならびに図１Ｂおよび図１Ｃに関連して上述した結果として生じる電流フィルタに関連する。したがって、ジョセフソン接合１００の散逸を低減することができる。これは、高温超伝導体接合の臨界電流は角度θに依存せず、その結果、電流フィルタおよび／または対応する低減された散逸が実装されていない最新技術を超える別の改善である。

図３Ｃは、ジョセフソン接合１００の温度が異なる図３Ｂの実施形態によるジョセフソン接合１００の電流－電圧特性を示す。各温度について、臨界電流Ｉ_ｃにおいて、測定された電圧に不連続点が発生する。不連続点における電圧差は、ジョセフソン接合１００の温度に依存する。特に、電圧差は、ジョセフソン接合１００の温度に対して指数関数的な依存性を示す。指数関数的依存性は、ジョセフソン接合に特徴的である。したがって、図３Ｃの電流電圧特性は、本開示によるジョセフソン接合１００が、第１の結晶質高温超伝導体材料１０４ａと第２の結晶質高温超伝導体材料１０４ｂとの間にジョセフソン接合を含むことを実証している。これは、高温超伝導体接合のジョセフソン接合が実装されていない最新技術に対する別の改善である。

図４Ａは、本開示によるジョセフソン接合１００を含む量子ビット系（量子ビット素子）の構成要素を示し、図４Ｂは、対応する回路図４３０を示す。同様の要素は同様の参照符号を有する。ジョセフソン接合１００に加えて、量子ビット系の構成要素は、インダクタンスループ４００を含む。インダクタンスループ４００は、ギャップを有する円形または楕円形のリング４１０を含む。追加のインダクタンス４２０は、追加のジョセフソン接合として実装されてもよい。円形または楕円形のリングならびに追加のインダクタンスは、ニオブまたはアルミニウムなどの低温超伝導体、または高温超伝導体であってもよい超伝導体を含むことができる。

量子ビット系の構成要素は、ギャップ４１０および追加のインダクタンス４２０を有する円形または楕円形のリングを有するインダクタンスループ４００を最初に製造することによって形成することができる。インダクタンスループは、最新技術からの確立された技術を使用して形成される。続いて、円形または楕円形のリング４１０のギャップにジョセフソン接合１００を配置する。ジョセフソン接合１００は、インダクタンスループに容量結合されてもよい。あるいは、図５Ａおよび図５Ｂに関連してより詳細に説明するように、伝導性接点要素をコンダクタンスループ４００とジョセフソン接合１００との間に形成して、低抵抗での信頼性の高い電気接続を確実にすることができる。

図４Ｂに示す対応する回路図４３０では、ジョセフソン接合１００’、およびギャップを有する円形または楕円形のリング４１０’を有するインダクタンスループ４００’、ならびに追加のインダクタンス４２０’などの要素は、インダクタンス１０２’、４１２’、４２２’、および４２６’ならびにキャパシタンス１０４’、４１４’、４２４’、および４２８’によって表される。量子ビット系とは、量子情報処理に適した量子力学的２準位系を意味する。図４Ｂの回路図は、ジョセフソン接合１００を含む閉回路を提供する。本開示のジョセフソン接合１００に関連して、量子ビットは、ジョセフソン接合１００を通る超伝導電流の振幅、ジョセフソン接合１００を通る超伝導電流の位相、または振幅と位相との組み合わせとして実装されてもよい。あるいは、量子ビットは、ジョセフソン接合１００の電荷の振幅、電荷の位相、または振幅と位相との組み合わせとして実装されてもよい。

図５Ａは、図４Ａの量子ビット系の構成要素の部分５００の断面を示す。量子ビット系の構成要素の上面図を図５Ｂに示す。接点要素５０２ａ、５０２ｂは、ジョセフソン接合１００上に配置される。接点要素５０２ａ、５０２ｂは、ジョセフソン接合１００の位置決め後に、伝導性材料、例えば金を量子ビット系の構成要素上に堆積させることによって形成されてもよい。いくつかの実施形態によればアルミニウムまたはニオブを含み得る、ギャップを有する円形または楕円形のリング４１０の材料は、任意選択的に、接点要素５０２ａ、５０２ｂとギャップを有する円形または楕円形のリング４１０との間の電気的接触をさらに改善するために、接点要素５０２ａ、５０２ｂの上に堆積されてもよい。さらに、平坦化層５０４は、第１の面１０６ａおよび第２の面１０６ｂの平行度を改善する、または距離ｄの変動を低減するそれぞれのために、量子ビット系の構成要素、特に重なり領域１１０の平坦性を改善するために、ジョセフソン接合１００の位置決めの前にインダクタンスループ４００の基板上に位置決めされてもよい。

図６Ａは、ジョセフソン接合１００を含む量子ビット系６００を示す。図６Ｂは、対応する回路図である。図５Ａの量子ビット系の構成要素に加えて、量子ビット系６００は、ジョセフソン接合１００に結合されたマイクロ波共振器６１０を含む。マイクロ波共振器６１０は、高温超伝導体材料または低温超伝導体材料を含むことができる。特に、マイクロ波共振器６１０は、ギャップおよび／またはインダクタンスループ４００を有する円形または楕円形のリング４１０と同じ材料で構成することができる。マイクロ波共振器６１０は、４分の１波マイクロ波共振器であってもよい。マイクロ波共振器６１０は、マイクロ波放射のためのアンテナとして作用するように適合され、および／またはマイクロ波周波数範囲の共振周波数を有する。それは、典型的には、互いに平行な２本の導線を含む。マイクロ波共振器６１０は、空間６０８を介して量子ビット系の構成要素に容量結合される。さらに、少なくとも１つの抵抗器６０４は、読み出し信号６０２を生成するための空間６０６を介してマイクロ波共振器６１０に容量結合される。量子ビット系６００に対応する図６Ｂの回路図では、対応する要素を示すために、図５Ａおよび図６Ａのものと同様の符号が使用される。インダクタンスループ４００のインダクタンス４０２’は総インダクタンスを表し、これは、図４Ｂのギャップおよび追加のインダクタンス４２０’を有する円形または楕円形のリング４１０’の総インダクタンスに対応することができる。図４Ａの量子ビット系の構成要素に対応する図４Ｂの回路図４３０の要素に加えて、図６Ｂの回路図は、マイクロ波共振器に対応する要素６１０’と、マイクロ波共振器６１０と量子ビット系の構成要素との間の結合を媒介するコンデンサに対応する要素６０８’と、少なくとも１つの抵抗器６０４を表す要素６０４’と、マイクロ波共振器６１０と少なくとも１つの抵抗器６０４との間の結合を媒介するキャパシタンス６０６’とを含む。

図６Ｂにおいて、Φ_ｅｘｔはインダクタンスループ４００を通る磁場を表す。特に低温超伝導体に基づくジョセフソン接合を有する従来の量子ビット系では、インダクタンスループを通る磁場は、通常、動作モードに従って適用される。対照的に、説明によるジョセフソン接合１００を有する量子ビット系６００は、本質的にゼロのインダクタンスループ４００を通る磁場Φ_ｅｘｔで動作することができるフルキソニウム量子ビット、すなわちπフルキソニウム量子ビットを実装する。したがって、磁場の生成および／または制御に関連する追加の機器は必要とされない。さらに、説明による量子ビット系６００は、磁場Φ_ｅｘｔの変化および／または変動に対する感度を低減することができ、これは、従来の量子ビット系、特に動作モードに従って磁場が適用される従来の量子ビット系の動作に影響を及ぼす可能性がある。

実施形態および図面の説明は、単に本開示の技術および利点を説明するのに役立つにすぎず、限定を意味すると解釈されるべきではない。本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲から決定されるべきである。

Claims (15)

1. 高温超伝導量子ビットであって、
   第１の超伝導体（１０２ａ）であって、
   第１の層状構造、第１の面（１０６ａ）、前記第１の層状構造の層に平行である第１の一次格子ベクトル、および前記第１の面（１０６ａ）上への前記第１の一次格子ベクトルの投影に関連付けられた第１の向き（１０８ａ）を含む第１の高温超伝導体材料（１０４ａ）を含む、第１の超伝導体（１０２ａ）と、
   第２の超伝導体（１０２ｂ）であって、
   第２の層状構造、第２の面（１０６ｂ）、前記第２の層状構造の層に平行である第２の一次格子ベクトル、および前記第２の面（１０６ｂ）上への前記第２の一次格子ベクトルの投影に関連付けられた第２の向き（１０８ｂ）を含む第２の高温超伝導体材料（１０４ｂ）を含む、第２の超伝導体（１０２ｂ）と、
   重なり領域（１１０）であって、前記重なり領域（１１０）内で、前記第１の面（１０６ａ）の少なくとも第１の部分（１１２ａ）と前記第２の面（１０６ｂ）の少なくとも第２の部分（１１２ｂ）とが重なり、前記第１の面（１０６ａ）の前記第１の部分（１１２ａ）は、前記第２の面（１０６ｂ）の前記第２の部分（１１２ｂ）に面し、前記第１の部分（１１２ａ）および前記第２の部分（１１２ｂ）は、所定の距離に対応する距離（ｄ）で平行に配置され、前記第１の向き（１０８ａ）および前記第２の向き（１０８ｂ）は、所定の角度に対応する角度（θ）で配置される、重なり領域（１１０）と、を含み、
   前記第１の層状構造の層は、前記第１の面（１０６ａ）の前記第１の部分に平行であり、
   前記第２の層状構造の層は、前記第２の面（１０６ｂ）の前記第２の部分に平行であり、
   前記高温超伝導量子ビットが、前記第１の高温超伝導体材料（１０４ａ）と前記第２の高温超伝導体材料（１０４ｂ）との間にジョセフソン接合（１００）を含み、前記ジョセフソン接合（１００）が、前記高温超伝導量子ビットの量子力学的２準位系を提供するように適合されていることを特徴とする、高温超伝導量子ビット。
2. 前記ジョセフソン接合（１００）に結合されたインダクタンスループをさらに含み、前記ジョセフソン接合（１００）は、ゼロ磁場、および２００ＧＨｚ未満の低周波数で前記高温超伝導量子ビットの仕事を提供するように適合され、したがって周囲雑音に対する量子ビット感度を低下させる、請求項１に記載の高温超伝導量子ビット。
3. 前記第１の高温超伝導体材料および前記第２の高温超伝導体材料はｄ波超伝導体である、請求項１に記載の高温超伝導量子ビット。
4. 前記第１の面（１０６ａ）における前記第１の高温超伝導体材料（１０４ａ）は、前記第１の超伝導体（１０２ａ）に対応する第１のバルク材料に対応する、請求項１に記載の高温超伝導量子ビット。
5. 前記第１の超伝導体（１０２ａ）に対応する第１のバルク材料の臨界電流に対する前記ジョセフソン接合（１００）の臨界電流は、少なくとも３％である、請求項１に記載の高温超伝導量子ビット。
6. 前記第１の超伝導体（１０２ａ）に対応する第１のバルク材料の臨界温度に対する前記ジョセフソン接合（１００）の臨界温度は、少なくとも５％である、請求項１に記載の高温超伝導量子ビット。
7. 前記距離（ｄ）の変動は、最大で０．１ｎｍである、請求項１に記載の高温超伝導量子ビット。
8. 前記第１の超伝導体（１０２ａ）と前記第２の超伝導体（１０２ｂ）との間にスペーサ材料（１１６）をさらに含む、請求項１に記載の高温超伝導量子ビット。
9. 前記所定の角度は、前記第１の高温超伝導体材料（１０４ａ）の第１の軌道（１１４ａ）と前記第２の高温超伝導体材料（１０４ｂ）の第２の軌道（１１４ｂ）との間の角度に対応する、請求項１に記載の高温超伝導量子ビット。
10. 前記第１の高温超伝導体材料（１０４ａ）は、前記第１の層状構造を備えて異方性であり、前記第１の層状構造の層は、前記第１の面（１０６ａ）の前記第１の部分（１１２ａ）に平行である、請求項１に記載の高温超伝導量子ビット。
11. 前記第１の高温超伝導体材料（１０４ａ）はＢＳＣＣＯである、請求項１から１０のいずれか一項に記載の高温超伝導量子ビット。
12. 前記量子力学的２準位系の制御に適合したマイクロ波信号のためのアンテナとして作用するように適合されたマイクロ波共振器（６１０）であって、前記ジョセフソン接合（１００）および前記インダクタンスループ（４００）に結合され、前記マイクロ波信号を前記量子力学的２準位系に結合するように適合された、マイクロ波共振器と、
    前記マイクロ波共振器（６１０）に結合された少なくとも１つの抵抗器（６０４）であって、前記量子力学的２準位系に関連する制御信号（６０２）を提供するように適合された、少なくとも１つの抵抗器（６０４）と、をさらに備える、
    請求項２に記載の高温超伝導量子ビット（６００）。
13. 高温超伝導量子ビットのための量子ビット素子を製造するための方法（２３０）であって、
    第１の超伝導体（１０２ａ）の第１の高温超伝導体材料（１０４ａ）の第１の面（１０６ａ）を形成するステップ（２４０）であって、前記第１の高温超伝導体材料（１０４ａ）は、第１の一次格子ベクトル、および前記第１の面（１０６ａ）上への前記第１の一次格子ベクトルの投影に関連付けられた第１の向き（１０８ａ）を含む、ステップと、
    第２の超伝導体（１０２ｂ）の第２の高温超伝導体材料（１０４ｂ）の第２の面（１０６ｂ）を形成するステップ（２５０）であって、前記第２の高温超伝導体材料（１０４ｂ）は、第２の一次格子ベクトル、および前記第２の面（１０６ｂ）上への前記第２の一次格子ベクトルの投影に関連付けられた第２の向き（１０８ｂ）を含む、ステップと、
    重なり領域（１１０）を形成するように前記第１の面（１０６ａ）および前記第２の面（１０６ｂ）を配置するステップ（２６０）であって、それにより前記重なり領域（１１０）内で、前記第１の面（１０６ａ）の少なくとも第１の部分（１１２ａ）と前記第２の面（１０６ｂ）の少なくとも第２の部分（１１２ｂ）とが重なり、前記第１の面（１０６ａ）の前記第１の部分（１１２ａ）は、前記第２の面（１０６ｂ）の前記第２の部分（１１２ｂ）に面し、前記第１の部分（１１２ａ）および前記第２の部分（１１２ｂ）は所定の距離に対応する距離（ｄ）で平行であり、前記第１の向き（１０８ａ）と前記第２の向き（１０８ｂ）との間の角度（θ）は所定の角度に対応する、ステップと、を含み、
    前記方法が、前記重なり領域（１１０）を形成するために前記第１の面（１０６ａ）および前記第２の面（１０６ｂ）を配置するステップ（２６０）に、前記第１の面（１０６ａ）の温度を２５０Ｋ未満に冷却するステップ（２３２）をさらに含むことを特徴とする、方法（２３０）。
14. 前記重なり領域（１１０）を形成するために前記第１の面（１０６ａ）および前記第２の面（１０６ｂ）を配置するステップ（２６０）に、前記第１の面（１０６ａ）に隣接する雰囲気の水の分圧を０．０１Ｐａ未満に制御するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法（２３０）。
15. 前記第１の面（１０６ａ）を形成するステップ（２４０）は、前記第１の超伝導体（１０２ａ）を劈開するステップを含み、前記第１の超伝導体（１０２ａ）を劈開するステップは、エラストマーを使用するステップを含む、請求項１３または１４に記載の方法（２３０）。

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