KR102493222B1 - 초전도 회로들 사이의 견고한 튜닝가능 커플링 - Google Patents

초전도 회로들 사이의 견고한 튜닝가능 커플링 Download PDF

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Abstract

초전도 회로에서 2개의 컴포넌트들을 링크시키기 위한 시스템들 및 방법들이 제공된다. 인덕터, 커패시터, 및 조셉슨 접합 중 하나를 각각 포함하는 복수의 회로 엘리먼트들은 2개의 컴포넌트들을 연결시키는 경로 상에서 직렬로 연결된다. 복수의 튜닝가능 오실레이터들은 2개의 컴포넌트들을 연결시키는 경로로부터 연결된다. 각각의 튜닝가능 오실레이터는 제어 신호에 응답하여, 2개의 컴포넌트들이 커플링되는 제1 주파수 범위 내에서 그리고 2개의 컴포넌트들이 격리되는 제2 주파수 범위 내에서 튜닝가능 오실레이터의 연관된 공진 주파수를 튜닝한다.

Description

초전도 회로들 사이의 견고한 튜닝가능 커플링
본 출원은, 2018년 3월 2일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/910254호로부터의 우선권을 주장하며, 그 출원은 그 전체가 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 계약 번호 제 30078128호 하에서 정부 지원으로 만들어졌다. 정부는 이러한 발명에서 특정한 권리들을 갖는다.
본 발명은 일반적으로 초전도 회로들에 관한 것으로, 더 상세하게는 초전도 회로들 사이의 견고한 튜닝가능 커플링(tunable coupling)에 관한 것이다.
양자 계산 및 시뮬레이션을 위한 근본적인 난제는 다양한 연산들을 수행하기 위해 고도로 연결된 코히런트 큐비트(coherent qubit)들의 대규모 시스템을 구성하는 것이다. 초전도 큐비트들은 양자 정보를 프로세싱하기 위해 거시적 회로들을 이용하며, 이러한 목적에 유망한 후보이다. 최근에, 재료 연구 및 회로 최적화는 큐비트 코히런스에서 상당한 진전을 유발했다. 초전도 큐비트들은 이제, 그들의 코히런스 시간들 내에서 수백개의 연산들을 수행하여, 에러 보정과 같은 복잡한 알고리즘들에 대한 연구를 허용할 수 있다. 많은 애플리케이션들에서, 이들 높은-코히런스 큐비트들을 튜닝가능 큐비트간(inter-qubit) 커플링과 조합하는 것이 바람직한데, 그 이유는, 그것이 코히런트 로컬 연산들 및 동적으로 변하는 큐비트 상호작용들 둘 모두를 허용할 것이기 때문이다. 양자 계산의 경우, 이것은 단일-큐비트 게이트들에 대한 격리를 제공하는 동시에, 디코히런스(decoherence)로부터의 에러들을 최소화시키는 빠른 2-큐비트 게이트들을 인에이블링시킬 것이다. 튜닝가능 커플링에서의 이전 시도들에도 불구하고, 이들 애플리케이션들은 높은 코히런스 디바이스들과의 튜닝가능한 장거리 커플링을 통합하는 난제로 인해 아직 실현되지 않았다.
일 예에서, 초전도 회로에서 2개의 컴포넌트들을 링크시키기 위한 튜닝가능 커플러 어셈블리가 제공된다. 인덕터, 커패시터, 및 조셉슨 접합 중 하나를 각각 포함하는 복수의 회로 엘리먼트들은 2개의 컴포넌트들을 연결시키는 경로 상에서 직렬로 연결된다. 복수의 튜닝가능 오실레이터(tunable oscillator)들은 2개의 컴포넌트들을 연결시키는 경로로부터 연결된다. 각각의 튜닝가능 오실레이터는 제어 신호에 응답하여, 2개의 컴포넌트들이 커플링되는 제1 주파수 범위 내에서 그리고 2개의 컴포넌트들이 격리되는 제2 주파수 범위 내에서 튜닝가능 오실레이터의 연관된 공진 주파수를 튜닝(tune)한다.
다른 예에서, 초전도 회로의 2개의 컴포넌트들 사이에 튜닝가능 커플링을 제공하기 위한 방법이 제공된다. 제1 회로 경로가 2개의 컴포넌트들 사이에 제조된다. 제1 회로 경로는 복수의 회로 엘리먼트들을 포함하며, 이들 각각은 인덕터, 커패시터, 또는 조셉슨 접합이다. 복수의 튜닝가능 오실레이터들은 제1 회로 경로를 따라 개개의 포인트들로부터 연결된다. 각각의 튜닝가능 오실레이터는 제어 신호에 응답하여 오실레이터의 연관된 주파수를 튜닝한다.
또 다른 예에서, 초전도 회로에서 2개의 컴포넌트들을 링크시키기 위한 튜닝가능 커플러 어셈블리가 제공된다. 복수의 회로 엘리먼트들은 2개의 컴포넌트들을 연결시키는 경로 상에서 직렬로 연결된다. 복수의 회로 엘리먼트들 각각은 인덕터, 커패시터, 또는 조셉슨 접합이다. 복수의 복합 조셉슨 접합들은 2개의 컴포넌트들을 접지에 연결시키는 경로로부터 연결된다. 각각의 튜닝가능 오실레이터는 공통 바이어스 라인에 의해 제공되는 제어 플럭스에 응답하여, 2개의 컴포넌트들이 커플링되는 제1 주파수 범위 내에서 그리고 2개의 컴포넌트들이 격리되는 제2 주파수 범위 내에서 튜닝가능 오실레이터의 연관된 공진 주파수를 튜닝한다.
도 1은 초전도 시스템의 일 예의 블록 다이어그램을 예시한다.
도 2는 2개의 트랜스몬(transmon) 큐비트들 및 튜닝가능 커플러를 포함하는 초전도 시스템의 일 예를 예시한다.
도 3은, 튜닝가능 커플러에 대한 최저 주파수 커플러 모드(수직 축 상에서 기가헤르츠로 표현됨)를 적용된 플럭스의 함수(도 2의 튜닝가능 커플러의 일 구현의 경우 수평 축 상에서 자속 양자의 분율들로 표현됨)로서 나타내는 차트를 예시한다.
도 4는, 튜닝가능 커플러에 대한 최저 주파수 커플러 모드(수직 축 상에서 기가헤르츠로 표현됨)를 적용된 플럭스의 함수(도 2의 튜닝가능 커플러의 다른 구현의 경우 수평 축 상에서 자속 양자의 분율들로 표현됨)로서 나타내는 차트를 예시한다.
도 5는, 복합 조셉슨 접합들을 포함하는 조셉슨 접합들의 임계 전류들의 변동에 따른 도 2의 튜닝가능 커플러의 턴-오프(turn-off) 거동의 변화를 예시한 차트이다.
도 6은, 복합 조셉슨 접합들을 포함하는 조셉슨 접합들의 임계 전류들의 변동에 따른 도 2의 튜닝가능 커플러의 턴-온(turn-on) 거동의 변화를 예시한 차트이다.
도 7은 2개의 트랜스몬 큐비트들 및 튜닝가능 커플러를 포함하는 초전도 시스템의 다른 예를 예시한다.
도 8은 2개의 초전도 회로 컴포넌트들을 커플링시키기 위한 방법을 예시한다.
본 개시내용은 일반적으로 초전도 회로들을 커플링시키는 것에 관한 것으로, 더 상세하게는, 제공된 제어 플럭스에서 제조 에러 및 에러들에 대해 견고한 컴포넌트들 사이에 튜닝가능 커플링을 제공하는 것에 관한 것이다. 튜닝가능 커플링 컴포넌트는 초전도 회로의 2개의 컴포넌트들 사이에 배치된다. 튜닝가능 커플링 컴포넌트는 컴포넌트들 사이에, 강하게 커플링된 상태 또는 디커플링된(또는 격리) 상태를 제공하도록 조정될 수 있다. 일 예에서, 조작은 디커플링된 상태의 격리된 큐비트들의 상태 정보에 대해 수행될 수 있는 반면, 상태 정보는 강하게 커플링된 상태 동안 초전도 회로의 다른 컴포넌트들에 전달될 수 있다.
종래 기술의 커플러들은 오프 포인트에서, 즉 커플링된 컴포넌트들을 격리시키도록 의도되는 제어 파라미터의 값에서 제어 플럭스에 대한 선형 의존성을 갖는다. 이것은 커플러의 오프 상태를 제어 플럭스 및 오프 포인트의 임의의 변화들에 매우 민감하게 만들며, 오프 포인트는, 커플링된 회로들의 임피던스가 변화될 때, 이를테면 동일한 회로들 중 하나에 커플링된 제2 커플러가 자신의 커플링 값을 변화시킬 때 변화될 수 있다. 본 발명의 커플러는 유도성 커플링된 튜닝가능 LC 공진기들의 체인으로 구성되며, 최저 주파수 집합 모드는 5 내지 40 GHz와 같은 넓은 범위에 걸쳐 바이어스 플럭스를 통해 튜닝될 수 있다. 최저 주파수 커플러 모드가 자신의 최고 주파수에 있을 때, 커플러는 턴 오프되어, 튜닝가능 커플러에 의해 링크된 컴포넌트들을 격리시킨다. 제어 신호에 대한 적절한 값에서, 커플러 모드 주파수들이 감소하고, 최저 모드는 튜닝가능 커플러에 의해 링크된 컴포넌트들의 주파수들에 접근하여, 2개의 컴포넌트들 사이에 강한 커플링을 제공한다. 다시 말하면, 오프 포인트보다는, 본 발명의 커플러가 일정 범위의 제어 플럭스 값들에 대해 실질적인 격리를 제공한다. 일 예에서, 어떠한 제어 신호도 튜닝가능 오실레이터에 적용되지 않을 때, 커플러는 "오프" 상태로 유지된다. 이러한 상태는 제어 신호의 작은 값들에 대해 지속되며, 따라서 제어 플럭스의 변동들에 둔감해진다. 오프 상태에서 제공되는 잔여 커플링은, 커플러 내의 튜닝가능 오실레이터 "레그(leg)들"의 수가 증가함에 따라 대략 기하급수적으로 감소한다.
일 예에서, 커플링된 복합 조셉슨 접합 공진기들의 체인은 커플링 컴포넌트로서 사용된다. 제로의 제어 플럭스 부근에서, 복합 조셉슨 접합들의 유효 인덕턴스들은 작으며, 커플러의 백본(backbone)을 따라 이동하는 전류들로 하여금 대략 기하급수적으로 감쇠하게 한다. 이것은 DC 전류들에 대한 커플러를 셧 오프(shut off)시킨다. 제어 플럭스가 각각의 복합 조셉슨 접합 루프에서 플럭스 양자의 절반 부근에 있을 때, 각각의 복합 조셉슨 접합의 유효 인덕턴스들은 크고, 백본을 따른 전류는 더 느리게 감쇠하여, 커플링을 허용한다. AC 동작의 경우, 복합 조셉슨 접합들은, 커플링될 양자 회로들의 모드들보다 "오프" 상태의 주파수에서 훨씬 더 높은 튜닝가능 LC 공진기들로서 기능한다. 오프 커플링은 복합 조셉슨 접합 공진기 스테이지들의 수에서 대략 기하급수적으로 감소한다. 커플링을 턴 오프시키기 위해 모드 주파수들의 디튜닝(detuning)을 사용하는 하나의 장점은, 디튜닝이 충분히 크면 커플러가 오프되는 임계 거동이 존재하는 것이다. 이것은, 오프 상태가 특정 제어 플럭스 값에 있는 통상적인 경우에 비해 유리하다.
도 1은 초전도 시스템(100)의 일 예의 블록 다이어그램을 예시한다. 초전도 시스템은 튜닝가능 커플러(120)를 통해 제2 회로 컴포넌트(114)에 커플링된 제1 회로 컴포넌트(112)를 포함한다. 제1 및 제2 회로 컴포넌트들(112 및 114) 각각이 큐비트, 공진기, 이를테면 집중-엘리먼트(lumped-element) LC 오실레이터 또는 분산형 공진기, 소산형 서브-회로(예를 들어, 저항성 엘리먼트들을 포함하는 회로), 또는 초전도 시스템에 대한 임의의 다른 적절한 컴포넌트를 표현할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 또한, 용어 큐비트가 양자 정보를 저장할 수 있는 2개 이상의 양자 상태들을 포함하는 임의의 시스템에 대한 약칭이라는 것을 인식할 것이다. 초전도 큐비트들의 예시적인 구현들은 트랜스몬, 플럭스 큐비트, 퀀트로늄(quantronium), 쿠퍼 쌍 박스(cooper pair box), 및 플럭소늄(fluxonium)을 포함하며, 통상적으로는 조셉슨 접합, 커패시터 및 인덕터 중 하나 이상을 포함한다. 용어 "커플링된"은 2개의 시스템들이 에너지 또는 정보를 교환할 수 있게 하는 임의의 수단을 포함하도록 의도된다는 것을 추가로 인식할 것이다.
튜닝가능 커플러(120)는 복수의 유도성 및/또는 용량성 회로 엘리먼트(CE)들을 갖는, 제1 및 제2 컴포넌트들(112 및 114) 사이의 회로 경로(122)를 포함한다. 회로 경로(122)에 대해 주어진 회로 엘리먼트는 인덕터들, 커패시터들, 조셉슨 접합들, 또는 이들 엘리먼트들의 조합일 수 있다. 복수의 튜닝가능 오실레이터들(124 및 125)은 회로 경로(122)를 따라 연결된다. 튜닝가능 오실레이터들(124 및 125)은 제공된 제어 신호에 따라 변화되는 공진 주파수를 갖는 임의의 서브-회로일 수 있다. 예를 들어, 튜닝가능 오실레이터들(124 및 125)은 복합 조셉슨 접합으로 구현될 수 있다. 각각의 튜닝가능 오실레이터(124 및 125)는 연관된 제어기(130)에 의해 제공되는 제어 신호에 응답하여, 오실레이터의 연관된 공진 주파수를 튜닝한다. 예를 들어, 제어 신호는 튜닝가능 오실레이터(124)에 제공되는 제어 플럭스일 수 있다. 일 구현에서, 복수의 튜닝가능 오실레이터들(124 및 125) 각각은 회로 경로(122) 상의 포인트들을 접지에 연결시킨다.
일 예에서, 튜닝가능 커플러(120)는, 2개의 회로 컴포넌트들(112 및 114)이 제어 신호의 부재 시에 격리되도록 구성된다. 2개의 컴포넌트들(112 및 114)을 커플링시키기 위해, 제어 신호는 오실레이터의 구성에 의해 결정된 값들의 비교적 좁은 범위 내에서 튜닝가능 오실레이터들(124 및 125)에 제공되어, 회로 컴포넌트들(112 및 114) 중 하나 또는 둘 모두와 연관된 주파수에 가깝게 튜닝가능 커플러의 커플링 모드의 주파수를 튜닝한다. 일 예에서, 제어 플럭스를 이용할 경우, 값들의 범위는 자속 양자(Φ0)의 절반에 또는 그 부근에 중심설정되며, 0.45 Φ0 내지 0.55 Φ0의 범위에 있을 수 있다. 그 결과, 제어 플럭스가 이러한 좁은 범위에 있지 않을 때, 튜닝가능 커플러(120)는 견고한 오프-상태를 가지며, 제어 신호에 대한 넓은 범위의 값들에 걸쳐 2개의 회로 컴포넌트들 사이에서 실질적인 격리를 유지할 수 있다. 추가로, 오프-상태는 제조 파라미터들의 변동들에 매우 견고하다.
도 2는 2개의 트랜스몬 큐비트들(202 및 204) 및 튜닝가능 커플러(210)를 포함하는 초전도 시스템(200)의 일 예를 예시한다. 튜닝가능 커플러(210)는 복수의 회로 엘리먼트들(222 내지 226), 및 회로 경로(220)로부터 연결된 복수의 튜닝가능 공진기들(232 내지 235)을 포함하는 회로 경로(220)를 포함한다. 예시된 예에서, 회로 엘리먼트들(222 내지 226)은 인덕터들이지만, 주어진 회로 엘리먼트가 인덕터, 커패시터, 또는 조셉슨 접합일 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예시된 구현에서, 복수의 튜닝가능 공진기들(232 내지 235)은 회로 경로(220)를 접지에 연결시키지만, 튜닝가능 공진기들이, 예를 들어 제2 복수의 인덕터들 및/또는 커패시터들을 포함하는 제2 회로 경로(도시되지 않음)에 연결되어 있는 플로팅(floating) 구현으로 튜닝가능 커플러(210)가 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예시된 구현에서, 복수의 공진기들(232 내지 235) 각각은, 조셉슨 접합에 의해 각각 인터럽트된 접지에 대한 2개의 경로들을 포함하는 복합 조셉슨 접합으로 구현된다. 복수의 튜닝가능 공진기들(232 내지 235)은, 복합 조셉슨 접합들을 포함하는 회로 루프들에 제어 플럭스를 제공하기 위하여 공통 바이어스 라인(238)을 통해 튜닝가능하다.
트랜스몬 큐비트들(202 및 204) 각각이 각각의 트랜스몬 큐비트의 2개의 에너지 레벨들 사이의 간격을 표현하는 적어도 하나의 특성 주파수를 갖는다는 것을 인식할 것이다. 일 구현에서, 트랜스몬 큐비트들(202 및 204) 각각의 특성 주파수(접지와 제1 여기 상태들 사이의 간격을 표현함)는 약 10 GHz일 수 있지만, 간격이 큐비트들의 구현에 따라 변할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 튜닝가능 커플러(210)의 하나 이상의 커플링 모드들과 연관된 주파수는 복수의 복합 조셉슨 접합들(232 내지 235)에 제공되는 제어 플럭스의 함수이다. 본 발명의 일 양상에 따르면, 어떠한 제어 플럭스도 복수의 복합 조셉슨 접합들(232 내지 235)에 제공되지 않을 때, 튜닝가능 커플러(210)의 최저 주파수 커플링 모드는 트랜스몬 큐비트들(202 및 204)의 특성 주파수들로부터 멀리있는 주파수에 유지되고, 트랜스몬 큐비트들은 실질적으로 격리되게 유지된다. 커플러 모드 주파수의 특정 값들은 커플러 컴포넌트들의 파라미터들, 특히 복합 조셉슨 접합들(232 내지 235) 내의 조셉슨 접합들의 임계 전류들에 따라 변하지만, 실제로, 그들은 2개의 큐비트들의 실질적인 격리가 유지될 수 있는 제어 플럭스에 대해 넓은 범위의 값들을 유지하도록 선택된다.
커플러(210)는, 커플러가 활성이고 트랜스몬 큐비트들(202 및 204)이 강하게 커플링되는 제어 플럭스에 대해 비교적 좁은 범위의 값들을 갖는다. 일반적으로, 커플러(210)는, 제공된 제어 플럭스가 약 0.5 Φ0일 때 최대 커플링 강도를 제공한다. 튜닝가능 커플러(210)의 거동은 반복되는 전류 분배기의 거동과 유사할 수 있다. 복합 조셉슨 접합들(232 내지 235)이 미리 결정된 범위 외부의 제어 플럭스를 제공받을 때, 복합 조셉슨의 인덕턴스는 회로 경로(220)의 인덕턴스에 비해 낮게 유지된다. 따라서, 복합 조셉슨 접합들(232 내지 235) 각각은 접지에 대한 대안적인 저임피던스 경로를 제공하여, 2개의 트랜스몬 큐비트들(202 및 204) 사이의 전류 흐름을 제한한다. 실제로, 이러한 격리는, 연결된 복합 조셉슨 접합들의 수가 증가함에 따라 개선되어(즉, 2개의 트랜스몬 큐비트들 사이의 잔여 커플링이 감소됨), 접지에 대한 이들 대안적인 경로들을 더 많이 제공한다. 복합 조셉슨 접합들(232 내지 235)이 "온" 값들의 비교적 좁은 범위 내에서 제어 플럭스를 제공받을 때, 각각의 복합 조셉슨 접합의 인덕턴스는 증가하고, 회로 경로(220)의 인덕턴스에 비해 높아진다. 그 결과, 2개의 트랜스몬 큐비트들(202 및 204)은 회로 경로(220)를 따라 커플링되게 된다.
제어 플럭스에 따른 튜닝가능 커플러(210)의 커플링 강도의 대략적인 변화는 다음과 같이 설명될 수 있으며:
Figure 112020103924779-pct00001
여기서,
Figure 112020103924779-pct00002
이고, L은 회로 경로(220)를 따른 인덕턴스들(222 내지 226)의 사이즈이고, Ic는 제어 플럭스(α)의 함수인 각각의 복합 조셉슨 접합의 임계 전류이며, N은 튜닝가능 커플러(210) 내의 복합 조셉슨 접합들의 수이다.
수학식 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 복합 조셉슨 접합들을 통한 전류가 높을 때, 커플링은 커플러 내의 복합 조셉슨 접합의 수(N)에 따라 기하급수적으로 떨어진다. 복합 조셉슨 접합들을 통한 전류가 낮을 때, y는 1에 접근하고, 커플링은 복합 조셉슨 접합들의 수에 따라 다항적으로(polynomially) 작아져서, 2개의 트랜스몬 큐비트들 사이의 의미있는 커플링을 허용한다.
일 구현에서, 비교적 낮은 임계 전류들을 갖는 조셉슨 접합들을 사용하면, 커플러(210)는 6개의 복합 조셉슨 접합들을 포함한다. 이러한 구현에서, 2개의 트랜스몬 큐비트들(202 및 204) 내의 접합들의 임계 전류는 80 nA이고, 2개의 트랜스몬 큐비트들 내의 인덕터들의 인덕턴스는 300 pH이고, 복수의 복합 조셉슨 접합들(232 내지 235) 내의 접합들의 임계 전류는 2000 nA이며, 회로 경로 내의 인덕터들(222 내지 226)의 인덕턴스는 200 pH이다. 도 3은 이러한 구현의 경우, 튜닝가능 커플러에 대한 최저 주파수 커플러 모드(수직 축(302) 상에서 기가헤르츠로 표현됨)를 적용된 플럭스의 함수(수평 축(304) 상에서 자속 양자의 분율들로 표현됨)로서 나타내는 차트(300)를 예시한다.
도시된 라인(306)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 커플러 모드 주파수는 넓은 범위의 값들에 대해 2개의 트랜스몬 큐비트들(202 및 204)의 10 GHz 특성 주파수를 상당히 초과하여 유지된다. 커플러 모드가 최대 40 GHz에 있을 때, 2개의 컴포넌트들 사이의 커플링은 대략 0.04 MHz에서 최소이며, 그것은 150mΦ0의 범위의 경우 0.1 MHz 미만으로 유지된다. 이러한 포인트에서, 커플러 주파수는 1.1×10-6 MHz/mΦ0의 기울기를 나타내므로, 제어 플럭스에 따른 주파수의 변화는 커플링에 대해 최소의 영향을 갖는다. 제어 플럭스가 0.5 Φ0에 접근할 때, 커플러 모드의 주파수는 큐비트들(202 및 204)의 10 GHz 특성 주파수에 접근한다. 약 0.49 Φ0의 값에서, 커플러(210)는 약 8.4 MHz/mΦ0의 기울기로 약 100 MHz의 커플링을 제공한다. 이러한 구현의 경우 100 MHz를 상당히 초과하는 커플링들이 달성될 수 있지만, 실제로, 적용된 플럭스는 0.49 Φ0 미만으로 유지될 수 있으므로, 커플러 모드는 큐비트 모드들로부터 1 GHz 이상 떨어져 유지된다.
반대로, 6개의 복합 조셉슨 접합들을 또한 이용하지만 비교적 높은 임계 전류들을 갖는 조셉슨 접합들을 사용하는 유사한 커플러의 일 구현의 거동이 도 4에 차트(400)로서 예시된다. 이러한 구현에서, 2개의 트랜스몬 큐비트들(202 및 204) 내의 접합들의 임계 전류는 80 nA이고, 2개의 트랜스몬 큐비트들 내의 인덕터들의 인덕턴스는 300 pH이고, 복수의 복합 조셉슨 접합들(232 내지 235) 내의 접합들의 임계 전류는 12000 nA이며, 회로 경로 내의 인덕터들(222 내지 226)의 인덕턴스는 40 pH이다. 도 4에서, 튜닝가능 커플러에 대한 최저 주파수 커플러 모드(수직 축(402) 상에서 기가헤르츠로 표현됨)는 적용된 플럭스의 함수(수평 축(404) 상에서 자속 양자의 분율들로 표현됨)로서 도시된다.
도시된 라인(406)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 커플러 모드 주파수는 도 3의 낮은 임계 전류 구현보다 상당히 높게 시작 및 유지된다. 커플러 모드가 최대 88 GHz에 있을 때, 2개의 컴포넌트들 사이의 커플링은 대략 0.01 MHz에서 최소이며, 커플링은 제어 플럭스 범위 0 내지 0.15 Φ0에 비해 낮게 유지된다. 커플러 모드 주파수 최대치에서, 제로의 제어 플럭스에서, 커플러 주파수는 2×10-7 MHz/mΦ0의 기울기를 나타내므로, 제어 플럭스에 따른 주파수의 변화는 커플링에 대해 최소의 영향을 갖는다. 표준 커플러들을 이용하면, 주어진 커플러의 "오프" 플럭스는 동일한 양자 오브젝트를 커플링시키는 다른 커플러에 적용되는 플럭스에 의존할 수 있으며, 이러한 구현에서 관련없는 플럭스에 대한 둔감성은 상당한 장점을 제공한다. 제어 플럭스가 0.5 Φ0에 접근할 때, 커플러 모드의 주파수는 큐비트들(202 및 204)의 10 GHz 특성 주파수를 향해 급격히 떨어지지만, 최소 값은 대략 20 GHz이다. 이러한 값에서, 커플러(210)는 약 14.8 MHz/mΦ0의 기울기로 약 100 MHz의 커플링을 제공한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 작은 커플러 커패시턴스 제한으로 커플러를 설계하는 이점은, 커플러 주파수들이 튜닝 플럭스의 전체 범위에 걸쳐 큐비트 주파수들을 상당히 초과하여 유지될 수 있다. 예를 들어, 이러한 제한은 높은 플라즈마 주파수들을 갖는 작은 영역 접합들을 이용함으로써 도달될 수 있다. 이러한 체제에서, "오프" 상태의 커플러는, 큐비트 유도된 전류의 양이 대략
Figure 112020103924779-pct00003
의 인자만큼 각각의 연속적인 레그에서 감소하는 반복된 전류 분배기로서 설명될 수 있으며, 여기서 LL은 복합 조셉슨 접합들(232 내지 235) 내의 조셉슨 접합들 각각에서의 인덕턴스이고, LB는 회로 경로(220) 내의 복수의 인덕터들(222 내지 226) 각각의 인덕터의 인덕턴스이며, Φ는 적용된 플럭스이다. 따라서, 큐비트들 사이의 전류-전류 커플링은 커플러의 길이에서 기하급수적으로 억제된다. 대안적으로, 복수의 복합 조셉슨 접합들(232 내지 235) 각각에 적용된 플럭스가 0.5 Φ0로 튜닝될 때 최대 "온" 커플링이 달성되며, 최대 커플링은 큐비트들 사이의 최대 상호 인덕턴스와 큐비트 전류들의 제곱의 곱(Mmax)과 대략 동일하고, 즉
Figure 112020103924779-pct00004
이며, LE는 2개의 큐비트들(202 및 204)에서의 인덕턴스이고, NL은 복합 조셉슨 접합들의 수이다.
도 5는, 복합 조셉슨 접합들을 포함하는 조셉슨 접합들의 임계 전류들의 변동에 따른 도 2의 튜닝가능 커플러의 턴-오프 거동의 변화를 예시한 차트(500)이다. 차트에서, 커플러의 커플링 강도는 수직 축(502) 상에서 MHz로 로그로 표현되고, 복합 조셉슨 접합들에 제공되는 제어 플럭스는 수평 축(504) 상에서 자속 양자의 분율들로 표현된다. 조셉슨 접합들의 제조가 항상 정확한 것은 아니며, 어느 정도의 변동이 주어진 접합의 임계 전류에 존재할 것이라는 것을 인식할 것이다. 이를 표현하기 위해, 차트(500)는, 각각의 접합에 대한 임계 전류들의 10% 변동이 주어진 커플링에 대한 평균 값을 표현하는 제1 곡선(506), 각각의 접합에 대한 임계 전류들의 10% 변동이 주어진 평균을 초과하는 하나의 표준 편차의 커플링에 대한 값을 표현하는 제2 곡선(508), 및 각각의 접합에 대한 임계 전류들의 10% 변동이 주어진 평균 미만의 하나의 표준 편차의 커플링에 대한 값을 표현하는 제3 곡선(510)을 포함한다. 도면들로부터 알 수 있는 바와 같이, 잔여 커플링의 정도는 접합 제조에 따라 약간 다르지만, 커플링이 최소로 유지되는 비교적 큰 범위의 값들에서 거의 변화가 없다.
도 6은, 복합 조셉슨 접합들을 포함하는 조셉슨 접합들의 임계 전류들의 변동에 따른 도 2의 튜닝가능 커플러의 턴-온 거동의 변화를 예시한 차트(600)이다. 차트에서, 커플러의 커플링 강도는 수직 축(602) 상에서 MHz로 표현되고, 복합 조셉슨 접합들에 제공되는 제어 플럭스는 수평 축(604) 상에서 자속 양자의 분율들로 표현된다. 차트(600)는, 각각의 접합에 대한 임계 전류들의 10% 변동이 주어진 커플링에 대한 평균 값을 표현하는 제1 곡선(606), 각각의 접합에 대한 임계 전류들의 10% 변동이 주어진 평균을 초과하는 하나의 표준 편차의 커플링에 대한 값을 표현하는 제2 곡선(608), 및 각각의 접합에 대한 임계 전류들의 10% 변동이 주어진 평균 미만의 하나의 표준 편차의 커플링에 대한 값을 표현하는 제3 곡선(610)을 포함한다. 도면들로부터 알 수 있는 바와 같이, 턴-온 거동은 조셉슨 접합들의 임계 전류들의 변동들에 따른 변동을 나타내지만, 그것은 단순히 온-커플링에 대한 세트포인트(setpoint)를 변화시킨다.
예를 들어, 제조 변동들로 인해 온-커플링에 대한 세트 포인트에 대한 튜닝을 허용하기 위해, 도 7은 2개의 트랜스몬 큐비트들(702 및 704) 및 튜닝가능 커플러(710)를 포함하는 초전도 시스템(700)의 다른 예를 예시한다. 튜닝가능 커플러(710)는, 복수의 인덕터들(722 내지 726), 및 회로 경로(720)로부터 접지로 연결되는 복수의 복합 조셉슨 접합들(732 내지 735)을 포함하는 회로 경로(720)를 포함한다. 예시된 구현에서, 각각의 복합 조셉슨 접합은, 조셉슨 접합에 의해 각각 인터럽트된 접지에 대한 3개의 경로들을 포함한다. 3개의 경로들 중 2개는, 복합 조셉슨 접합들에 제어 플럭스를 제공하기 위해 공통 전류 바이어스 라인(738)에 유도성 커플링된다. 바이어스 라인(738)은 도 2에 대해 설명된 것과 유사한 방식으로 커플러의 상태를 제어한다.
각각의 복합 조셉슨 접합(732 내지 735)의 제3 경로는, 제한들 내에서 튜닝가능 커플러의 온-커플링에 대한 세트포인트를 튜닝하기 위해 개개의 직류(DC) 바이어스 라인들(742 내지 745)의 조합을 사용함으로써 튜닝가능하다. 이들 바이어스 라인들의 개별 어드레스능력(addressability)이 디바이스의 기능에 필수적이지는 않으며, 그들이 하나 이상의 공통 제어 라인들에 의해 세팅될 수 있다는 것을 인식할 것이다. DC 바이어스는, 세트포인트가 조셉슨 접합들의 제조 시의 에러들에 대해 조정되게 허용하고, 제어 플럭스의 사소한 변동들에 비교적 둔감한 온 상태를 허용한다. 이것은 커플러를 제어하기 위한 플럭스 펄스들에 대한 제약들을 상당히 완화시키고, 커플링된 컴포넌트들의 디페이징(dephasing)을 감소시킨다.
도 8은 2개의 초전도 회로 컴포넌트들을 커플링시키기 위한 방법(800)을 예시한다. 802에서, 제1 및 제2 회로 경로들이 2개의 초전도 컴포넌트들 사이에서 제조된다. 제1 회로 경로는, 인덕터들, 커패시터들, 및 조셉슨 접합 중 임의의 것을 포함할 수 있는 복수의 회로 엘리먼트들을 포함한다. 제2 회로 경로는 하나 이상의 회로 엘리먼트들을 포함할 수 있거나 공통 접지일 수 있다. 804에서, 복수의 튜닝가능 오실레이터들은, 제1 및 제2 회로 경로들 사이에 연결들을 형성하여 제조된다. 예를 들어, 튜닝가능 오실레이터들은, 제1 회로 경로를 제2 회로 경로에 연결시키는 복수의 복합 조셉슨 접합들로서 제조될 수 있다. 각각의 튜닝가능 오실레이터는 제어 신호에 응답하여 오실레이터의 연관된 주파수를 튜닝하도록 설계된다. 일 구현에서, 공통 바이어스 라인은, 복수의 튜닝가능 오실레이터들의 각각의 튜닝가능 오실레이터에 유도성 커플링되어, 제어 신호가 공통 바이어스 라인을 통해 제공될 수 있도록 제조될 수 있다.
806에서, 제어 신호는, 2개의 컴포넌트들이 커플링되는 제1 주파수 범위 내에서 복수의 튜닝가능 오실레이터들을 튜닝하기 위해, 미리 정의된 범위 내의 값으로 제공될 수 있다. 일 구현에서, 제어 신호는 제어 플럭스로서 복수의 튜닝가능 오실레이터들 각각에 제공된다. 808에서, 제어 신호는, 2개의 컴포넌트들이 격리되는 제2 주파수 범위 내에서 복수의 튜닝가능 오실레이터들을 튜닝하기 위해, 미리 정의된 범위 외부의 값으로 제공된다. 일 구현에서, 미리 정의된 범위는 값 제로를 포함하지 않으므로, 어떠한 제어 신호도 존재하지 않을 때 2개의 컴포넌트들이 격리된다.
위에서 설명된 것은 본 발명의 예들이다. 물론, 본 발명을 설명하려는 목적들을 위해 컴포넌트들 또는 방법들의 모든 각각의 인지가능한 조합을 설명하는 것이 가능하지 않지만, 당업자는 본 발명의 많은 추가적인 조합들 및 변형들이 가능함을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 청구항들을 포함하는 본 명세서의 범위 내에 있는 모든 그러한 수정들, 변형들, 및 변경들을 포함하도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 초전도 회로에서 2개의 컴포넌트들을 링크시키기 위한 튜닝가능 커플러 어셈블리(tunable coupler assembly)로서,
    복수의 회로 엘리먼트들 － 상기 복수의 회로 엘리먼트들 각각은, 인덕터, 커패시터, 및 조셉슨 접합 중 하나를 각각 포함하고, 상기 2개의 컴포넌트들을 연결시키는 경로 상에서 직렬로 연결됨 －; 및
    상기 2개의 컴포넌트들을 연결시키는 상기 경로에 연결된 복수의 튜닝가능 오실레이터들을 포함하며,
    각각의 튜닝가능 오실레이터는 제어 신호에 응답하여, 상기 2개의 컴포넌트들이 커플링되는 제1 주파수 범위 내에서 그리고 상기 2개의 컴포넌트들이 격리되는 제2 주파수 범위 내에서 상기 튜닝가능 오실레이터의 연관된 공진 주파수를 튜닝(tune)하고,
    제어 신호가 존재하지 않을 때 상기 2개의 컴포넌트들이 격리되고, 상기 커플러는 제어 신호가 제공되지 않을 때 비활성화되는,
    튜닝가능 커플러 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 복수의 튜닝가능 오실레이터들은 회로 경로를 접지에 연결시키는, 튜닝가능 커플러 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어 신호는, 공통 바이어스 라인 상에서 제공되는 전류를 통해 상기 복수의 튜닝가능 오실레이터들 각각에 제공되는, 튜닝가능 커플러 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    각각의 복수의 튜닝가능 오실레이터들은 복합 조셉슨 접합들로 구현되는, 튜닝가능 커플러 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서,
    각각의 상기 복수의 튜닝가능 오실레이터들은 병렬로 연결된 3개의 조셉슨 접합들로 구현되는, 튜닝가능 커플러 어셈블리.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어 신호는 상기 3개의 조셉슨 접합들 중 제1 및 제2 조셉슨 접합들을 포함하는 경로들에 제공되는 제1 제어 신호이고,
    제2 제어 신호는 상기 3개의 조셉슨 접합들 중 제3 조셉슨 접합을 포함하는 경로에 제공되는, 튜닝가능 커플러 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 제어 신호는, 상기 복수의 튜닝가능 오실레이터들 각각에 대한 상기 3개의 조셉슨 접합들 중 제1 및 제2 조셉슨 접합들을 포함하는 경로들 각각에 유도성 커플링되는 제1 바이어스 라인 상에서 전류 신호로서 제공되고,
    상기 제2 제어 신호는, 상기 복수의 튜닝가능 오실레이터들 각각에 대한 상기 3개의 조셉슨 접합들 중 제3 조셉슨 접합을 포함하는 각각의 경로에 유도성 커플링되는 제2 바이어스 라인 상에서 전류 신호로서 제공되는, 튜닝가능 커플러 어셈블리.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어 신호는 자속 플럭스를 생성하는 전류이며,
    상기 커플러는, 상기 자속 플럭스의 크기가 자속 양자의 절반일 때 최대 커플링을 제공하고, 상기 자속 플럭스의 크기가 상기 자속 양자의 0.45 미만일 때 상기 최대 커플링보다 작은 커플링을 제공하도록 구성되는, 튜닝가능 커플러 어셈블리.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 회로 엘리먼트들 각각은 10 내지 500 피코헨리의 인덕턴스를 갖는 인덕터인, 튜닝가능 커플러 어셈블리.
  11. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 복수의 튜닝가능 오실레이터들은 상기 제어 신호에 응답하여, 5 기가헤르츠 내지 40 기가헤르츠의 주파수를 취하는, 튜닝가능 커플러 어셈블리.
  12. 초전도 회로의 2개의 컴포넌트들 사이에 튜닝가능 커플링을 제공하기 위한 방법으로서,
    상기 2개의 컴포넌트들 사이에 제1 회로 경로를 제조하는 단계 － 상기 제1 회로 경로는 복수의 회로 엘리먼트들을 포함하고, 각각의 상기 복수의 회로 엘리먼트들은 인덕터, 커패시터, 및 조셉슨 접합 중 하나를 포함함 －; 및
    복수의 튜닝가능 오실레이터들을 제조하는 단계를 포함하며,
    각각의 상기 복수의 튜닝가능 오실레이터들은 제어 신호에 응답하여 상기 오실레이터의 연관된 주파수를 튜닝하고, 상기 제1 회로 경로를 따른 포인트로부터 연결되고,
    상기 복수의 튜닝가능 오실레이터들의 상기 연관된 주파수는 제어 신호가 존재하지 않을 때 상기 2개의 컴포넌트들이 격리되도록 튜닝되는,
    튜닝가능 커플링을 제공하기 위한 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 튜닝가능 오실레이터들을 제조하는 단계는, 상기 제1 회로 경로를 상기 2개의 컴포넌트들 사이의 제2 회로 경로에 연결시키는 복수의 복합 조셉슨 접합들을 제조하는 단계를 포함하는, 튜닝가능 커플링을 제공하기 위한 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 회로 경로는 공통 접지인, 튜닝가능 커플링을 제공하기 위한 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 회로 엘리먼트들은 제1 복수의 회로 엘리먼트들이고, 상기 제2 회로 경로는 제2 복수의 회로 엘리먼트들을 포함하며, 각각의 상기 복수의 회로 엘리먼트들은 인덕터, 커패시터, 및 조셉슨 접합 중 하나를 포함하는, 튜닝가능 커플링을 제공하기 위한 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제어 신호가 공통 바이어스 라인을 통해 제공될 수 있도록 각각의 상기 복수의 튜닝가능 오실레이터들에 유도성 커플링되는 공통 바이어스 라인을 제조하는 단계를 더 포함하는, 튜닝가능 커플링을 제공하기 위한 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 2개의 컴포넌트들이 커플링되는 제1 주파수 범위 내에서 상기 복수의 튜닝가능 오실레이터들을 튜닝하기 위해, 미리 정의된 범위 내의 값으로 상기 제어 신호를 제공하는 단계; 및
    상기 2개의 컴포넌트들이 격리되는 제2 주파수 범위 내에서 상기 복수의 튜닝가능 오실레이터들을 튜닝하기 위해, 상기 미리 정의된 범위 외부의 값으로 상기 제어 신호를 제공하는 단계를 더 포함하는, 튜닝가능 커플링을 제공하기 위한 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    제어 신호가 존재하지 않을 때 상기 2개의 컴포넌트들이 격리되도록, 상기 미리 정의된 범위는 제로(0) 값을 포함하지 않는, 튜닝가능 커플링을 제공하기 위한 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제어 신호를 제공하는 단계는 각각의 상기 복수의 튜닝가능 오실레이터들에 자속 플럭스를 제공하는 단계를 포함하는, 튜닝가능 커플링을 제공하기 위한 방법.
  20. 초전도 회로에서 2개의 컴포넌트들을 링크시키기 위한 튜닝가능 커플러 어셈블리로서,
    상기 2개의 컴포넌트들을 연결시키는 경로 상에서 직렬로 연결되는 복수의 회로 엘리먼트들 － 각각의 상기 복수의 회로 엘리먼트들은 인덕터, 커패시터, 및 조셉슨 접합 중 하나를 포함함 －; 및
    상기 2개의 컴포넌트들을 공통 접지에 각각 연결시키는 상기 경로로부터 연결된 복수의 복합 조셉슨 접합들을 포함하며,
    각각의 복합 조셉슨 접합은, 상기 2개의 컴포넌트들이 커플링되는 제1 주파수 범위 내에서 그리고 상기 2개의 컴포넌트들이 격리되는 제2 주파수 범위 내에서 상기 복합 조셉슨 접합의 연관된 공진 주파수를 튜닝하도록, 공통 바이어스 라인에 의해 제공되는 제어 플럭스에 응답하고,
    어떠한 제어 신호도 존재하지 않을 때 상기 2개의 컴포넌트들이 격리되는,
    튜닝가능 커플러 어셈블리.
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