JP2005521248A - Quantum phase charge coupled device - Google Patents
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Abstract
メゾスコピック位相素子及びメゾスコピック電荷素子を含む超伝導構造体。超伝導構造体は更に、メゾスコピック位相素子の量子状態とメゾスコピック電荷素子の量子状態とが相互作用するように、メゾスコピック位相素子とメゾスコピック電荷素子とを結合する機構を含む。別の態様では、超伝導構造体は、メゾスコピック電荷素子の量子状態を読み出す機構を含む。A superconducting structure comprising a mesoscopic phase element and a mesoscopic charge element. The superconducting structure further includes a mechanism for coupling the mesoscopic phase element and the mesoscopic charge element such that the quantum state of the mesoscopic phase element and the quantum state of the mesoscopic charge element interact. In another aspect, the superconducting structure includes a mechanism for reading the quantum state of the mesoscopic charge device.
Description
この出願は、2002年3月16日に出願された米国特許仮出願シリアル番号60/365,490号「Quantum Phase-Charge Coupled Device(量子位相電荷結合素子)」(代理人事件番号11090-005-888); 2002年4月12日に出願された米国特許出願シリアル番号10/121,800号「Quantum Phase-Charge Coupled Device(量子位相電荷結合素子)」(代理人事件番号11090-005-999); 2002年4月12日に出願された米国特許出願シリアル番号10/121,817号「Quantum Phase-Charge Coupled Device(量子位相電荷結合素子)」(代理人事件番号11090-006-999); 及び、2002年4月12日に出願された米国特許出願シリアル番号10/121,810号「Quantum Phase-Charge Coupled Device(量子位相電荷結合素子)」(代理人事件番号11090-007-999)に基づく優先権を主張するものである。 This application is a provisional application serial number 60 / 365,490 filed on March 16, 2002, “Quantum Phase-Charge Coupled Device” (Attorney Case No. 11090-005-888). United States patent application serial number 10 / 121,800 filed on April 12, 2002 "Quantum Phase-Charge Coupled Device" (agent case number 11090-005-999); U.S. Patent Application Serial No. 10 / 121,817 filed on May 12, "Quantum Phase-Charge Coupled Device" (Attorney Case Number 11090-006-999); and April 12, 2002 Claims priority based on US Patent Application Serial No. 10 / 121,810, “Quantum Phase-Charge Coupled Device” (Attorney Case No. 11090-007-999) filed on the same day .
本発明は、量子計算の分野に関し、特に超伝導量子計算に関する。 The present invention relates to the field of quantum computation, and more particularly to superconducting quantum computation.
メゾスコピック超伝導システムは、長年の間、複雑な物理現象を示すシステムとして注目されてきた。最近、これらの現象は、量子計算の分野で実際的な用途があると理解されている。例えば、A. Assime, G. Tohansson, G. Wendin, R. Schoelkopf, and P. Delsingによる「Radio-Frequency Single-Electron Transistor as Readout Device for Quoits: Charge Sensitivity and Backaction(キュビットの読み出し素子としての無線単一電子トランジスタ:電荷感度及びバックアクション)」, Phys. Rev. Lett. 86, p.3376 (2001年4月)及びそこで引用された参照文献、及び、Alexandra Zagoskinによる1999年12月1日の米国特許出願シリアル番号09/452749号「Permanent Readout Superconducting Qubit(永久読み出し超伝導キュビット)」を参照し、それらの全体を引用によりここに組み入れる。 Mesoscopic superconducting systems have attracted attention for many years as systems that exhibit complex physical phenomena. Recently, it has been understood that these phenomena have practical applications in the field of quantum computing. For example, “Radio-Frequency Single-Electron Transistor as Readout Device for Quoits: Charge Sensitivity and Backaction” by A. Assime, G. Tohansson, G. Wendin, R. Schoelkopf, and P. Delsing. One-Electron Transistor: Charge Sensitivity and Back Action) ”, Phys. Rev. Lett. 86, p.3376 (April 2001) and references cited therein, and the United States, December 1, 1999, by Alexandra Zagoskin. Reference is made to patent application serial number 09/452749 “Permanent Readout Superconducting Qubit”, which is incorporated herein by reference in its entirety.
量子計算は、一般的には、Nキュビット(量子ビット)の状態を初期化し、それらの間の制御された絡み合いを生成し、これらの状態を進展させることができ、進展の後、量子ビットの状態を読み出すことを含む。キュビットは量子ビットであり、量子計算における、2進数字又は古典的な計算のビットに対応するものである。まさにビットは、古典的なコンピュータでは情報の基本単位であるが、キュビットは量子コンピュータにおける情報の基本単位である。通常は、キュビットは2つの縮退した(例えば、等しいエネルギのものである)量子状態を備えた系であり、キュビットの量子状態は、2つの縮退した状態の重ね合わせにある。2つの縮退した状態はまた、基本的な状態とも呼ばれる。更に、2つの縮退又は基本的な状態は、|0>及び|1>で表される。キュビットは、これらの2つの縮退状態の重ね合わせとすることができ、普通のデジタルコンピュータのビットとは基本的に異なる状態を作る。所定の条件を満たすならば、Nキュビットは、2Nという古典的状態の組み合わせである初期状態を定義することができる。この初期状態は、キュビットがそれら自身の間に有する相互作用と、外部の影響との相互作用によって決定されて進展し、古典的な計算とは似ていない量子力学的演算を提供する。Nキュビットの状態の進展は、計算、即ち、実質的には2Nという同時の古典的計算(例えば、従来のコンピュータを使用してそれらにおいて実行される従来の計算)を定義する。進展後のキュビットの状態を読み出すことにより、計算の結果を完全に決定する。 Quantum computations generally can initialize the state of N qubits (qubits), generate controlled entanglements between them, and develop these states, and after progress, Includes reading status. A qubit is a qubit and corresponds to a binary digit or a classical bit in quantum computation. The bit is exactly the basic unit of information in a classic computer, while the qubit is the basic unit of information in a quantum computer. Normally, a qubit is a system with two degenerate (eg, of equal energy) quantum states, and the qubit's quantum state is in the superposition of two degenerate states. The two degenerate states are also called basic states. Further, two degeneracy or basic states are represented by | 0> and | 1>. A qubit can be a superposition of these two degenerate states, creating a fundamentally different state from that of a normal digital computer. If the predetermined condition is satisfied, the N qubit can define an initial state that is a combination of 2 N classical states. This initial state is determined and developed by the interaction of the qubits between themselves and external influences, and provides quantum mechanical operations that do not resemble classical calculations. The evolution of the state of N qubits defines a calculation, ie, a simultaneous classical calculation of substantially 2 N (eg, a conventional calculation performed on them using a conventional computer). The result of the calculation is completely determined by reading the state of the qubit after progress.
古典的状態の組み合わせの2Nを表し、Nキュビットに関する必要な状態を認めるために、重ね合わせ及び絡み合いの原理を導入する必要がある。重ね合わせは、磁界の粒子としてキュビットを考慮することにより説明することができる。粒子のスピンは、スピンアップ状態として知られる磁界に沿った配置か、スピンダウン状態として知られる磁界に対抗する配置のいずれかである。ある状態から別の状態への粒子スピンの変化は、レーザなどのパルスエネルギを使用して達成される。ある状態から別の状態に粒子のスピンを変化させるのにある任意単位のレーザエネルギが要るならば、半分だけのレーザエネルギが使用され、粒子が全ての外部の影響から隔離されているならば、何が起こるのかという疑問が生じる。量子力学原理によれば、粒子は同時に重ね合わせの状態に入り、まるで同時に両方の状態があるように振る舞う。各キュビットは、0と1の両方の重ね合わせをとることができるように利用される。この特性により、量子コンピュータが保証することができる状態の数は2nであり、ここでnは、計算を実行するのに使用されるキュビットの数である。500キュビットからなる量子コンピュータは、単一ステップで2500演算をする可能性を有する。従来のデジタルコンピュータは、合理的な時間で2500演算に近いスケールの計算を実行することはできない。量子コンピュータによって示される巨大な処理パワーを達成するために、キュビットは、量子絡み合い(entanglement)として知られる仕方で互いに相互作用する必要がある。 The principle of superposition and entanglement needs to be introduced to represent the classical state combination 2 N and to recognize the necessary states for N qubits. Superposition can be explained by considering qubits as magnetic field particles. The spin of the particles is either arranged along a magnetic field known as the spin-up state or arranged against the magnetic field known as the spin-down state. The change of particle spin from one state to another is achieved using pulse energy such as a laser. If an arbitrary unit of laser energy is required to change the spin of a particle from one state to another, only half of the laser energy is used and the particle is isolated from all external influences The question arises as to what happens. According to the quantum mechanics principle, the particles enter the superposition state at the same time, and behave as if both states exist at the same time. Each qubit is utilized so that both 0 and 1 superpositions can be taken. Because of this property, the number of states that a quantum computer can guarantee is 2 n , where n is the number of qubits used to perform the calculation. A quantum computer consisting of 500 qubits has the potential to perform 2500 operations in a single step. A conventional digital computer cannot perform a scale calculation close to 2500 operations in a reasonable time. In order to achieve the enormous processing power exhibited by quantum computers, qubits need to interact with each other in what is known as quantum entanglement.
ある点で互いに相互作用するキュビットは、結びつきのタイプを維持し、相関として知られるプロセスで、対で互いに絡み合うことができる。第1のキュビットが第2のキュビットと絡み合うとき、第1及び第2の量子状態は、量子力学的に相関する。絡み合いは、従来の計算では類似するものがない量子計算演算である。キュビットの対がいったん絡み合ったならば、片方のキュビットからだけの情報は、他のキュビットの状態に必然的に影響し、逆もまた同じである。例えば、いったん一対のキュビットが絡み合ったならば、対の一方で実行される演算は、対の両キュビットに同時に影響する。量子絡み合いにより、より大きな距離だけ離れたキュビットが、(光の速度に制限されない)瞬間的に互いに相互作用することができる。相関した粒子の間の距離がどれくらい大きいかという問題ではなく、粒子は、それらが隔離されている限り絡み合いを維持する。 Qubits that interact with each other at some point maintain their type of association and can be entangled with each other in pairs in a process known as correlation. When the first qubit is intertwined with the second qubit, the first and second quantum states are quantum mechanically correlated. Entanglement is a quantum computation operation that has no similarity in conventional calculations. Once a pair of qubits are intertwined, information from only one qubit necessarily affects the state of the other qubit, and vice versa. For example, once a pair of qubits are intertwined, an operation performed on one of the pair affects both qubits of the pair simultaneously. Quantum entanglement allows qubits that are separated by greater distances to interact with each other instantaneously (not limited by the speed of light). It is not a matter of how large the distance between correlated particles is, the particles remain intertwined as long as they are isolated.
量子重ね合わせと絡み合いとを一緒にすると、大きく増強された計算パワーを作り出す。通常のコンピュータの2ビットレジスタは、所定の時間で4つのバイナリ構成(00,01,10又は11)のうちの1つだけをストアすることができ、量子コンピュータの2キュビットレジスタは、各キュビットが2つの値を表すので、同時に4つ全ての数をストアすることができる。より多くのキュビットが絡み合うならば、容量の増加は指数関数的に増大する。 Combining quantum superposition and entanglement creates a greatly enhanced computational power. A normal computer's 2-bit register can store only one of four binary configurations (00, 01, 10 or 11) at a given time, and a quantum computer's 2-bit register has each qubit Since it represents two values, all four numbers can be stored simultaneously. If more qubits are intertwined, the increase in capacity increases exponentially.
種々の物理系が、量子コンピュータのキュビットに関して提唱されている。ある系は、縮退した核スピン状態を備えた分子を用いる。N. Gershenfeld及びI. Chuangによる米国特許第5,917,322号「Method and Apparatus for Quantum Information Processing(量子情報処理の方法及び装置)」を参照し、その全体を引用によりここに組み入れる。核磁気共鳴(NMR)技術は、スピン状態を読むことができる。これらのシステムは、探索アルゴリズムがうまく実行され、例えば、M. Mosca, R.H. Hansen及びJ.A. Jonesによる「Implementation of a quantum search algorithm on a quantum computer(量子コンピュータの量子探索アルゴリズムの実装)」,Nature 393, 344 (1998年)及びその参照文献を参照し、数の順序付けアルゴリズムについは、例えば、L.M.K. Vandersypen, M. Steffen, G. Breyta, C.S. Yannoni, R. Cleve及びI.L. Chuangによる「Experimental realization of order-finding with a quantum computer(量子コンピュータによる順序探知の実験的具現化)」の前刷り(quant-ph/0007017)及びその参照文献を参照し、その全体を引用によりここに組み入れる。数の順序付けアルゴリズムは、量子フーリエ変換に関係し、Shorの因数分解アルゴリズム (P. Shor , 1994年, Proc. 35th Ann. Symp. On Found. Of Comp. Sci., pp.124-134, IEEE Comp. Soc. Press, Los Alamitos, CA)と、Groverのalgorithm for searching unsorted databases(選別されていないデータベース探索のアルゴリズム)(Grover, 1997年, Phys. Rev. Lett. 78、325頁)の両方の本質的な要素に関係し、その全体を引用によりここに組み入れる。しかしながら、かかるシステムを商業利用数のキュビットに拡張することは困難である。より一般的には、現在提案されているものの多くは、最も実用的な計算に必要な2,3キュビットから102-103キュビットまで拡張しないものである。 Various physical systems have been proposed for qubits in quantum computers. Some systems use molecules with degenerate nuclear spin states. See US Pat. No. 5,917,322 “Method and Apparatus for Quantum Information Processing” by N. Gershenfeld and I. Chuang, which is incorporated herein by reference in its entirety. Nuclear magnetic resonance (NMR) technology can read the spin state. These systems perform well in search algorithms, for example, “Implementation of a quantum search algorithm on a quantum computer” by M. Mosca, RH Hansen and JA Jones, Nature 393, 344 (1998) and its references, for example, see `` Experimental realization of order-finding '' by LMK Vandersypen, M. Steffen, G. Breyta, CS Yannoni, R. Cleve, and IL Chuang. See the preprint (quant-ph / 0007017) of “with a quantum computer” and its references, the entire contents of which are incorporated herein by reference. The number ordering algorithm is related to the quantum Fourier transform, and Shor's factorization algorithm (P. Shor, 1994, Proc. 35th Ann. Symp. On Found. Of Comp. Sci., Pp. 124-134, IEEE Comp. Soc. Press, Los Alamitos, CA) and the essence of Grover's algorithm for searching unsorted databases (Grover, 1997, Phys. Rev. Lett. 78, p. 325) Related to general elements, which are incorporated herein by reference in their entirety. However, it is difficult to extend such a system to a commercial number of qubits. More generally, many of the currently proposed ones do not extend from a few qubits to the 102-103 qubits required for the most practical calculations.
あいにく、キュビットを絡み合わせる現在の方法は、干渉の損失に影響されやすい。干渉の損失は、環境との相互作用の結果としてのキュビットの量子重ね合わせの位相の損失である。従って、干渉の損失は、キュビットの状態の重ね合わせの損失を生じる。例えば、ZurekによるPhys. Today 44, 36頁(1999年)、Leggett等によるRev. Mod. Phys. 59, 1頁(1987年)、Weissによる「Quantitative Dissipative Systems」第2版, World Scientific, Singapore(1999年)、及び、Hu等によるarXiv:cond-mat/0108339を参照し、これらの全体を引用によりここに組み入れる。キュビットの量子状態の絡み合いは、量子アルゴリズムの応用では重要なステップである。例えば、P. Shor, SIAM J. of Comput., 26:5, 1484-1509頁(1997年)を参照し、その全体を引用によりここに組み入れる。位相キュビットを絡み合わせる現在の方法は、キュビットの各々のフラックスの相互作用を要し、Yuriy Makhlin, Gerd Schon, Alexandre Shnirmanによる「Quantum state engineering with Josephson junction devices(ジョセフソン接合素子の量子状態エンジニアリング)」LANL前刷り, cond-mat/0011269 (2000年11月)を参照し、その全体を引用によりここに組み入れる。この絡み合いの形態は、周辺場と結合するキュビットに対して敏感であり、それにより干渉性が消失し、情報の損失が生じる。 Unfortunately, current methods of intertwining qubits are sensitive to interference losses. The loss of interference is the loss of phase of the quantum superposition of qubits as a result of interaction with the environment. Thus, loss of interference results in loss of superposition of qubit states. For example, Phys. Today 44, 36 (1999) by Zurek, Rev. Mod. Phys. 59, 1 (1987) by Leggett et al., “Quantitative Dissipative Systems” 2nd edition by Weiss, World Scientific, Singapore ( 1999) and Hu et al., ArXiv: cond-mat / 0108339, which are hereby incorporated by reference in their entirety. The entanglement of qubit quantum states is an important step in the application of quantum algorithms. See, for example, P. Shor, SIAM J. of Comput., 26: 5, 1484-1509 (1997), which is incorporated herein by reference in its entirety. The current method of intertwining phase qubits requires the interaction of each flux of the qubit, and “Quantum state engineering with Josephson junction devices” by Yuriy Makhlin, Gerd Schon, Alexandre Shnirman. See LANL Preprint, cond-mat / 0011269 (November 2000), which is incorporated herein by reference in its entirety. This form of entanglement is sensitive to qubits that combine with the surrounding field, which results in loss of coherence and loss of information.
上で議論したように、現在提案されているキュビットの読み出し、初期化、及び、絡み合わせは、キュビットの位置での磁束の検出又は操作を含み、これらの方法は、干渉性の消失に対して影響を受けやすく、結果として生じる量子計算素子の全体的な拡張性を制限する。従って、当該技術分野において、キュビットの絡み合わせ、さもなければキュビットの制御の方法が必要である。かかる方法は、干渉性の消失、及び、ノイズの他のソースを最小にし、拡張性が改善されるという効率的な量子レジスタを作るのに使用することができる。 As discussed above, the currently proposed qubit readout, initialization, and entanglement involves the detection or manipulation of magnetic flux at the qubit's location, and these methods can be used for coherent loss. It is sensitive and limits the overall scalability of the resulting quantum computing element. Therefore, there is a need in the art for a method of entanglement of qubits or otherwise control of qubits. Such a method can be used to create an efficient quantum register where the loss of coherence and other sources of noise is minimized and scalability is improved.
本発明は、キュビットを絡み合わせ且つ制御するために当該技術分野で必要なことに対処するものである。本発明の方法及び装置は、電荷キュビットのような電荷素子を、位相キュビットのような位相素子と絡み合わせる方法の意外な発見に基づき、かかる方法では、電荷素子は位相素子の量子状態を読み出すのに使用することができる。本発明では、位相素子及び電荷素子は、π/2移相素子により接続されている。いかなる特定の理論に制限されることなく、π/2移相素子は、電荷素子の電流が位相素子のフラックスの変化に対して最大に敏感であるオペレーションのポイントに、位相素子及び電荷素子を含む回路を押し入れる。この現象のため、電荷素子は位相素子の量子状態を読み出すことができる。 The present invention addresses what is needed in the art to entangle and control qubits. The method and apparatus of the present invention is based on the unexpected discovery of a method of entanglement of a charge element such as a charge qubit with a phase element such as a phase qubit, in which the charge element reads the quantum state of the phase element. Can be used for In the present invention, the phase element and the charge element are connected by a π / 2 phase shift element. Without being limited to any particular theory, a π / 2 phase shift element includes a phase element and a charge element at the point of operation where the charge element current is most sensitive to changes in the phase element flux. Push in the circuit. Because of this phenomenon, the charge element can read the quantum state of the phase element.
本発明のある実施形態は、メゾスコピック位相素子の量子力学状態とメゾスコピック電荷素子の量子力学状態が相互作用するような、メゾスコピック位相素子、メゾスコピック電荷素子、及び、メゾスコピック位相素子とメゾスコピック電荷素子とを結合する機構を有する超伝導構造体を提供する。ある実施形態では、メゾスコピック位相素子は、電荷エネルギEc及びジョセフソン結合エネルギEJによって特徴付けられる超伝導メゾスコピック島を含む。更に、メゾスコピック島の電荷エネルギEcは、ジョセフソン結合エネルギEJと比較して大きい。即ち、ECは、EJより少なくとも10倍、乃至約100倍大きい。 Certain embodiments of the present invention combine mesoscopic phase elements, mesoscopic charge elements, and mesoscopic phase elements and mesoscopic charge elements such that the quantum mechanical state of the mesoscopic phase element interacts with the quantum mechanical state of the mesoscopic charge element. There is provided a superconducting structure having a mechanism for In some embodiments, the mesoscopic phase element includes a superconducting mesoscopic island characterized by charge energy E c and Josephson coupling energy E J. Furthermore, the charge energy E c of the mesoscopic island is larger than the Josephson coupling energy E J. That is, E C is at least 10 times to about 100 times larger than E J.
本発明のある実施形態では、メゾスコピック位相素子は、超伝導メゾスコピック島を含み、メゾスコピック島の電荷エネルギECは、島のジョセフソン結合エネルギEJと同じオーダーである。本発明のある実施形態では、メゾスコピック位相素子は、時間反転対称を乱す超伝導材料からなる。時間反転対称を乱す材料は、Yba2Cu3O7-x、Bi2Sr2Can-1CunO2n+4、Tl2Ba2CuO6+x及びHgBa2CuO4のようなd波超伝導体と、Sr2RuO4又はCeIrIn5のようなp波超伝導体を含む。 In one embodiment of the present invention, the mesoscopic phase element comprises a superconducting mesoscopic island, and the mesoscopic island charge energy E C is on the same order as the island's Josephson coupling energy E J. In an embodiment of the invention, the mesoscopic phase element is made of a superconducting material that disturbs the time reversal symmetry. Material for disturbing the time reversal symmetry, d wave like Yba 2 Cu 3 O 7-x , Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 2n + 4, Tl 2 Ba 2 CuO 6 + x and HgBa 2 CuO 4 Superconductors and p-wave superconductors such as Sr 2 RuO 4 or CeIrIn 5 .
本発明の別の実施形態では、メゾスコピック位相素子は、島、バルク領域、及び、バルク領域から前記メゾスコピック島を分離する清浄ジョセフソン接合を含む。清浄ジョセフソン接合は、散乱サイトが自由なジョセフソン接合である。本発明の更に別の実施形態では、メゾスコピック位相素子は、1又はそれ以上のジョセフソン接合を含む内側超伝導ループと、2又はそれ以上のジョセフソン接合を含む外側超伝導ループとを含む。更に、内側超伝導ループは、外側超伝導ループに誘導的に結合される。ある実施形態では、メゾスコピック位相素子の内側超伝導ループは、アルミニウム(Al)、ニオブ(Nb)及び鉛(Pb)のような従来の超伝導材料からなる。他の実施形態では、内側超伝導ループは、時間反転対称を乱す超伝導材料からなる。本発明のある実施形態では、外側超伝導ループは、アルミニウム(Al)、ニオブ(Nb)及び鉛(Pb)のような従来の超伝導材料からなる。本発明のある実施形態では、外側超伝導ループは、π/2移相素子のような移相素子を含む。 In another embodiment of the present invention, the mesoscopic phase element includes an island, a bulk region, and a clean Josephson junction that separates the mesoscopic island from the bulk region. A clean Josephson junction is a Josephson junction with free scattering sites. In yet another embodiment of the invention, the mesoscopic phase element includes an inner superconducting loop that includes one or more Josephson junctions and an outer superconducting loop that includes two or more Josephson junctions. Furthermore, the inner superconducting loop is inductively coupled to the outer superconducting loop. In some embodiments, the inner superconducting loop of the mesoscopic phase element is made of a conventional superconducting material such as aluminum (Al), niobium (Nb) and lead (Pb). In other embodiments, the inner superconducting loop consists of a superconducting material that disturbs the time reversal symmetry. In some embodiments of the invention, the outer superconducting loop is made of a conventional superconducting material such as aluminum (Al), niobium (Nb) and lead (Pb). In some embodiments of the invention, the outer superconducting loop includes a phase shift element, such as a π / 2 phase shift element.
本発明の更に別の実施形態では、メゾスコピック電荷素子は、電荷エネルギEC及びジョセフソン結合エネルギEJによって特徴付けられたメゾスコピック島を含む。メゾスコピック超伝導領域の電荷エネルギECは、ジョセフソン結合エネルギEJと比較して小さい。 In yet another embodiment of the present invention, the mesoscopic charge device includes a mesoscopic island characterized by charge energy E C and Josephson coupling energy E J. The charge energy E C in the mesoscopic superconducting region is smaller than the Josephson coupling energy E J.
本発明のある実施形態では、メゾスコピック電荷素子は、素子リードと、メゾスコピック島と、素子リードに接続された2つのジョセフソン接合とを含む。2つのジョセフソン接合は、メゾスコピック島に結合され、それにより素子リードからメゾスコピック島を絶縁する。メゾスコピック電荷素子は更に、メゾスコピック島に容量的に結合された電極と、容量的に結合された電極の電荷を制御する機構とを含む。 In some embodiments of the invention, the mesoscopic charge device includes a device lead, a mesoscopic island, and two Josephson junctions connected to the device lead. The two Josephson junctions are coupled to the mesoscopic island, thereby isolating the mesoscopic island from the device leads. The mesoscopic charge device further includes an electrode capacitively coupled to the mesoscopic island and a mechanism for controlling the charge of the capacitively coupled electrode.
本発明のある実施形態では、結合の機構は、移相を導入する機構を含む。ある実施形態では、移相を導入する機構は、移相ジョセフソン接合のようなπ/2移相素子である。本発明のある実施形態では、移相ジョセフソン接合は、移相ジョセフソン接合のリードの間に配置された強磁性材料を含む。ある実施形態では、移相ジョセフソン接合は、従来にない超伝導材料(例えば、d波又はp波)を含み、移相ジョセフソン接合のリードは、粒界ジョセフソン接合にわたって接続され、その結果、移相は前記粒界にわたる遷移の累積である。本発明のある実施形態では、前記粒界にわたる結晶の異方性の角度は、粒界の角度に対して0°乃至45°である。ある実施形態では、メゾスコピック位相素子とメゾスコピック電荷素子とを結合する機構は、メゾスコピック位相素子とメゾスコピック電荷素子とを干渉的に結合する。本発明のある実施形態では、メゾスコピック位相素子とメゾスコピック電荷素子とを結合する機構は、メゾスコピック位相素子とメゾスコピック電荷素子とを絡み合わせることができる。 In some embodiments of the invention, the mechanism of binding includes a mechanism that introduces a phase shift. In some embodiments, the mechanism for introducing the phase shift is a π / 2 phase shift element, such as a phase shift Josephson junction. In some embodiments of the invention, the phase-shifting Josephson junction includes a ferromagnetic material disposed between the leads of the phase-shifting Josephson junction. In certain embodiments, the phase-shifting Josephson junction comprises an unconventional superconducting material (eg, d-wave or p-wave), and the leads of the phase-shifting Josephson junction are connected across the grain boundary Josephson junction, resulting in The phase shift is the accumulation of transitions across the grain boundaries. In an embodiment of the present invention, the angle of crystal anisotropy across the grain boundary is 0 ° to 45 ° with respect to the grain boundary angle. In some embodiments, the mechanism for coupling the mesoscopic phase element and the mesoscopic charge element interferometrically couples the mesoscopic phase element and the mesoscopic charge element. In some embodiments of the present invention, the mechanism for coupling the mesoscopic phase element and the mesoscopic charge element can entangle the mesoscopic phase element and the mesoscopic charge element.
本発明の別の態様は、メゾスコピック位相素子と、メゾスコピック電荷素子と、及び、メゾスコピック位相素子の状態とメゾスコピック電荷素子の状態とが相互作用するようにメゾスコピック電荷素子にメゾスコピック位相素子を結合する機構とを有する超伝導構造体を提供する。更に本発明は、メゾスコピック電荷素子の状態を読み出す機構を提供する。ある実施形態では、メゾスコピック電荷素子は、素子リードを含み、メゾスコピック電荷素子の状態を読み出す機構は、シャント抵抗と、電流源と、メゾスコピック電荷素子のリードにわたる電圧降下を測定する機構と、メゾスコピック電荷素子のリードを接地する機構とを含む。シャント抵抗、電流源、電圧降下を測定する機構、及び、接地させる機構は、メゾスコピック電荷素子の素子リードと並列である。 Another aspect of the invention includes a mesoscopic phase element, a mesoscopic charge element, and a mechanism for coupling the mesoscopic phase element to the mesoscopic charge element such that the state of the mesoscopic phase element and the state of the mesoscopic charge element interact. A superconducting structure is provided. Furthermore, the present invention provides a mechanism for reading the state of a mesoscopic charge device. In some embodiments, the mesoscopic charge element includes an element lead, the mechanism for reading the state of the mesoscopic charge element includes a shunt resistor, a current source, a mechanism for measuring a voltage drop across the lead of the mesoscopic charge element, and a mesoscopic charge element. And a mechanism for grounding the lead. The shunt resistance, the current source, the mechanism for measuring the voltage drop, and the mechanism for grounding are in parallel with the element lead of the mesoscopic charge element.
本発明の別の態様は、メゾスコピック位相素子と、メゾスコピック電荷素子と、メゾスコピック位相素子の状態とメゾスコピック電荷素子の状態とが相互作用するようにメゾスコピック電荷素子にメゾスコピック位相素子を結合する機構と、メゾスコピック位相素子の状態を読み出す機構とを含む。ある実施形態では、メゾスコピック電荷素子は、リードを含み、メゾスコピック電荷素子の状態を読み出す機構は、シャント抵抗と、電流源と、メゾスコピック電荷素子のリードにわたる電圧降下を測定する機構と、メゾスコピック電荷素子のリードを接地する機構とを含む。かかる実施形態では、シャント抵抗と、電流源と、電圧降下を測定する機構と、接地させる機構とは、メゾスコピック電荷素子のリードと並列に配置される。 Another aspect of the present invention includes a mesoscopic phase element, a mesoscopic charge element, a mechanism for coupling the mesoscopic phase element to the mesoscopic charge element so that the state of the mesoscopic phase element and the state of the mesoscopic charge element interact, and a mesoscopic phase element And a mechanism for reading the state of the phase element. In some embodiments, the mesoscopic charge element includes a lead, and the mechanism for reading the state of the mesoscopic charge element includes a shunt resistor, a current source, a mechanism for measuring a voltage drop across the lead of the mesoscopic charge element, and a mesoscopic charge element And a mechanism for grounding the lead. In such an embodiment, the shunt resistor, the current source, the mechanism for measuring the voltage drop, and the mechanism for grounding are arranged in parallel with the leads of the mesoscopic charge element.
本発明の更に別の態様は、複数のメゾスコピック位相素子を含む超伝導構造体を提供する。複数のメゾスコピック位相素子の各メゾスコピック位相素子は、並列に配置される。超伝導構造体は更に、メゾスコピック電荷素子、第1のメゾスコピック位相素子の状態とメゾスコピック電荷素子の状態とが相互作用するように、複数のメゾスコピック位相素子の第1のメゾスコピック位相素子をメゾスコピック電荷素子と結合する機構と、前記メゾスコピック電荷素子の状態を読み出す機構とを含む。ある実施形態では、複数のメゾスコピック位相素子の各メゾスコピック位相素子は、位相キュビットであり、超伝導構造体は、量子レジスタを形成する。 Yet another aspect of the present invention provides a superconducting structure including a plurality of mesoscopic phase elements. Each mesoscopic phase element of the plurality of mesoscopic phase elements is arranged in parallel. The superconducting structure further includes the first mesoscopic phase element of the plurality of mesoscopic phase elements and the mesoscopic charge element so that the state of the mesoscopic charge element and the state of the first mesoscopic phase element interact with the state of the mesoscopic charge element. And a mechanism for reading out the state of the mesoscopic charge element. In some embodiments, each mesoscopic phase element of the plurality of mesoscopic phase elements is a phase qubit, and the superconducting structure forms a quantum resistor.
本発明のある実施形態は、超伝導構造体を提供する。該構造体は、複数のメゾスコピック位相素子と複数のメゾスコピック電荷素子とを含む。複数のメゾスコピック位相素子の各メゾスコピック位相素子は並列に配置される。構造体は更に、特定の第1の位相素子の状態と第1のメゾスコピック電荷素子の状態とが相互作用するように、複数のメゾスコピック位相素子の第1のメゾスコピック位相素子と複数のメゾスコピック電荷素子の第1の電荷素子とを結合する機構を設ける。構造体は更に、第1のメゾスコピック電荷素子又は前記メゾスコピック位相素子の状態を読み出す機構を設ける。ある実施形態では、複数のメゾスコピック位相素子の各メゾスコピック位相素子、及び、複数のメゾスコピック電荷素子の各メゾスコピック電荷素子は、キュビットである。更に、超伝導構造体は不均一な量子レジスタを形成する。 Certain embodiments of the present invention provide a superconducting structure. The structure includes a plurality of mesoscopic phase elements and a plurality of mesoscopic charge elements. Each mesoscopic phase element of the plurality of mesoscopic phase elements is arranged in parallel. The structure further includes a first mesoscopic phase element of the plurality of mesoscopic phase elements and a plurality of mesoscopic charge elements of the plurality of mesoscopic phase elements such that the state of the specific first phase element interacts with the state of the first mesoscopic charge element. A mechanism for coupling the first charge element is provided. The structure further provides a mechanism for reading the state of the first mesoscopic charge element or the mesoscopic phase element. In some embodiments, each mesoscopic phase element of the plurality of mesoscopic phase elements and each mesoscopic charge element of the plurality of mesoscopic charge elements is a qubit. Furthermore, the superconducting structure forms a non-uniform quantum resistor.
本発明は、超伝導又は量子計算の分野における基本的な制限の存在−キュビットの絡み合いについて取り扱う。量子計算の十分な可能性を達成するために、ここでは、Nキュビットは、初期状態、即ち、2N計算を同時に実行することができる2N状態の組み合わせを定義し、Nキュビットは適当に絡み合っている必要がある。 The present invention deals with the existence of a fundamental limitation in the field of superconductivity or quantum computing-qubit entanglement. In order to achieve the full potential of quantum computation, here N qubits define an initial state, ie a combination of 2N states in which 2N computations can be performed simultaneously, and N qubits are appropriately entangled There is a need.
第1のキュビットの量子力学状態が、第2のキュビットの量子力学状態により影響されるとき、2又はそれ以上のキュビットが絡み合っている。例えば、第1のキュビットがその第1の基本状態にある確率が、第2のキュビットの基本状態の関数であるとき、第1のキュビットの量子力学状態は第2のキュビットの量子力学状態によって影響される。第1及び第2のキュビットの間の絡み合いを達成するために、第1及び第2のキュビットの各々の量子状態が、結合の緊密さの最小限の損失で相互作用するように、緊密に結合する必要がある。クーパー対(即ち、超伝導媒体の対向スピン及び運動量が束縛された電子の対)が第1及び第2のキュビットの間を流れることができるとき、キュビットは、緊密に結合されている。第1及び第2のキュビットの直接結合の場合、干渉性結合は、キュビット間の距離がクーパー対の位相干渉長よりも短いキュビットを位置決めすることにより達成することができる。クーパー対の位相干渉長は、材料に依存する。ある材料では、位相干渉長は、100nm以下のオーダである。 When the quantum mechanical state of the first qubit is affected by the quantum mechanical state of the second qubit, two or more qubits are intertwined. For example, when the probability that a first qubit is in its first fundamental state is a function of the fundamental state of the second qubit, the quantum mechanical state of the first qubit is affected by the quantum mechanical state of the second qubit. Is done. In order to achieve entanglement between the first and second qubits, the quantum states of each of the first and second qubits are tightly coupled so that they interact with minimal loss of tightness of coupling. There is a need to. A qubit is tightly coupled when a Cooper pair (ie, a pair of electrons with constrained opposing spin and momentum in a superconducting medium) can flow between the first and second qubits. In the case of direct coupling of the first and second qubits, coherent coupling can be achieved by positioning a qubit whose distance between the qubits is shorter than the phase interference length of the Cooper pair. The phase interference length of the Cooper pair depends on the material. For some materials, the phase interference length is on the order of 100 nm or less.
キュビットを絡み合わせるための知られた方法がある。本発明は、キュビットを絡み合わせることができる装置及び方法を提供し、その作動に関係するキュビットは異なる体制で異なる特徴を有する。有利なことに、本発明の絡み合わせ方法は、干渉性の損失無く、種々のキュビットを絡み合わせるために率に応じて決めることができる。本発明のある実施形態では、位相素子は、移相ジョセフソン接合のようなπ/2移相素子を使用した電荷素子に干渉的に結合される。π/2移相素子は、絡み合った相及び電荷キュビットを含む、素子の作動のポイントをΦ0/4に動かすように使用され、電荷素子の磁束に対する切換電流の依存性は最も強い。従って、π/2移相素子は、位相キュビットの状態を変化させるのに最も敏感な状態に電荷キュビットを置く。 There are known methods for intertwining qubits. The present invention provides an apparatus and method capable of intertwining qubits, the qubits involved in their operation having different characteristics in different regimes. Advantageously, the entanglement method of the present invention can be determined on a rate basis to entangle various qubits without loss of coherency. In some embodiments of the invention, the phase element is interferometrically coupled to a charge element using a π / 2 phase shift element, such as a phase shift Josephson junction. [pi / 2 phase shift element comprises entangled phases and charge qubits are used to move the point of operation of the device to the [Phi 0/4, dependence of switching current for the magnetic flux of the charge element is strongest. Thus, the π / 2 phase shifter places the charge qubit in a state that is most sensitive to changing the state of the phase qubit.
電荷素子は、位相素子の状態を読み出すのに使用することができる。本発明の別の実施形態では、電荷素子は、位相素子の並列アレイに結合される。電荷素子は、位相素子のいかなる組み合わせをも読み出すように使用することができる。 The charge element can be used to read the state of the phase element. In another embodiment of the invention, the charge elements are coupled to a parallel array of phase elements. The charge element can be used to read any combination of phase elements.
超伝導エレクトロニクスは、「電荷素子」と「位相素子」の2つの広い分類に分けることができる。電荷素子は、電荷キュビットを含む。電荷キュビットは、超伝導である島を含む。電荷キュビットは、該島にトラップされた電荷を介して異なる状態にエンコードする。例えば、Makhlin等による1999年のNature 398, 305頁を参照し、引用によりその全体をここに組み入れる。位相素子は位相キュビットを含む。同様な電荷キュビット、位相キュビットは、超伝導の島を含む。位相キュビットでは、各状態は、低インダクタンスSQUIDループにおける超伝導島の位相Φの値により大きく異なる。例えば、Ivanov及びFeigel'manによる1988年のJETP87の349頁、Ioffe等による1999年のNature 398、679頁を参照し、引用によりその全体をここに組み入れる。SQUIDループは、1又はそれ以上のジョセフソン接合を含む小さな超伝導ループである。SQUIDは、「超伝導量子干渉素子(Superconducting QUantum Interference Device)」を表す。SQUIDは、ループの領域を通過する磁界の総量に対して非常に敏感であり、素子にわたって測定された電圧は、ループの周りの総磁界と非常に強く相関する。メゾスコピック位相素子及びメゾスコピック電荷素子では、超伝導島は、メゾスコピック(中間視的)である。 Superconducting electronics can be divided into two broad categories: “charge devices” and “phase devices”. The charge element includes a charge qubit. Charge qubits include islands that are superconducting. The charge qubit encodes to different states via the charge trapped on the island. See, for example, Makhlin et al., 1999, Nature 398, 305, which is incorporated herein by reference in its entirety. The phase element includes a phase qubit. Similar charge qubits and phase qubits include superconducting islands. In the phase qubit, each state varies greatly depending on the value of the phase Φ of the superconducting island in the low inductance SQUID loop. For example, see Ivanov and Feigel'man, 1988, JETP 87, p. 349, Ioffe et al., 1999, Nature 398, p. 679, which is hereby incorporated by reference in its entirety. A SQUID loop is a small superconducting loop that includes one or more Josephson junctions. SQUID stands for “Superconducting QUantum Interference Device”. SQUID is very sensitive to the total amount of magnetic field that passes through the region of the loop, and the voltage measured across the element correlates very strongly with the total magnetic field around the loop. In mesoscopic phase elements and mesoscopic charge elements, the superconducting island is mesoscopic (intermediate).
長いレンジのクーロン力の結果として、電荷キュビットは、環境及び他のキュビットと強く相互作用する。反対に、位相キュビットは、環境からより有効に切り離される。実際に、Φの値だけ異なる状態の純粋な位相キュビットは、環境と事実上ゼロの相互作用である。Feigel'man等による1999年7月21日のarXiv:cond-mat/9907317v.1を参照し、引用によりその全体をここに組み入れる。従って、位相キュビットのアレイは、電荷キュビットのアレイよりも干渉性が消失するようにされるのが小さい。 As a result of long range Coulomb forces, charge qubits interact strongly with the environment and other qubits. Conversely, phase qubits are more effectively disconnected from the environment. In fact, a pure phase qubit that is different by the value of Φ has virtually zero interaction with the environment. See arXiv: cond-mat / 9907317v.1 July 21, 1999 by Feigel'man et al., Which is hereby incorporated by reference in its entirety. Thus, an array of phase qubits is less likely to lose coherence than an array of charge qubits.
ジョセフソン接合は、ある超伝導体から別の超伝導体に印加電圧なしで接合を介して超伝導電子の対(クーパー対)を「トンネル」させることができる接合である。ジョセフソン接合は、超伝導体の間の電位差の欠如が対等な、近くに配置された超伝導体の間を電子対がトンネルする可能性があるという仮説を立てた、B.D.ジョセフソンから名付けられた。B.D.Josephsonによる「超伝導トンネリングにおける新しい効果の可能性(Possible new effects in superconducting tunneling)」、Phys.Lett,1,251乃至253頁(1962年)を参照。より一般的には、超伝導電子の対(クーパー対)が、印加電圧なしである超伝導体から別の超伝導体にリンクを介して「トンネル」することができるジョセフソン接合のようなリンクを、弱いリンクと呼ぶ。 A Josephson junction is a junction that can “tunnel” a pair of superconducting electrons (Cooper pair) through a junction from one superconductor to another without an applied voltage. Josephson junctions are named after BD Josephson, which hypothesized that electron pairs might tunnel between nearby superconductors, where the lack of potential difference between the superconductors is comparable. It was. See B.D. Josephson, “Possible new effects in superconducting tunneling,” Phys. Lett, 1, 251-253 (1962). More generally, a link, such as a Josephson junction, that allows a pair of superconducting electrons (Cooper pair) to “tunnel” from one superconductor to another with no applied voltage. Is called a weak link.
クーパー対は、超伝導体の基本的な電流キャリアである。特に、クーパー対は、超伝導媒体の対向するスピン及び運動量の束縛電子の対である。超伝導体の基本状態では、全ての電子はクーパー対に束縛される(従って、基本状態は偶数の電子だけを包含することができる)。従って、余分な電子は、bogolonのような励起状態を占め、基底状態エネルギから測定されたその最小エネルギは、Δである。 Cooper pairs are the basic current carriers of superconductors. In particular, a Cooper pair is a pair of opposing spin and momentum bound electrons in a superconducting medium. In the superconductor fundamental state, all electrons are bound to Cooper pairs (thus the fundamental state can only contain an even number of electrons). Thus, the extra electrons occupy an excited state such as bogolon and its minimum energy measured from the ground state energy is Δ.
本発明は、位相素子、電荷素子を含む量子位相電荷結合素子、及び、位相素子及び電荷素子が互いに相互作用する2つの素子を結合する機構を含む機構を提供する。本発明のある実施形態では、位相素子は、位相量子ビット(位相キュビット)であり、電荷素子は電荷キュビットである。他の実施形態では、位相素子又は電荷素子はキュビットであり、他の素子はキュビットの状態を読み出すのに使用することができる。本発明のある実施形態では、位相素子は、メゾスコピック位相素子であり、電荷素子はメゾスコピック電荷素子である。 The present invention provides a mechanism that includes a phase element, a quantum phase charge coupled device including a charge element, and a mechanism that couples two elements that interact with each other. In some embodiments of the present invention, the phase element is a phase qubit (phase qubit) and the charge element is a charge qubit. In other embodiments, the phase element or charge element is a qubit, and other elements can be used to read the state of the qubit. In some embodiments of the invention, the phase element is a mesoscopic phase element and the charge element is a mesoscopic charge element.
位相素子及び電荷素子を結合する機構は、素子の間の移相を導くための機構を含む。本発明のある実施形態では、移相はπ/2-移相である。π/2-移相の目的は、素子の間に適切な結合を提供することである。普通は、π/2接合は、素子を通じてフラックスに対する電流の依存性が最も強いポイントにSQUID素子の作動のポイントを移動させるのに使用される。位相素子110及び電荷素子120(図1)の所定の実施形態では、π/2接合は、素子110及び120の間のコヒーレント結合の正確な形態を提供するのに用いられる。π/2接合は、強い接合である(即ち、接合は、大きなジョセフソン結合エネルギEJを有し、それ故、強い臨界電流を有する)。
The mechanism for coupling the phase element and the charge element includes a mechanism for introducing a phase shift between the elements. In certain embodiments of the invention, the phase shift is a π / 2-phase shift. The purpose of π / 2-phase shift is to provide adequate coupling between the elements. Usually, π / 2 junctions are used to move the point of operation of a SQUID device through the device to the point where the current dependence on flux is strongest. In certain embodiments of
本発明の移相素子は、相当の許容度を有していることを認識すべきである。即ち、それらは、完全なπ/2移相に従わない。ある実施形態では、本発明の移相素子は、π/2±0.25π移相を許す。より好ましい実施形態では、本発明の移相素子は、π/2±0.20π移相に従う。本発明の更に別の実施形態では、本発明の移相そしは、π/2±0.10π移相に従う。本発明の更に別の実施形態では、本発明の移相そしは、π/2±0.05π移相に従う。更に、本発明の移相素子が、素子115(図1)のような単一素子として記載されているが、複数の素子の合計がπ/2の全移相を達成するように、連続して複数の素子を用いることができることを認識すべきである。 It should be recognized that the phase shift element of the present invention has considerable tolerance. That is, they do not follow a complete π / 2 phase shift. In one embodiment, the phase shift element of the present invention allows a π / 2 ± 0.25π phase shift. In a more preferred embodiment, the phase shift element of the present invention follows a π / 2 ± 0.20π phase shift. In yet another embodiment of the present invention, the phase shift of the present invention follows a π / 2 ± 0.10π phase shift. In yet another embodiment of the present invention, the phase shift of the present invention follows a π / 2 ± 0.05π phase shift. Further, although the phase shift element of the present invention is described as a single element, such as element 115 (FIG. 1), it is continuous so that the sum of multiple elements achieves a total phase shift of π / 2. It should be appreciated that multiple elements can be used.
メゾスコピック位相素子又はメゾスコピック電荷素子のようなメゾスコピック素子は、巨視的よりも小さく、微視的よりも大きい寸法を備えた(島、メゾスコピック(中間視的)島、メゾスコピック領域、及び、メゾスコピック超伝導領域、と交換可能に名付けられた)構造を含む素子であり、素子が量子力学的に振る舞うような素子の寸法をとる。それゆえ、ハイゼンベルグの不確定性原理は、素子内のメゾスコピック島の電荷と位相との間の関係を規定する。この原理は、以下のように記述することができ、
ΔnΔφ≧1/2 (式1)
ここで、Δnは、メゾスコピック島(メゾスコピック領域)の電荷の不確定性(又は、電荷のゆらぎ)を表し、Δφは、メゾスコピック島の位相の不確定性(又は、位相のゆらぎ)を表す。従って、メゾスコピック素子は、メゾスコピック島の位相の不確実性が電荷の不確実性と比較して大きい、電荷体制と、メゾスコピック島の電荷の不確実性が位相の不確実性と比較して大きい、位相体制との2つの体制を有することができる。
Mesoscopic devices such as mesoscopic phase devices or mesoscopic charge devices have dimensions that are smaller than macroscopic and larger than microscopic (islands, mesoscopic islands, mesoscopic regions, and mesoscopic superconducting regions , And the dimensions of the element such that the element behaves quantum mechanically. Therefore, Heisenberg's uncertainty principle defines the relationship between the charge and phase of the mesoscopic island in the device. This principle can be described as follows:
ΔnΔφ ≧ 1/2 (Formula 1)
Here, Δn represents the charge uncertainty (or charge fluctuation) of the mesoscopic island (mesoscopic region), and Δφ represents the phase uncertainty (or phase fluctuation) of the mesoscopic island. Therefore, the mesoscopic element has a large mesoscopic island phase uncertainty compared to the charge uncertainty, the charge regime, and the mesoscopic island charge uncertainty is large compared to the phase uncertainty, It can have two systems, a phase system.
典型的には、電荷及び位相体制は、素子の条件のジョセフソン結合エネルギEJとクーロンエネルギECの比によって決定される。例えば、比EC/EJ≫1のとき素子は電荷体制にあり、比EC/EJ≪1のとき、素子は位相体制にある。更に、本発明の実施形態では、EC≒EJもまた利用することができる。 Typically, the charge and phase regime is determined by the ratio of Josephson coupling energy E J to Coulomb energy E C in the device conditions. For example, when the ratio E C / E J >> 1, the device is in a charge regime, and when the ratio E C / E J << 1, the device is in a phase regime. Furthermore, E C ≈E J can also be utilized in embodiments of the present invention.
メゾスコピック素子が、電荷体制(EC≫EJ)にあるとき、素子は、メゾスコピック電荷素子と呼ばれる。メゾスコピック電荷素子の電荷は、良好な量子数を表し、有限の数の電荷状態を有する。この場合の良好な量子数は、上の式1の不確実な関係により、その電荷における小さな不確定性を意味する。例えば、Y.Nakamura, Yu.Pashkin及びJ.Tsaiによる「単一のクーパー対ボックスにおける微視的な量子状態の干渉制御(Coherent control of macroscopic quantum state in a single-Cooper-pair box)」Nature 398、786頁(1999年4月)及びそれに参照された参照文献を参照し、引用によりここに組み入れる。メゾスコピック素子が位相体制(EC≪EJ)にあるとき、素子はメゾスコピック位相素子と呼ばれる。メゾスコピック位相素子の位相は、有限の数の位相状態を備えた良好な量子数(不確実性が小さい程度まで)である。メゾスコピック位相素子は、式1の不確実性の関係により、その位相において小さな不確実性を有する。 When the mesoscopic device is in the charge regime (E C >> E J ), the device is called a mesoscopic charge device. The charge of the mesoscopic charge element represents a good quantum number and has a finite number of charge states. A good quantum number in this case means a small uncertainty in its charge due to the uncertain relationship of Equation 1 above. For example, “Coherent control of macroscopic quantum state in a single-Cooper-pair box” Nature 398 by Y. Nakamura, Yu. Pashkin and J. Tsai. 786 (April 1999) and references referenced therein, incorporated herein by reference. When the mesoscopic element is in the phase regime (E C << E J ), the element is called a mesoscopic phase element. The phase of the mesoscopic phase element is a good quantum number (to a degree of uncertainty) with a finite number of phase states. The mesoscopic phase element has a small uncertainty in its phase due to the uncertainty relationship of Equation 1.
メゾスコピック電荷素子の状態(電荷の不確実性)及びメゾスコピック位相素子(位相の不確実性)における不確実性は、量子計算のために活用することができる。メゾスコピック位相素子の位相の小さな不確実性は、キュビットの基本状態を形成するのに用いられる。更に、メゾスコピック位相素子は固定された電荷を有し、その位相における不確実性は、量子計算の目的のために同様に用いられる。 The state of the mesoscopic charge device (charge uncertainty) and the uncertainty in the mesoscopic phase device (phase uncertainty) can be exploited for quantum computation. The small phase uncertainty of the mesoscopic phase element is used to form the fundamental state of the qubit. Furthermore, mesoscopic phase elements have a fixed charge, and the uncertainty in that phase is used as well for quantum computing purposes.
本発明の実施形態による、量子位相電荷結合素子により、メゾスコピック電荷素子の電荷の不確実性が位相素子の位相に影響を及ぼすことができ、位相素子の位相の不確実性が電荷素子の電荷に影響を及ぼすことができる。従って、本発明の実施形態は、電荷キュビットを位相キュビットと干渉結合させる。即ち、電荷キュビット及び位相キュビットは、位相キュビットの電子波動関数の位相と、電荷キュビットの電子波動関数の位相とが、位相キュビットと電荷キュビットとの結合によっては破壊(位相をずらす)されないような仕方で結合される。電荷キュビットと位相キュビットとの干渉結合は、量子計算中に、不均一な絡み合いオペレーションを適用する機構を提供する。不均一な絡み合いオペレーションは、位相キュビットのような位相素子と、電荷キュビットのような電荷素子とを使用して実行されるオペレーションであり、ここで、位相素子と電荷素子は絡み合っている。 With the quantum phase charge coupled device according to an embodiment of the present invention, the charge uncertainty of the mesoscopic charge device can affect the phase of the phase device, and the phase uncertainty of the phase device affects the charge of the charge device. Can influence. Thus, embodiments of the present invention interference couple the charge qubit with the phase qubit. That is, the charge qubit and the phase qubit are such that the phase of the electron wave function of the phase qubit and the phase of the electron wave function of the charge qubit are not broken (shifted in phase) by the coupling of the phase qubit and the charge qubit Combined with Interferometric coupling of charge qubits and phase qubits provides a mechanism for applying non-uniform entanglement operations during quantum computation. A non-uniform entanglement operation is an operation performed using a phase element, such as a phase qubit, and a charge element, such as a charge qubit, where the phase element and the charge element are entangled.
図1は、電荷素子120に直接干渉接続された位相素子110を含む量子位相電荷結合素子と呼ばれる超伝導構造体を図示する。本発明のある実施形態では、位相素子110は、位相キュビットである。位相キュビットの製造及び挙動は当技術分野では周知である。例えば、Alexandre Zagoskinにより1999年12月1日に出願された米国特許出願シリアル番号09/452749「永久読み出し超伝導キュビット(Permanent Readout Superconducting Qubit)」を参照し、その全体を引用によりここに組み入れる。
FIG. 1 illustrates a superconducting structure called a quantum phase charge coupled device that includes a
本発明のある実施形態では、位相素子110は、永久読み出し超伝導キュビット(PRSQ)である。PRSQは、Zagoskinによる上記永久読み出し特許出願に完全に記載されている。簡単に言うと、PRSQは、それが凍結(基底及び崩壊)状態にあるとき、キュビットの自然磁束は、所定のタイプの磁束測定装置の位相をずらす効果に対して、熱揺らぎを除いて、反応しない性質を有するキュビットである。従って、凍結(基底及び崩壊)キュビットの自然磁束は、熱揺らぎを除いて固定されたままである。
In some embodiments of the invention,
位相素子110は、ジョセフソン接合110−3によって分離された、バルク領域110−2と、メゾスコピック島領域110−1(メゾスコピック島及び/又はメゾスコピック領域とも呼ぶ)を含む。メゾスコピック島(メゾスコピック領域)は、2つの縮退状態(基本状態)|0>及び|1>のうちの1つであるゼロでない可能性を有する位相を備えた超伝導電流を支持することができ、位相素子110のようなキュビットのコンテキストにおいては、島である。かかる電流を支持するために、メゾスコピック島は、島内の電子の数に対して敏感にさせる寸法を有する必要がある。かかる寸法は、キュビットの精密な構成に依存して変化するが、一般的にはマイクロメータの範囲内である。ある実施形態では、メゾスコピック島は、0.2μm以下の幅を有し、その長さは約0.5μm以下であり、その厚さは約0.2μmである。位相素子110の基本状態|0>及び|1>は、110の2つの明確かつ縮退した基底状態位相によって表される。
The
図1に示した位相キュビットの製造は、当技術分野で周知である技術を用いて成し遂げられる。例えば、粒界ジョセフソン接合は、チタン酸ストロンチウム(化学技術社、東京、日本)及び標準的な薄膜成長のような、bi-crystal基板を用いて形成することができる。別の粒界接合は、bi-epitaxial法を用いて形成することができる。位相キュビット110のメゾスコピック島及びバルク超伝導領域は、例えば、電子ビームリソグラフィを使用してパターン形成することができる。例示的な製造技術は、Van Zant、2000、Microchip Fabrication, 第4版、McGrawHill、New Yorkに見られる。また、Il'ichev等のarXiv:cond-mat/9811017及び、1999年12月1日に出願された米国特許出願シリアル番号09/452749「永久読み出し超伝導キュビット(Permanent Readout Superconducting Qubit)」を参照し、その全体を引用によりここに組み入れる。
The manufacture of the phase qubit shown in FIG. 1 is accomplished using techniques well known in the art. For example, grain boundary Josephson junctions can be formed using bi-crystal substrates such as strontium titanate (Chemical Technology, Tokyo, Japan) and standard thin film growth. Another grain boundary junction can be formed using the bi-epitaxial method. The mesoscopic islands and bulk superconducting regions of the
図1を参照すると、電荷素子120は、超伝導単一電子トランジスタ(SSET)を示す。SSETは、トンネルバリア(ジョセフソン接合)によって外部回路から絶縁された超伝導材料のメゾスコピック島を含む。通常のトンネルバリア抵抗(R>h/4e2 〜6.5kΩ)は、メゾスコピック島の過剰な電荷にeの整数の倍数を強要するのに十分である。平衡で、電気的に中性なメゾスコピック島に電子を追加することは、電荷エネルギEc=e2/2Cを要し、ここで、Cはメゾスコピック島の総容量である。この「クーロン封鎖」は、ゲート電圧をSSETに印加することにより持ち上げられ、十分なソース−ドレインバイアス電圧を加えることにより乗り越えられる。例えば、Dixon等のarXiv:cond-mat/9909442v1を参照。
Referring to FIG. 1, the
電荷素子(SSET)120は、素子のリードからメゾスコピック島120−4を絶縁した、2つのジョセフソン接合120−1及び120−2を含む。上述のように、SSETは典型的には、素子のリードからメゾスコピック島を絶縁する2つのジョセフソン接合と、メゾスコピック島を容量的に荷電する機構を含む。作動中、メゾスコピック島120−4の荷電エネルギを制御することにより、素子のリードを介した電流の流れを操作することができる。典型的には、SSET120は、単一のクーパー対にわたった制御を提供する。例えば、メゾスコピック島の電荷が、最初の体制にあるとき、素子を流れる電流の流れは許容されず、メゾスコピック島の電荷が第2の体制の場合、素子を流れる電流の流れは許容される。メゾスコピック島の電荷は、例えば、メゾスコピック島に容量的に結合された電圧ソース125によって制御される。
The charge device (SSET) 120 includes two Josephson junctions 120-1 and 120-2 that insulate the mesoscopic island 120-4 from the lead of the device. As described above, the SSET typically includes two Josephson junctions that insulate the mesoscopic island from the device leads and a mechanism for capacitively charging the mesoscopic island. In operation, the current flow through the device leads can be manipulated by controlling the charge energy of the mesoscopic island 120-4. Typically,
荷電素子(SSET)120は更に、(電圧ソース125から)メゾスコピック島120−4にゲート電圧Vgを容量的に結合するキャパシタ120−3を含む。作動中、ゲート電圧Vgは、メゾスコピック島120−4の電荷エネルギEcにわたって制御を行い、従って、超伝導電流の流れを許容する状態と、超伝導電流の流れを許容しない状態との間に素子を調整する機構を提供する。SSETはメゾスコピック荷電素子の例であり、ここで、メゾスコピック島120−4の位相不確定性は、その荷電不確定性と比べて大きく、荷電エネルギは、ゲート電圧Vgによって制御される。SSETがメゾスコピック荷電素子であるので、それは、量子力学の法則に影響されやすい。従って、SSETは、荷電に干渉量子力学波動を有し、それ自体、荷電キュビットとして使用することができる。 Charged element (SSET) 120 further includes a capacitor 120-3 capacitively coupling the gate voltage V g in (from a voltage source 125) mesoscopic island 120-4. In operation, the gate voltage V g is controlled over the charge energy E c of the mesoscopic island 120-4, and therefore between a state allowing a superconducting current flow and a state not allowing a superconducting current flow. A mechanism for adjusting the element is provided. SSET is an example of a mesoscopic charged element, wherein the phase ambiguity of mesoscopic island 120-4 is larger than its charged uncertainty, charged energy is controlled by the gate voltage V g. Since SSET is a mesoscopic charged device, it is sensitive to the laws of quantum mechanics. Thus, SSET has an interfering quantum mechanical wave in charge and can itself be used as a charged qubit.
ゲート電圧Vgは、クーロンエネルギの比を電荷素子120のジョセフソンエネルギに変化させ、従って、メゾスコピック島120−4にわたって電流の流れを制御する。ジョセフソン接合(トンネルジョセフソン)120−1及び120−2の中間層を形成する材料は、誘電率を有する。トンネル接合120−1及び120−2の中間層の容量は、誘電率と相関し、この厚さはEcとEJの間の比を設定するのに使用することができる。
The gate voltage V g is the ratio of the Coulomb energy is changed to the Josephson energy of the
接合の中間層を形成するのに有用ないくつかの材料は、酸化アルミニウム(Al2O3)、金(Au)又は銀(Ag)のような通常の金属である。トンネル接合120−1及び120−2とメゾスコピック島120−4は、例えば、電子ビームリソグラフィ又はシャドーマスク蒸着技術を使用して製造することができる。トンネル接合120−1及び120−2のようなトンネル接合を形成するための方法は、当該技術分野では記載したように周知である。ある実施形態では、接合120の面積は約0.5μm2以下である。本発明の他の実施形態では、トンネル接合120の面積は約0.1μm2以下であり、更に別の実施形態では、トンネル接合120の面積は約60nm2以下である。
Some materials useful for forming the interlayer of the junction are conventional metals such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ), gold (Au) or silver (Ag). Tunnel junctions 120-1 and 120-2 and mesoscopic island 120-4 can be fabricated using, for example, electron beam lithography or shadow mask deposition techniques. Methods for forming tunnel junctions such as tunnel junctions 120-1 and 120-2 are well known as described in the art. In some embodiments, the area of the
SSETの挙動は、P.Joyez等による「Observation of Parity-Induced Suppression of Josephson Tunneling in the Superconducting Single Electron Transistor(超伝導単一電子トランジスタにおけるジョセフソントンネリングのパリティ導入抑制の観察)」Physical Review Letters, Vol.72, No.15 (1994年4月11日)、及び、D.Born, T.Wagner, W.Krech, U.Hubner及びL.Fritzchによる「Fabrication of Ultrasmall Tunnel Junctions by Electron Beam Direct-Writing(電子ビーム直接描画による超小型トンネル接合の製造)」IEEE Trans. App. Superconductivity, 11, 373(2001年3月)及びそこに引用された参照文献に定義され、詳細に議論されており、引用によりその全体をここに組み入れる。本発明のある実施形態では、EJ≒ECの場合、メゾスコピック素子の位相の小さな揺らぎがメゾスコピック素子の電荷に影響し、メゾスコピック素子の電荷の小さな変化がメゾスコピック素子の位相に影響する、体制に電荷素子をすることができる。 The behavior of SSET is described by P. Joyez et al., “Observation of Parity-Induced Suppression of Josephson Tunneling in the Superconducting Single Electron Transistor”, Physical Review Letters, Vol. .72, No. 15 (April 11, 1994) and D. Born, T. Wagner, W. Krech, U. Hubner and L. Fritzch, “Fabrication of Ultrasmall Tunnel Junctions by Electron Beam Direct-Writing ( Fabrication of ultra-small tunnel junctions by direct electron beam drawing) ”, defined in IEEE Trans. App. Superconductivity, 11, 373 (March 2001) and references cited therein and discussed in detail. The whole is incorporated here. In an embodiment of the present invention, when E J ≈E C , a small fluctuation in the phase of the mesoscopic element affects the charge of the mesoscopic element, and a small change in the charge of the mesoscopic element affects the phase of the mesoscopic element. A charge element can be made.
図1は更に、位相素子110と電荷素子120との間の接続140を図示する。接続140は、電荷素子120の電荷状態と相互作用する位相素子110の位相状態のための機構である。図1に示した本発明の実施形態では、接続140は、位相キュビット110のメゾスコピック島領域110−1に接続された第1の端と、電荷キュビット120のメゾスコピック島領域120−4に接続された第2の端とを有する。
FIG. 1 further illustrates a
接続140は、移相ジョセフソン接合115と、任意に、位相干渉スイッチ130を含む。本発明のある実施形態では、移相ジョセフソン接合115は、そのリードの間にπ/2移相をもたらす。本発明のいくつかの実施形態では、移相ジョセフソン接合は、強磁性材料を含む。この強磁性材料は、移相ジョセフソン接合のリード間に位置決めされる。本発明のある実施形態では、移相ジョセフソン接合は、s波超伝導体のような従来の超伝導材料を含む。更に、移相ジョセフソン接合のリードは、粒界ジョセフソン接合にわたって接続され、移相が粒界にわたる遷移に蓄積される。粒界ジョセフソン接合は、2つの超伝導領域の間の接合であり、2つの領域の結晶学的な方位は、弱いリンク接合を作り出すのに十分な量だけ異なる。2つの領域の結晶学的な方位の差は、粒界にわたる結晶ミスオリエンテーションの角度と呼ばれる。本発明のある実施形態では、粒界にわたる結晶ミスオリエンテーションは0度乃至45度である。
位相干渉スイッチ130は、位相素子110と電荷素子120との間の結合を越えた更なる制御を行う。位相干渉スイッチ130は、素子110と120との間の制御可能な接続と干渉を提供する。位相干渉スイッチ130は、スイッチ130内のループをスレッディングする印加された外部フラックスΦx(印加された磁束)を制御することにより調整することができる。スイッチ130は、例えばSSETのような干渉スイッチでもよい。本発明のある実施形態はスイッチ130を含まない。
図1の移相ジョセフソン接合115のような移相素子の実施形態は当該技術分野では周知である。例えば、2001年12月21日にG.Rose, M.Amin, T.Duty, A.Zagoskin, A.Omelyanchouk及びJ.Hiltonによって出願された米国特許出願10/032,157号「Phase Shift Device in Superconductor Logic(超伝導理論における移相素子)」及びそれに引用された参照文献を参照し、その全体を引用によりここに組み入れる。本発明のある実施形態では、移相ジョセフソン接合115は、接続140の他の部分を製造するように要求されたそれらとは異なる方法を使用して製造される。上で参照した出願に記載されているように、かかる問題は、別の製造層で115を製造し、115を絶縁し、接続140を完成させるために素子115にわたって接続を形成する接続ターミナルを提供するようにエッチングを使用することにより克服される。本発明の他の実施形態では、移相ジョセフソン接合115は、ニオブ(Nb)、アルミニウム(Al)、鉛(Pb)又は錫(Sn)並びに、銅及びニッケルの合金(Cu:Ni)のような強磁性材料のような従来の超伝導材料を使用して形成される。
Embodiments of phase shift elements such as phase
図1を参照すると、位相素子110は、ゼロでない角運動量を備えた対対称を有する従来にない超伝導材料からなってもよい。ある実施形態では、位相素子110を形成するのに有用な材料は、d波超伝導体又はp波超伝導体のような時間反転を乱す材料を含む。例えば、ArXiv.org/pdf/condmat/0008235を参照。ある特定の実施形態では、位相素子110を形成するのに有用な材料は、d波超伝導体YBa2Cu3O7-xを含み、ここでxは0から0.6の間である。更に、Bi2Sr2Can-1CunO2n+4, Tl2Ba2CuO6+x及びHgBa2CuO4のような超伝導体を使用することもできる。別の実施形態では、素子110を形成するのに使用される材料は、Sr2RuO4又はCeIrIn5のようなp波超伝導体を含む。
Referring to FIG. 1, the
本発明のある実施形態では、位相素子110は、メゾスコピック島、バルク領域、及び、バルク領域からメゾスコピック島を分離するクリーンなジョセフソン接合とを含むメゾスコピック位相素子である。クリーンなジョセフソン接合は、散乱サイトが自由である接合である。
In some embodiments of the present invention,
荷電素子120は典型的には、例えば、アルミニウム又はニオブのような従来の超伝導材料で形成される。超伝導構造体100の基板に有用な材料は、サファイア及びSrTiO3(チタン酸ストロンチウム)を含むが、それらに限定されない。基板はbi-crystallineであってよく、超伝導層の成長の際に粒界の形成を容易にする。粒界は、弱いリンク接合特性を備えた2つの結晶性薄膜の間の界面である。例えば、Char等による米国特許第5,157,466号を参照。粒界は、ジョセフソン接合を作るように用いることができる。従って、bi-crystal基板は、位相素子110並びに移相ジョセフソン接合115の形成に有用である。bi-crystal製造方法に基づく粒界ジョセフソン接合の製造及び特性測定方法は、当技術分野で周知である。例えば、E.Il'ichev, M.Grajcar, R.Hlubina, R.Ijsselsteijn, H.Hoenig, H.Meyer, A.Golubov, M.Amin, A.Zagoskin, A.Omelyanchouk及びM.Kupriyanovによる「Degenerate Ground State in a Mesoscopic YBa2Cu3O7-x Grain Boundary Josephson Junction(メゾスコピックYBa2Cu3O7-x粒界ジョセフソン接合の縮体基底状態)」Phys. Rev. Letters, 86, 5369(2001年6月)及びそれに引用された参照文献を参照し、その全体を引用によりここに組み入れる。
The charging
別の実施形態では、超伝導構造体100の基板は、bi-epitaxial製造方法を使用して形成することができる。かかる方法では、種層は、単一の結晶基板の第1の領域の上に形成される。種層は典型的には、単一結晶基板を基礎とするのではなく、異なる格子方位を有する。続いて成長される超伝導薄膜は、基板を基礎とするように同様な近い結晶格子方位を全体的にとる。薄膜が高い指向性の仕方で成長するならば、薄膜内の材料の隣接する粒子は、5度よりも小さく誤った方向に向き、薄膜の超伝導電子輸送特性を低下させない。それ故、種層(第1の領域)に成長した高指向性超伝導薄膜の特性は、覆われていない元の基板(第2の領域)に成長した超伝導薄膜の特性とは異なる格子方位を有する。第1及び第2の領域に成長した超伝導材料の間の界面は、弱いリンク特性を備えた粒界を形成する。即ち、粒界により、超伝導電子の対(クーパー対)は、印加電圧なしである領域から次の領域にリンクを介して「トンネル」することができる。一般的には、粒界は、(各領域内の隣接する粒子の間に5度より小さい異なる方位がある領域である)2つの高い指向性領域の間の境界として定義され、第1の領域と第2の領域の結晶学的な方位の全体が、約5度よりも大きく異なる。
In another embodiment, the substrate of
別の実施形態では、第1の結晶学的方位を備えた第1の種層は、基板を基礎とした第1の部分に形成され、第2の結晶学的方位を備えた第2の種層は、基板を基礎とした第2の部分に形成され、第1の部分は第2の部分と隣接する。第1の種層に成長した超伝導薄膜の部分は、第1の結晶学的方位をとり、第2の種層に成長した超伝導薄膜の部分は、第2の結晶学的方位をとる。従って、弱いリンク粒界は、超伝導層の第1と第2の領域の間の界面の間に形成される。 In another embodiment, a first seed layer with a first crystallographic orientation is formed in a first portion based on a substrate and a second seed with a second crystallographic orientation. The layer is formed in a second part based on the substrate, the first part being adjacent to the second part. The portion of the superconducting thin film grown on the first seed layer has a first crystallographic orientation, and the portion of the superconducting thin film grown on the second seed layer has a second crystallographic orientation. Thus, weak link grain boundaries are formed between the interfaces between the first and second regions of the superconducting layer.
上述の製造方法は、粒界領域の制御可能な形成を提供し、従って、チップ上に複数の構造体を形成するのに有用であり、粒界の使用を要求する。bi-epitaxial粒界接合を形成するための方法は周知であり、当該技術分野では記載されている。例えば、S. Nicolleti, H. Moriceau, J. Villegier, D. Chateigner, B. Bourgeaux, C. Cabanel及びJ. Lavalによる「Bi-epitaxial YBCO grain boundary Josephson junctions on SrTiO3 and sapphire substrates(SrTiO3及びサファイア基板上のBi-epitaxial YBCO粒界ジョセフソン接合)」Physics C, 269, 255 (1996)とそれに引用された参照文献、及び、F. Tafuri, F. Carillo, F. Lombardi, F. Miletto Granozio, F. Ricci, U. Scotti di Uccio, A. Barone, G. Tests, E. Sarnelli及びJ. Kirtleyによる「Feasibility of biepitaxial YBCO Josephson junctions for fundamental studies and potential circuit implementation(基礎的な研究及び可能な回路実装のためのbiepitaxial YBCOジョセフソン接合の可能性)」Phys. Rev. B, 62, 14431 (2000年12月)とそれに引用された参照文献を参照し、引用によりここに組み入れる。 The manufacturing method described above provides a controllable formation of grain boundary regions and is therefore useful for forming multiple structures on a chip and requires the use of grain boundaries. Methods for forming bi-epitaxial grain boundary junctions are well known and described in the art. For example, “Bi-epitaxial YBCO grain boundary Josephson junctions on SrTiO 3 and sapphire substrates (SrTiO 3 and sapphire) by S. Nicolleti, H. Moriceau, J. Villegier, D. Chateigner, B. Bourgeaux, C. Cabanel and J. Laval. Bi-epitaxial YBCO grain boundary Josephson junctions on a substrate) ”Physics C, 269, 255 (1996) and references cited therein, and F. Tafuri, F. Carillo, F. Lombardi, F. Miletto Granozio, "Feasibility of biepitaxial YBCO Josephson junctions for fundamental studies and potential circuit implementation" by F. Ricci, U. Scotti di Uccio, A. Barone, G. Tests, E. Sarnelli and J. Kirtley. Biepitaxial YBCO Josephson Junction for) ”Phys. Rev. B, 62, 14431 (December 2000) and references cited therein, incorporated herein by reference.
図1を再び参照すると、位相素子110のバルク領域110−2は、回路接地ノード190に接続され、バルク領域110−2は、一定の位相Φを維持し、メゾスコピック島110−1は、Φ±φ0の揺らぐ位相を有し、φ0は0.001の磁束量子(0.001Φ0)である。更に、ジョセフソン接合120−1及び120−2にそれぞれ接続する荷電素子120のリードは、同様に接地190に接続する。
Referring back to FIG. 1, the bulk region 110-2 of the
上述のように、本発明のいくつかの実施形態では、本発明の素子を製造することは、異なる製造技術を要求する。例えば、接続140及び荷電素子120のような図1に示した従来の超伝導回路を形成するために要求される製造設備は、位相素子110及び移相ジョセフソン接合115のような図1に示した従来とは異なる回路を形成するのに要求される製造方法とは異なるツールを要求する場合がある。かかる製造の問題点は、異なる製造段階において素子を製造することにより解決することができる。
As mentioned above, in some embodiments of the present invention, manufacturing the device of the present invention requires different manufacturing techniques. For example, the manufacturing equipment required to form the conventional superconducting circuit shown in FIG. 1 such as
図2A乃至2Cは、本発明の実施形態を製造するための方法を図示する。図2Aは、基板250,移相ジョセフソン接合115、及び位相素子110を図示する。本発明の種々の実施形態を構築するのに使用されるいくつかの製造方法では、第1の製造段階で形成される素子の数が変化する。図2Bは、絶縁層260の堆積を図示する。絶縁層260は、第1の製造段階で形成された素子とその後の製造段階で形成された素子との間にバリアを形成する。ある実施形態では、絶縁層260は、酸化シリコン又は酸化アルミニウムのような材料で作られ、蒸着のような技術を使用して堆積される。酸化アルミニウム及び酸化シリコンは、例えば蒸着を使用して堆積され、例えば、四フッ化炭素反応イオンエッチングを使用してエッチングされ、又は他の適当な堆積及びエッチング技術により堆積及びエッチングされる。構造体は、光学又は電子ビームリソグラフィのような知られた値術を使用してパターンニングすることができる。例えば、R.Stolz等のSupercond. Sci. Technol. 12, 806頁(1999年)を参照し、引用によりその全体をここに組み入れる。ある実施形態では、配線層は、浮遊容量又は寄生容量を除去するために酸化シリコンの約800nm厚の絶縁層により互いに分離される。図2Cは更に、各素子115及び110それぞれに関する接点115−A、115−B、110−A及び110−Bの構成を図示する。図2Cに図示されたチップ200は、本発明による残りのコンポーネントの更なる製造のための基板を構成する。接点115−A乃至110−Bの各々は、Alexander Tzalenchuk, Zdravko Ivanov及びMiles F.H.Steinigerにより2001年12月6日に出願された「Trilayer Heterostructure Junctions(三層ヘテロ構造接合)」(代理人参照文献番号M-12300)に記載された技術を使用して構成することができ、引用によりその全体をここに組み入れ、従来の超伝導体と従来にない超伝導体との間に干渉量子接触を形成するための方法を提供する。
2A-2C illustrate a method for manufacturing an embodiment of the present invention. FIG. 2A illustrates the
図3は、本発明の別の実施形態を図示し、位相素子310は磁束キュビットである。例えば、J. Mooij, T. Orlando, L. Levitov, L. Tian, C. van der Wal及びS. Lloydによる「Josephson Persistent-Current Qubit(ジョセフソン永久電流キュビット)」Science, 285, 1036 (1999年8月)及びそこで引用された参照文献を参照し、引用によりその全体をここに組み入れる。磁束キュビット310は、外側超伝導ループ310−2及び内側超伝導ループ310−1を含む。外側ループ310−2は、3つのジョセフソン接合を含む。ジョセフソン接合のひとつは、移相ジョセフソン接合115である。内側ループ310−1はまた、3つのジョセフソン接合を含む。外側ループ310−2は、従来の超伝導材料で形成することができ、内側ループ310−1は従来の超伝導材料又は従来にない超伝導材料の何れかで形成することができる。従来にない超伝導材料の例は、d波及びp波超伝導体を含む。従来の超伝導材料の例は、アルミニウム(Al)、ニオブ(Nb)及び鉛(Pb)のようなs波超伝導体を含む。移相ジョセフソン接合115は、典型的にはπ/2-移相ジョセフソン接合である。別の実施形態では、移相素子115は、外部フラックスが干渉を保存するのに十分に安定しており、測定プロセスを破壊しない拘束と外部フラックスを置換することができる。図3は更に、超伝導貯蔵器145及び容量性の結合された接地190−Qを図示する。超伝導貯蔵器145は、磁束キュビット110の外側ループ110−2を接地190−Qに接続する大きな超伝導リードでもある。位相素子310の製造は、当業界で周知であり、Mooij等のIdを参照する。
FIG. 3 illustrates another embodiment of the present invention where the
本発明のある実施形態では、内側ループ310−1(図3)は、110(図1)のような位相素子と置換することができる。位相素子は、外側ループ310−2を介して誘電結合される。誘電結合は、不必要な製造方法の接触準備段階を作る。 In some embodiments of the invention, inner loop 310-1 (FIG. 3) can be replaced with a phase element such as 110 (FIG. 1). The phase element is inductively coupled through outer loop 310-2. Inductive coupling creates a contact preparation step in unnecessary manufacturing methods.
M.Matters, W.Eljion及びJ.Mooijによる「Influence of Controlled Quantum-Mechanical Charge and Phase Fluctuations on Josephson Tunneling(ジョセフソントンネリングの制御された量子力学電荷及び位相揺らぎの影響)」Phys. Rev. Lett., 75, 721(1995年7月)及びそれに引用された参照文献(その全体を引用によりここに組み入れる)では、SSETのメゾスコピック島の位相又は結合エネルギにわたる制御が記載されている。それらの実験作業は、SSETのメゾスコピック島にスイッチを介して接続され、固定された位相を備えた位相貯蔵器のような大きな接地された超伝導体を含む。SSETのメゾスコピック島と位相貯蔵器との間の接続を調整することにより、それらは、SSET素子を介して超伝導電流の量子トンネリングをするジョセフソン結合エネルギの効果の直接的な証拠を集めることができる。位相貯蔵器の構成は、「接地に対して大きな容量を有し、さもなければ接続されていない巨視的な測定リード」(721頁、第2列、第2段落第8行)からなるように記載され、従って、素子はメゾスコピック体制にはなく、一定の位相を有する。本発明のある実施形態は、メゾスコピック位相素子の量子位相揺らぎがメゾスコピック電荷素子の電荷と相互作用することを明らかにする。かかる体制は、従来技術では考慮も予想もされていない。更にかかる体制は、例えば、位相キュビットに関する作動の読み出しを実行し、又は、キュビットの制御された絡み合いを実行するのに有用であり、それらの両方は量子演算を可能にする臨界作動である。 “Influence of Controlled Quantum-Mechanical Charge and Phase Fluctuations on Josephson Tunneling” by M. Matters, W. Eljion and J. Mooij, Phys. Rev. Lett. 75, 721 (July 1995) and references cited therein (incorporated herein by reference in their entirety) describe the control over the phase or binding energy of SSET mesoscopic islands. Their experimental work involves a large grounded superconductor such as a phase reservoir with a fixed phase connected via a switch to the SSET mesoscopic island. By adjusting the connection between the SSET mesoscopic island and the phase reservoir, they can gather direct evidence of the effect of Josephson coupling energy on quantum tunneling of the superconducting current through the SSET element. it can. The configuration of the phase reservoir consists of “a macroscopic measuring lead that has a large capacity with respect to ground and is otherwise not connected” (page 721, second column, second paragraph, eighth row). As described, the device is therefore not in a mesoscopic regime and has a constant phase. Certain embodiments of the present invention demonstrate that quantum phase fluctuations of mesoscopic phase elements interact with the charge of mesoscopic charge elements. Such a system is neither considered nor expected in the prior art. Furthermore, such regimes are useful, for example, to perform operational readouts on phase qubits or to perform controlled entanglement of qubits, both of which are critical operations that allow quantum operations.
本発明によれば、位相結合素子の実施形態は、位相キュビット、超伝導単一電子トランジスタ(SSET)、SSETをバイアスする機構、及び、素子にわたって電位降下を測定する機構を含む。SSETは、メゾスコピック島を含み、ジョセフソントンネル接合によって素子リードから絶縁され、更に、素子のメゾスコピック島を容量的に荷電する荷電電極を含む。作動中、SSETの荷電機構は、メゾスコピック島のクーロンエネルギを制御し、従って、SSETリード間の電流の流れに関するSSETの容量を制御する。 In accordance with the present invention, an embodiment of a phase coupling element includes a phase qubit, a superconducting single electron transistor (SSET), a mechanism for biasing SSET, and a mechanism for measuring a potential drop across the element. The SSET includes a mesoscopic island, is isolated from the device lead by a Josephson tunnel junction, and further includes a charged electrode that capacitively charges the mesoscopic island of the device. In operation, the charging mechanism of the SSET controls the coulomb energy of the mesoscopic island and thus controls the capacity of the SSET with respect to the current flow between the SSET leads.
本発明の実施形態は、位相素子、電荷素子、電荷素子と位相素子のメゾスコピック領域を結合する機構を含む。結合機構は、干渉スイッチ及び移相素子、及び、SSETを介して電流を直接又は間接に測定する機構を含む。キュビットは、2つの基本状態|0>及び|1>を有し、それらは古典的な計算ビット状態0及び1に類似する。しかしながら、量子計算は、キュビットをその基本状態の重ね合わせに位置することができるので、古典的な計算とは著しく異なる。一般的には、量子コンピュータは、量子レジスタを含み、それは1又はそれ以上のキュビットからなり、キュビットとの相互作用を容易にする。本発明の実施形態では、量子計算演算は、干渉性の消失が最小になるような環境で実行され、作動する。量子演算中に考慮される重要な干渉性の消失の影響は、熱励起及び漂遊磁界である。干渉量子演算に有用な温度は、1°K以下のオーダ又は、10mK乃至50mKのオーダである。 Embodiments of the present invention include a phase element, a charge element, and a mechanism for coupling the charge element and the mesoscopic region of the phase element. Coupling mechanisms include interference switches and phase shift elements and mechanisms that measure current directly or indirectly via SSET. The qubit has two basic states | 0> and | 1>, which are similar to the classical computational bit states 0 and 1. However, quantum computation is significantly different from classical computation because the qubit can be located in the superposition of its fundamental state. In general, a quantum computer includes a quantum register, which consists of one or more qubits to facilitate interaction with the qubit. In embodiments of the present invention, quantum computation operations are performed and operate in an environment where loss of coherency is minimized. The important coherence loss effects considered during quantum computation are thermal excitation and stray fields. Useful temperatures for interferometric quantum computation are on the order of 1 ° K or less or on the order of 10 mK to 50 mK.
図4は、本発明の実施形態を図示する。位相干渉スイッチ130は、移相素子110及び電荷素子120の相互作用を制御するスイッチとして作用する。作動中、外部フラックスΦxは、130の状態、その結果としての、移相素子110及び電荷素子120の相互作用を制御するのに用いられる。外部フラックスΦ0は、スイッチ130に誘導結合された第2のループ135を提供することにより印加することができる。制御ループ135は、電流ソースIx及びインダクタ135−1を含む。ループ135を介した電流の制御は、位相素子110が電荷素子120に干渉結合されるようにスイッチ130を調整することができる。スイッチ130は、位相素子110を電荷素子120に制御可能に結合するいかなる干渉スイッチであってもよい。例えば、かかる用途に有用な別のスイッチは干渉SSETであり、例えば、R.J.Schoelkopf, P.Wahlgren, A.A.Kozhevnikov, P.Delsing, D.E.Proberによる「The Radio-Frequency Single-Electron Transistor (RF-SET): A Fast and Ultrasensitive Electrometer(無線単一電子トランジスタ(RF-SET):高速且つ超高感度電位計)」Science, 280, 1238(1998年5月)を参照し、その全体を引用によりここに組み入れる。
FIG. 4 illustrates an embodiment of the present invention. The
図4は更に、電荷素子120を制御し、電荷素子120と相互作用する回路を含む。図4の回路は、シャント抵抗371、電流ソース370、接地190−3及び電圧計373を含む。更に、図4は、電荷素子120及び位相素子110のゲート電圧をそれぞれ回路接地に接続する接地190−C及び190−Qと、位相素子110を介して制御を行う位相電流ソース370−Qを図示する。シャント抵抗371は、荷電素子120の挙動を非ヒステレシス過減衰モードに変化させる役割を果たす。シャント抵抗371は、通常の金属、又は、例えば、大きな標準コンダクタンス及び小さな抵抗を備えたジョセフソン接合であって良い。電流ソース370及び370−Qを提供する方法は、当該技術分野で周知である。電流ソース370は、適切な低温フィルタのような室温装置から制御することができる。接地190−3,190−C及び190−Qは、例えば巨視的な超伝導体であって良い。電圧計373及び373−Qを提供する方法は、当該技術分野では周知である。本発明のいくつかの実施形態では、電圧計373に接続するリードは、室温でサンプリングされるコールドアンプを貫通する。
FIG. 4 further includes circuitry that controls
荷電素子と相互作用する、図4に図示されたものと似ている読み出し回路は、当該技術分野で記載されている。例えば、A.Zorinによる「Quantum-Limited Electrometer Based on Single Cooper Pair Tunneling(単一クーパー対トンネンリングに基づく量子制限電位計)」Phys. Rev. Lett., 76, 4408(1996年6月)及びそこに引用された参照文献を参照し、その全体を引用によりここに組み入れる。 A readout circuit similar to that illustrated in FIG. 4 that interacts with the charging element has been described in the art. For example, “Quantum-Limited Electrometer Based on Single Cooper Pair Tunneling” by A. Zorin, Phys. Rev. Lett., 76, 4408 (June 1996) and References cited therein are referenced and incorporated herein by reference in their entirety.
本発明の実施形態では、位相素子の容量Cpは、電荷素子の容量Cjよりもかなり大きい。更に、Cjは電荷素子ゲートの容量Cg、及び、位相素子及び荷電素子を分離するスイッチの容量Cjsよりもかなり大きく、以下の関係を導く:
Cq≫Cj≫Cg,Cjs (式2)
最初の不等式(Cq≫Cj)は、位相素子が位相体制にあり、電荷素子が電荷体制にあることを考慮している。最後の不等式(Cj≫Cg,Cjs)は、電荷素子の電荷と位相素子の電荷の相互作用が小さいと仮定する。
In the embodiment of the present invention, the capacitance Cp of the phase element is considerably larger than the capacitance Cj of the charge element. Furthermore, Cj is much larger than the capacitance Cg of the charge element gate and the capacitance Cjs of the switch separating the phase element and the charge element, leading to the following relationship:
Cq >> Cj >> Cg, Cjs (Formula 2)
The first inequality (Cq >> Cj) takes into account that the phase element is in phase regime and the charge element is in charge regime. The last inequality (Cj >> Cg, Cjs) assumes that the interaction between the charge of the charge element and the charge of the phase element is small.
図4による本発明のある実施形態では、ジョセフソン接合120−1は、2.38K(ケルビン)のオーダーのジョセフソンエネルギEj1及び100nA(ナノアンペア)のオーダーの臨界電流Ic0を有する。更に、ジョセフソン接合120−2は、1.015*Ej1オーダーの荷電エネルギEJ2を有し、メゾスコピック島領域120−4は、Ej1オーダーの荷電エネルギEcgを有し、スイッチ130は、3*Ej1のオーダーのジョセフソンエネルギEjsを有する。上記比率を満たす本発明の実施形態に関して、Ej2/Ej1比は変化し、製造エラーに対して発明を頑強にする。更に、本発明のある実施形態では、シャント抵抗371は、100Ωのオーダーの抵抗値を有することができる。
In one embodiment of the invention according to FIG. 4, the Josephson junction 120-1 has a Josephson energy E j1 on the order of 2.38 K (Kelvin) and a critical current I c0 on the order of 100 nA (nanoamperes). Furthermore, the Josephson junction 120-2 has a charge energy E J2 on the order of 1.015 * E j1 , the mesoscopic island region 120-4 has a charge energy E cg on the order of E j1 , and the
本発明の実施形態は、熱励起が量子干渉作動で実行するために十分に抑制されたような温度で作動する。本発明のある実施形態では、かかる温度は、1K以下のオーダーであって良い。本発明の他の実施形態では、かかる温度は50mK以下のオーダーであって良い。 Embodiments of the present invention operate at a temperature such that thermal excitation is sufficiently suppressed to perform with quantum interference operation. In some embodiments of the invention, such temperature may be on the order of 1K or less. In other embodiments of the invention, such temperature may be on the order of 50 mK or less.
いかなる超伝導ジョセフソン素子でも、素子が直流ジョセフソン挙動を有するものから交流ジョセフソン挙動を有するものに変化するスイッチ電流又は臨界電流を有する。この電荷は、ジョセフソン素子の力学的効果と関係する。従って、かかる超伝導素子の臨界電流が、あるバイアス電流を超えているならば、電圧を素子にわたって測定することができる。しかしながら、バイアス電流が素子の臨界電流よりも小さいとき、電圧を測定することができない。 Any superconducting Josephson device has a switch current or critical current that changes from one having a DC Josephson behavior to one having an AC Josephson behavior. This charge is related to the mechanical effect of the Josephson device. Thus, if the critical current of such a superconducting device exceeds a certain bias current, the voltage can be measured across the device. However, when the bias current is smaller than the critical current of the device, the voltage cannot be measured.
図4を参照すると、本発明のいくつかの実施形態は、メゾスコピック位相素子110の状態を読み出すための方法を提供する。方法は、移相素子115を使用したメゾスコピック電荷素子120にメゾスコピック位相素子110を干渉結合し、メゾスコピック電荷素子120の状態を測定することを含む。ある実施形態では、メゾスコピック位相素子110を、メゾスコピック電荷素子120に干渉接続するステップは、メゾスコピック位相素子110とメゾスコピック電荷素子120との間に干渉接続を提供することを更に有する。いくつかの実施形態では、干渉接続は、位相素子15を含む。干渉接続は、メゾスコピック位相素子の量子状態と、メゾスコピック電荷素子の量子状態を維持する。メゾスコピック位相素子110をメゾスコピック荷電素子120に干渉結合するステップは、メゾクコピック位相素子110とメゾスコピック電荷素子120との間の干渉接続を制御する位相干渉スイッチ130を提供することを更に有する。更に、メゾスコピック位相素子110をメゾスコピック電荷素子120に干渉結合するステップは、持続時間tの間、移相干渉スイッチ130の状態を調整することを含む。いくつかの実施形態では、移相素子は、π/2移相素子である。ある実施形態では、位相干渉スイッチ130は、第1の分岐に第1のジョセフソン接合と、第1の分岐に第2のジョセフソン接合を含む超伝導ループである。ある実施形態では、位相干渉スイッチ130の状態は、時間tの間、外部フラックスΦxを印加こと(印加された磁束)により調整される。ある実施形態では、位相干渉スイッチ130は、SSETの第1のリードがメゾスコピック位相素子110に導く干渉接続に接続し、SSETの第2のリードがメゾスコピック電荷素子120に導く干渉接続を接続するような、干渉接続に接続された超伝導単一電子トランジスタ(SSET)である。本発明のある実施形態では、位相干渉スイッチ130の状態は、時間tの間、ゲート電圧をSSETに印加することにより調整される。ある実施形態では、位相干渉スイッチ130が調整される時間t(例えば、外部フラックスΦx又はゲート電圧が印加される時間)は、約2マイクロ秒以下である。ある実施形態では、持続時間tは、メゾスコピック位相素子110の量子状態の回転速度と相関する。メゾスコピック位相素子110の量子状態の回転速度は、そのトンネリング振幅と相関し、それ故、持続時間tはメゾスコピック位相素子110のトンネリング振幅と相関する。
Referring to FIG. 4, some embodiments of the present invention provide a method for reading the state of the
ある実施形態では、メゾスコピック素子の状態の測定は、時間tbの持続時間の間、メゾスコピック電荷素子120のリードにわたってバイアス電流を駆動し、次いで、素子120にわたって電圧降下を測定することを含む。ある実施形態では、この測定はシャント抵抗371(図4)と並列に素子120を配置することにより行われ、メゾスコピック電荷素子にわたる電圧降下を測定することは、シャント抵抗371にわたる電圧降下を含む。ある実施形態では、シャント抵抗371は、通常の金属、又は、大きな通常のコンダクタンス及び小さな抵抗を備えたジョセフソン接合である。ある実施形態では、持続時間tbは約1ナノ秒以下である。他の実施形態では、持続時間tbは1マイクロ秒以下である。ある実施形態では、メゾスコピック電荷素子120にわたって測定された電圧降下は、メゾスコピック位相素子110の状態と相関する。
In some embodiments, measuring the state of the mesoscopic device includes driving a bias current across the leads of the
本発明のある実施形態では、量子位相電荷結合素子は、量子の状態を読み出す(測定する)のに使用される。位相素子110で作動を読み出すのを実行するために、メゾスコピック島領域110−1(図1)の位相を測定することができる。好ましくは、本発明のある実施形態では、位相素子の位相を読み出すための方法を提供する。本発明の方法は、位相素子を電荷素子に結合し、電荷素子のリードにわたってバイアス電流を駆動し、結果の電圧を測定することを含む。本発明のある実施形態では、電流バイアスを印加した結果の電圧は、位相素子の位相状態に依存する。例えば、位相素子が第1の位相状態及び第2の位相状態を有するならば、第1の位相状態は電荷素子の第1の臨界電流IC1と相関し、第2の位相状態は電荷素子の第2の臨界電流IC2と相関する。電荷素子120をとおる電流は、
I=Icsinφ/2xcosθ (式3)
であり、ここで、φは電荷素子120の各ジョセフソン接合にわたる位相差の合計である。更に、θは、電荷素子120のメゾスコピック島の位相である。それ故、電荷素子120を流れる電流は、電荷素子120のメゾスコピック島の位相によって影響を受ける。この関係は、ジョセフソン効果の一部である。メゾスコピック島の電荷状態はこの位相に影響を及ぼす。cosθの値は、余分なクーパー対が負及び正の電流120を導く電荷素子120のメゾスコピック島にあるかどうかに依存する負又は正の値をとる。一方が電荷素子120に電流を印加するとき、ジョセフソン効果が印加電流を加え又は減ずることができるように電流が既に存在するので、2つの臨界電流の値(IC1及びIC2)が存在する。
In some embodiments of the present invention, quantum phase charge coupled devices are used to read (measure) quantum states. In order to perform a read out operation with the
I = I c sinφ / 2 × cosθ (Formula 3)
Where φ is the sum of the phase differences across each Josephson junction of the
電荷素子120の状態を読み出す方法の他の実施形態は、バイアス電流を印加することを含む。バイアス電流は、電荷素子の第1及び第2の状態と相関する臨界電流値IC1及びIC2の両方を超える。かかる方法では、結果として生じる電圧が、電荷素子にわたって測定される。バイアス電流が臨界電流値IC1及びIC2の両方よりも大きいので、電荷素子は、電圧状態に入り、結果として生じる電圧は電荷素子の状態に依存する。
Another embodiment of a method for reading the state of the
図4に図示した回路は、電荷素子と位相素子の両方にわたって別々に制御を行うことができる。スイッチが開いているならば、位相素子110及び電荷素子120は、互いに切断されており、互いに取り付けられた回路は、各素子の状態を制御及び測定するのに別々に使用することができる。例えば、スイッチ130が開いているとき、位相素子110の状態は電流源370−Qを使用して初期化することができ、また、電荷素子120の状態は電流源370及びゲート電圧125を使用して制御することができる。更に、いったん切断されたならば、各素子の状態を別々に読み出すことができる。各素子の状態を別々に読み出す方法は、当該技術分野では周知である。
The circuit illustrated in FIG. 4 can be controlled separately over both charge and phase elements. If the switch is open, the
本発明の実施形態では、位相素子の位相状態を読み出す方法は、第1の臨界電流IC1よりも大きく、第2の臨界電流IC2よりも小さいバイアス電流を電荷素子にバイアスすることを含む。図4を参照すると、IC1及びIC2が位相素子110の位相状態と相関するので、電荷素子120が第1の臨界電流IC1を有するならば、電圧はシャント抵抗371にわたって生じ、電荷素子120が第2の臨界電流IC2を有するならば、電圧はシャント抵抗371にわたって生じない。
In an embodiment of the present invention, the method for reading the phase state of the phase element includes biasing the charge element with a bias current that is greater than the first critical current I C1 and less than the second critical current I C2 . Referring to FIG. 4, since I C1 and I C2 correlate with the phase state of
本発明の実施形態では、位相キュビットはメゾスコピック電荷素子に干渉的で制御可能に結合され、キュビットのバイアス状態はメゾスコピック電荷素子の臨界電流IC1に相関する。メゾスコピック電荷素子の臨界電流は、素子が非超伝導になる前に取り扱うことができる最大電流を表し、メゾスコピック電荷素子(上記参照)の主なコンポーネントの特徴により実質的に判断される。例えば、位相キュビットの第1のバイアス状態は、|0>であってよく、メゾスコピック電荷素子の第1の臨界電流IC1と相関し、位相キュビットの第2のバイアス状態は、|1>であってよく、メゾスコピック電荷素子の第2の臨界電流IC2と相関する。印加電流がメゾスコピック電荷素子の臨界電流を超えるならば、電圧がそのリードにわたって生じ、印加電圧がメゾスコピック電荷素子の臨界電流を超えないならば、それは超伝導を維持し、そのリードの間で実質的にゼロの電圧降下を有する。 In an embodiment of the present invention, the phase qubit is interferometrically and controllably coupled to the mesoscopic charge element, and the bias state of the qubit is correlated to the critical current I C1 of the mesoscopic charge element. The critical current of a mesoscopic charge device represents the maximum current that can be handled before the device becomes non-superconducting and is substantially determined by the characteristics of the main components of the mesoscopic charge device (see above). For example, the first bias state of the phase qubit may be | 0>, correlating with the first critical current I C1 of the mesoscopic charge element, and the second bias state of the phase qubit is | 1>. Correlating with the second critical current I C2 of the mesoscopic charge device. If the applied current exceeds the critical current of the mesoscopic charge element, a voltage will develop across the lead, and if the applied voltage does not exceed the critical current of the mesoscopic charge element, it will remain superconducting and substantially between the leads Has a zero voltage drop.
本発明のある実施形態によれば、キュビットの読み出し作動を実行するための方法は、SSETのリードにわたるバイアス電流を印加することを含み、SSETのメゾスコピック島は、位相キュビットに干渉的に結合され、更に、SSETのリードにわたって生じた電圧を測定することを含む。バイアス電流Ibは、位相キュビットのバイアス状態と相関し、SSET素子のメゾスコピック島の臨界電流の間になるように選択され、位相キュビットが第1のバイアス状態を占めているならば、Ibは臨界電流を超え、SSETを動的体制内に駆動し、SSETリードにわたって電圧降下をさせ、位相キュビットが第2のバイアス状態を占めているならば、IbはSSETの臨界電流を超えず、リードにわたって測定さる電流はない。 According to an embodiment of the present invention, a method for performing a read operation of a qubit includes applying a bias current across the SSET lead, the SSET mesoscopic island being interferometrically coupled to the phase qubit, It further includes measuring the voltage generated across the SSET leads. The bias current I b correlates with the bias state of the phase qubit and is selected to be between the critical currents of the mesoscopic islands of the SSET element, and if the phase qubit occupies the first bias state, I b is If the critical current is exceeded, driving the SSET into dynamic regime, causing a voltage drop across the SSET lead and the phase qubit occupying the second bias state, Ib will not exceed the SSET critical current and the lead There is no current measured across.
本発明の実施形態によれば、位相-電荷素子は、アレイの複数の素子を含むことができ、素子は位相素子又は電荷素子のいずれかであってよい。位相又は電荷素子の各々が、それぞれ互いに結合され、アレイの2つの素子が干渉的に結合される。本発明の実施形態では、アレイは位相素子からなり、各々が別々の干渉スイッチを介して単一電荷素子に結合され、アレイの位相素子は、必要であれば、電荷素子に接続することができる。 According to embodiments of the present invention, a phase-charge element can include multiple elements of an array, and the element can be either a phase element or a charge element. Each of the phase or charge elements is coupled to each other and the two elements of the array are interferometrically coupled. In an embodiment of the invention, the array consists of phase elements, each coupled to a single charge element via a separate interference switch, and the phase elements of the array can be connected to a charge element if desired. .
図5は、複数の位相素子500−1乃至500−Nに接続された電荷素子を含む位相電荷素子505を図示する。位相素子500−1乃至500−Nの各々は、並列に配置され、各分岐はスイッチ130−1乃至130−Nをそれぞれ含み、スイッチ130−1乃至130−Nは閉じているとき、それぞれ位相素子500を電荷素子120に結合し、開いているとき、それぞれ位相素子500を電荷素子120から切断する。図5は更に、図4に図示された回路を読み出すのに類似しており、シャント抵抗又はジョセフソン接合371、電流源370、電位計373、及び接地190−3を含む、回路を読み出すことを図示する。本発明の実施形態では、電荷素子120の状態を判断するのに用いられる読み出し回路は変化する。
FIG. 5 illustrates a phase charge element 505 that includes a charge element connected to a plurality of phase elements 500-1 through 500-N. Each of the phase elements 500-1 to 500-N is arranged in parallel, and each branch includes a switch 130-1 to 130-N, respectively, and when the switch 130-1 to 130-N is closed, 500 is coupled to
図5を再び参照すると、電荷素子120、移相素子115、位相素子500−1乃至500−N、及び、スイッチ130−1は、アレイの位相素子の状態を絡み合わせる回路を形成する。更に、素子505は、各キュビット分岐がスイッチ130−1乃至130−Nを制御することにより結合又は切断することができるバス501を含む。量子レジスタの絡み合わせ作動の実装に関する以前の提案は、最も近い隣とだけの結合だけを含んでいる。例えば、A. BlaisによるPhys. Rev A 022312(2001年)、及び、Y. Makhlin, G. Schon, A. Shnirmanによる「Quantum state engineering with Josephson-junction devices(ジョセフソン接合素子の量子状態エンジニアリング)」LANL前刷り, cond-mat/0011269 (2000年11月)を参照し、その全体を引用によりここに組み入れる。しかしながら、本発明の実施形態は、最も近いものでない隣との結合のための機構を提供する。本発明によれば、位相素子のアレイは形成され、アレイの位相素子の状態を絡ませるための機構が、最も近い隣の結合を超えて達成されることができる。
Referring again to FIG. 5, the
絡み合いオペレーションを提供する方法の実施形態は、第1の位相素子500(図5)を選択することを含み、第1の位相素子は、持続時間t1の間電荷素子120と相互作用し、持続時間t2の間第2の位相素子500を選択することを含み、第2の位相素子の状態は電荷素子120と相互作用し、それ故、第1の位相素子及び第2の位相素子の状態を絡み合わせることを含む。持続時間t1及びt2は、10マイクロ秒以下であってよく、本発明の実施形態に依存する。本発明のある実施形態では、持続時間t1及びt2は、100ナノ秒以下であって良い。かかる方法は、位相素子500の所望の数について繰り返すことができる。
An embodiment of a method for providing an entanglement operation includes selecting a first phase element 500 (FIG. 5), the first phase element interacting with the
絡み合いオペレーションを終えるために、電荷素子120の状態を読み出すことにより電荷素子120の状態でもつれを解くオペレーションを実行することができ、位相素子500は選択解除される。もつれを解くオペレーションは、以前の絡み合いからの情報が除去されることを保証し、アレイの位相素子500と電荷素子120の間に形成された新しい結合から独立している。
To finish the entanglement operation, the state of
もつれを解く方法は更に、アレイの状態に関する情報を収集するために用いられることができる。例えば、大規模量子計算オペレーションを実行するために、量子レジスタにおける量子状態は干渉性の消滅を低下させるようにエンコードすることができる。例えば、P.W. Shorによる米国特許第5,768,297号「Method for reducing decoherence in quantum computer memory(量子コンピュータメモリにおける干渉性の消失を低減させる方法)」、及び、D. Gottesmanによる米国特許第6,128,764号「Quantum error-correcting codes and devices(量子エラー訂正コード及びデバイス)」を参照。かかるエンコード方法は典型的には、量子レジスタの1又はそれ以上のキュビットの状態を測定する際の不確定なオペレーションのセットを適用することを含む。従って、もつれを解くプロセス中、電荷素子の状態は、エンコードされた状態を維持するために要求される情報を収集するのに役立ち、それ故、量子レジスタの干渉性を増大させる。 The entanglement method can further be used to collect information about the state of the array. For example, to perform large-scale quantum computation operations, the quantum states in the quantum register can be encoded to reduce the disappearance of coherence. For example, US Pat. No. 5,768,297 by PW Shor “Method for reducing decoherence in quantum computer memory” and US Pat. No. 6,128,764 by D. Gottesman “Quantum error- See correcting codes and devices. Such encoding methods typically involve applying an indeterminate set of operations in measuring the state of one or more qubits in the quantum register. Thus, during the entanglement process, the state of the charge element helps to collect the information required to maintain the encoded state and therefore increases the coherency of the quantum register.
アレイの他の位相素子500と並列に、電荷素子120と直列に配置されている位相素子500の状態を読み出すための方法は、アレイのそれぞれの位相素子500を選択し、電荷素子120の状態を読み出すことを含む。特定の位相素子500の選択は、電荷素子120に結合された位相素子500を要求し、位相素子500の状態は電荷素子120の状態と相関し、上記詳細の通り、アレイの他の位相素子500は電荷素子120から切り離される。
The method for reading the state of the
位相素子500の並列アレイと直列に配置された電荷素子120の状態を読み出すための方法は、読み出されるそれぞれの位相素子500を選択し、バイアス電流で電荷素子120をバイアスし、電荷素子120にわたって電圧降下を測定することを含む。本発明の実施形態では、位相素子500を選択することは、それぞれの位相素子500を電荷素子120に結合するように、スイッチ130を閉じることを含む。次いで、読み出し方法は、アレイにおける位相素子500の各々に関してそれぞれ繰り返すことができる。例えば、図5を参照すると、位相素子500−1乃至500−Nの状態を読み出すことは、スイッチ130−1を閉じ、電流源370を使用してバイアス電流を駆動し、電位計373を使用して電圧降下を測定し、スイッチ130−1を選択解除又は開け、素子500−2乃至500−Nに関するプロセスを繰り返すことである。
A method for reading the state of
本発明によれば、位相電荷結合素子は、2キュビット量子レジスタである。キュビットの各々は初期化及び読み出しを介して制御され、更に、電荷及び位相キュビットそれぞれの量子状態は絡み合うことができる。かかる量子レジスタは、複数のキュビットを含む量子レジスタに対して完全に基準化することができる。複数のキュビットの各キュビットは、上述のように、電荷キュビット又は位相キュビットのいずれかであってよい。かかる量子レジスタは、不均一量子レジスタとして定義される。本発明の実施形態では、位相キュビット及び電荷キュビットを含む不均一対のキュビットの間の絡み合いオペレーションを実行するための方法は、ある持続時間tの間、結合機構を使用して対を結合することを含む。かかる結合機構は、詳細が上に述べられている。絡み合いオペレーションの持続時間tは、マイクロ秒以下のオーダーであってよく、本発明の実施形態に依存する。本発明のある実施形態では、持続時間tは、ナノ秒以下のオーダーである。ある実施形態では、絡み合いオペレーションの持続時間tは、不均一対のキュビットの一つのトンネリング振幅と相関する。 According to the present invention, the phase charge coupled device is a two-qubit quantum register. Each of the qubits is controlled via initialization and readout, and furthermore, the quantum state of each charge and phase qubit can be intertwined. Such a quantum register can be fully scaled with respect to a quantum register containing multiple qubits. Each qubit of the plurality of qubits may be either a charge qubit or a phase qubit as described above. Such a quantum register is defined as a non-uniform quantum register. In an embodiment of the present invention, a method for performing an entanglement operation between a non-uniform pair of qubits including a phase qubit and a charge qubit uses a coupling mechanism to combine the pair for a certain duration t. including. Such a coupling mechanism is described in detail above. The duration t of the entanglement operation can be on the order of microseconds or less, depending on the embodiment of the present invention. In some embodiments of the invention, the duration t is on the order of nanoseconds or less. In one embodiment, the duration t of the entanglement operation correlates with the tunneling amplitude of one of the non-uniform pairs of qubits.
再び図5を参照すると、電荷素子120は、電荷キュビットであってよく、位相素子500−1乃至500−Nは位相キュビットであってよい。アレイ又は量子レジスタの位相キュビットの一つが選択されたとき、それぞれの位相キュビットの状態は、電荷キュビット120の状態で絡み合わされる。更に、同時にアレイの位相キュビットを相互に選択することにより、電荷キュビットと一緒に各位相キュビットを絡み合わせることができる。電荷素子120が電荷キュビットでない体制では、図5に図示したアレイは、位相キュビット500−1乃至500−Nを絡み合わせるのに使用され、並びに、位相キュビット500−1乃至500−Nの状態を読み出すのに使用される。
Referring again to FIG. 5, the
図6は、本発明の実施形態を図示する。回路600では、電荷及び位相素子500−1乃至500−Nの並列アレイは、読み出し回路に接続される。読み出し回路は、上記図4及び5の議論と一緒に記載したものと同じである。図6の回路600は更に、スイッチ130−1乃至130−N−1と、ジョセフソン接合115−1乃至115−N−1のそれぞれを含むアレイに隣接した分岐の間に結合機構を図示する。回路の各分岐は、位相又は電荷素子500−1乃至500−Nと、各位相又は電荷素子を読み出し回路と結合させるためのスイッチ685−1乃至685−Nとを含む。
FIG. 6 illustrates an embodiment of the present invention. In
本発明のある実施形態は、不均一な量子レジスタのキュビットの状態を読み出すための方法を提供する。不均一量子レジスタは、第1の複数の位相キュビット及び第2の複数の電荷キュビットを含む。方法は、量子レジスタの第1のキュビットを選択することを含む。第1のキュビットは、第1の電荷キュビット又は第1の位相キュビットである。第1のキュビットは、ある持続時間tcの間、メゾスコピック電荷素子に干渉的に接続される。次いで、持続時間tcが経過した後、メゾスコピック電荷素子の状態が読み出される。ある実施形態では、第1のキュビットは、キュビットとメゾスコピック電荷素子との間の接続を調整する位相干渉スイッチの状態を調整することにより量子レジスタのメゾスコピック電荷素子に結合される。ある実施形態では、位相干渉スイッチは、フラックスを印加することにより調整される。ある実施形態では、位相干渉スイッチは、ゲート電圧を印加することにより調整される。ある実施形態では、持続時間tcは、第1のキュビットのトンネリング振幅と相関する。他の実施形態では、持続時間tcは約1マイクロ秒以下である。更に他の実施形態では、持続時間tcは、約1ナノ秒以下である。ある実施形態では、メゾスコピック電荷素子の状態は、メゾスコピック電荷素子のリードにわたってバイアス電流を駆動し、前記メゾスコピック電荷素子にわたる電圧降下を測定することにより読み出される。 Certain embodiments of the present invention provide a method for reading the state of a non-uniform quantum register qubit. The non-uniform quantum register includes a first plurality of phase qubits and a second plurality of charge qubits. The method includes selecting a first qubit of the quantum register. The first qubit is a first charge qubit or a first phase qubit. The first qubit is interferometrically connected to the mesoscopic charge element for a certain duration t c . The state of the mesoscopic charge element is then read after the duration t c has elapsed. In some embodiments, the first qubit is coupled to the mesoscopic charge element of the quantum register by adjusting the state of a phase interference switch that adjusts the connection between the qubit and the mesoscopic charge element. In some embodiments, the phase interference switch is adjusted by applying a flux. In some embodiments, the phase interference switch is adjusted by applying a gate voltage. In some embodiments, the duration t c correlates with the tunneling amplitude of the first qubit. In other embodiments, the duration t c is about 1 microsecond or less. In yet other embodiments, the duration t c is about 1 nanosecond or less. In one embodiment, the state of the mesoscopic charge element is read by driving a bias current across the leads of the mesoscopic charge element and measuring the voltage drop across the mesoscopic charge element.
ある実施形態では、アレイの隣接する素子は、いくつかの体制のものである。かかる配置は、電荷-電荷対、並びに、位相-位相対を含む。かかる状況では、移相素子115は、隣接する素子の間に要求されない。位相又は電荷素子の状態を読み出す方法の実施形態は、位相又は電荷素子のそれぞれを選択し、素子にわたりバイアス電流を駆動し、素子にわたり電圧降下を測定することを含む。
In certain embodiments, adjacent elements of the array are of several regimes. Such an arrangement includes charge-charge pairs as well as phase-phase pairs. In such a situation, the
電荷素子と位相素子を結合するための実施形態は、それぞれの素子の間の結合スイッチを閉じることを含む。図6を再び参照すると、電荷素子500−1は、ある持続時間tcの間、スイッチ130−1を閉じることにより位相素子500−2に接続され、次いで、素子500−1と500−2が結合されないようにスイッチ130−1を開ける。図6に図示した回路のいかなる2つの隣接する素子も同様に結合することができる。本発明の実施形態では、位相及び結合素子は、それぞれ位相キュビット及び電荷キュビットであってよく、600は、読み出し、初期化、及び、絡み合いオペレーション、並びに、キュビット500−1乃至500−Nの各々に関するシグマz又はバイアスオペレーションのような他の重要な量子計算演算を提供する量子レジスタとして作動する。600のキュビットのそれぞれのオペレーションを実行するための方法は、2001年6月1日にM.Amin, G.Rose, A.Zagoskin及びJ.Hiltonにより出願された米国特許出願09/872,495「Quantum Processing System for Superconducting Phase Qubit(超伝導位相キュビットに関する量子処理システム)」及びそれに引用された参照文献に記載されており、その全体を引用によりここに組み入れる。 An embodiment for coupling a charge element and a phase element includes closing a coupling switch between the respective elements. Referring again to FIG. 6, charge element 500-1 is connected to phase element 500-2 by closing switch 130-1 for a certain duration t c , and then elements 500-1 and 500-2 are connected. The switch 130-1 is opened so as not to be coupled. Any two adjacent elements of the circuit illustrated in FIG. 6 can be similarly coupled. In embodiments of the present invention, the phase and coupling elements may be phase qubits and charge qubits, respectively, 600 for read, initialization, and entanglement operations, and for each of qubits 500-1 through 500-N. It operates as a quantum register that provides other important quantum computation operations such as sigma z or bias operations. The method for performing each operation of the 600 qubits is described in US patent application 09 / 872,495 “Quantum Processing,” filed June 1, 2001 by M. Amin, G. Rose, A. Zagoskin and J. Hilton. System for Superconducting Phase Qubit ”and references cited therein, the entire contents of which are hereby incorporated by reference.
図7は、電荷素子120に結合された位相素子110を図示し、電荷素子120は読み出し回路790に結合されている。読み出し回路790は、電荷素子120及び接地190−3に直列に接続されたタンク回路790−1を含む。接続791は、無線信号が回路に入ることができ、出ることができる、入力及び出力ラインである。図7に図示された読み出し回路790は、無線SET(rf-SET)であり、当該技術分野で電位計として使用するように記載されているものである。例えば、A. Assime, G. Johansson, G. Wendin, R. Schoelkopf及びP. Delsingによる「Radio-Frequency Single-Electron Transistor as Readout Device for Qubits: Charge Sensitivity and Backaction(キュビットに関する読み出しデバイスとしての無線単一電子トランジスタ:電荷感度及びバックアクション)」Phys. Rev. Lett., 86, 3376 (2001年4月)を参照し、その全体を引用によりここに組み入れる。
FIG. 7 illustrates the
この参照文献では、rf-SET素子は、電位計又は、電荷キュビットに関する電荷読み出しデバイスとして使用されている。しかしながら、位相キュビットの読み出しは考慮されておらず、電荷キュビットの読み出しは、キュビットの電荷状態を測定することにより達成される。 In this reference, the rf-SET element is used as an electrometer or a charge readout device for charge qubits. However, phase qubit readout is not considered and charge qubit readout is accomplished by measuring the charge state of the qubit.
図8は、タンク回路895及び超伝導ループ896の間に誘導結合を提供する別の読み出し回路800を図示し、ループ896は、電荷素子120のリードを一緒に接続することにより形成される。894は、2つの素子の間の誘導結合を表す。読み出し回路は、A.Zorinによる「Cooper-pair qubit and Cooper-pair electrometer in one device(素子中のクーパー対キュビット及びクーパー対電位計)」及びその参照文献に記載され、その全体を引用によりここに組み入れる。
FIG. 8 illustrates another
本発明のある態様は、位相キュビットと電荷キュビットの間で量子計算絡み合いオペレーションを実行するための方法を提供する。その方法では、干渉接続が、位相キュビットと電荷キュビットとの間に提供される。干渉接続により、位相キュビットの量子状態及び電荷キュビットの量子状態が互いに相互作用することができる。更に、干渉接続は、持続時間teの間調整される。位相キュビットは、位相キュビットの量子状態及び電荷キュビットの量子状態を制御可能に絡み合わせるために少なくとも持続時間teの間、荷電キュビットに接続することができる。ある実施形態では、持続時間teは1マイクロ秒以下である。ある実施形態では、持続時間teは1ナノ秒以下である。 Certain aspects of the present invention provide a method for performing quantum computational entanglement operations between a phase qubit and a charge qubit. In that method, an interference connection is provided between the phase qubit and the charge qubit. The interference connection allows the quantum state of the phase qubit and the quantum state of the charge qubit to interact with each other. Furthermore, the interference connection is adjusted for a duration t e . Phase qubit, for at least a duration t e to intertwining controllably quantum states of the quantum state and charge qubit phase qubit can be connected to a charge qubit. In some embodiments, the duration t e is 1 microsecond or less. In some embodiments, the duration t e is 1 nanosecond or less.
ある実施形態では、干渉接続は、移相素子の使用を含む。ある実施形態では干渉接続は、位相干渉スイッチを調整することにより調整される。ある実施形態では、位相干渉スイッチは、第1の分岐の第1のジョセフソン接合及び第2の分岐の第2のジョセフソン接合を含む超伝導ループである。更に別の実施形態では、位相干渉スイッチの調整は、印加された磁束又はゲート電圧を制御することを含む。本発明のある実施形態では、位相干渉スイッチは、干渉接続に接続されたSSETであり、SSETの第1のリードは位相キュビットに繋がる干渉接続に接続し、SSETの第2のリードは電荷キュビットに繋がる前記干渉接続に接続する。 In certain embodiments, the interference connection includes the use of a phase shifting element. In some embodiments, the interference connection is adjusted by adjusting a phase interference switch. In some embodiments, the phase interference switch is a superconducting loop that includes a first Josephson junction of a first branch and a second Josephson junction of a second branch. In yet another embodiment, adjusting the phase interference switch includes controlling the applied magnetic flux or gate voltage. In one embodiment of the invention, the phase interference switch is a SSET connected to the interference connection, the first lead of the SSET is connected to the interference connection leading to the phase qubit, and the second lead of the SSET is to the charge qubit. Connect to the interfering connection to be connected.
本発明の別の態様は、不均一な量子レジスタのキュビットを絡み合わせるための方法を提供する。不均一な量子レジスタは、複数の位相キュビット及び複数の電荷キュビットを含む。当該方法では、バスを有する量子レジスタが用いられる。不均一な量子レジスタのいかなるキュビットもバスに対して干渉的に接続又は切断することができる。第1のキュビットは、不均一な量子レジスタの複数のキュビットから選択される。更に、第1のキュビットは、持続時間t1の間、メゾスコピック電荷素子に結合される。第2のキュビットは、不均一な量子レジスタの複数のキュビットから選択される。第2のキュビットは、持続時間t2の間、メゾスコピック電荷素子に接続される。ある実施形態では、第1のキュビットの選択は、第1の相関干渉スイッチを調整することを含む。第1の位相干渉スイッチは、第1のキュビットと相関し、第1の位相干渉スイッチが閉じられたとき、第1のキュビットはバスに接続され、第1の位相干渉スイッチが開いたとき、第1のキュビットはバスから絶縁される。ある実施形態では、第2のキュビットの選択は、第2の位相干渉スイッチを調整することを含む。第2の位相干渉スイッチは、第2のキュビットと相関し、第2の位相干渉スイッチが閉じたとき、第2のキュビットはバスに接続され、第2の位相干渉スイッチが開いたとき、第2のキュビットは前記バスから絶縁される。ある実施形態では、第1のキュビットをメゾスコピック電荷素子に結合することは、メゾスコピック電荷素子を選択することを含み、メゾスコピック荷電素子は、持続時間tsの間、バスに接続される。ある実施形態では、メゾスコピック荷電素子は、位相干渉スイッチを調整することを含み、位相干渉スイッチが開いているとき、メゾスコピック電荷素子は選択された第1のキュビットから切断され、位相干渉スイッチが閉じているとき、メゾスコピック電荷素子は選択された第1のキュビットに接続される。ある実施形態では、持続時間t1は約1マイクロ秒以下である。他の実施形態では、持続時間t1は約1ナノ秒以下である。ある実施形態では、持続時間t2は約1マイクロ秒以下である。更に別の実施形態では、持続時間t2は約1ナノ秒以下である。 Another aspect of the invention provides a method for intertwining non-uniform quantum register qubits. A non-uniform quantum register includes a plurality of phase qubits and a plurality of charge qubits. In this method, a quantum register having a bus is used. Any qubit of a non-uniform quantum register can be connected to or disconnected from the bus in an interfering manner. The first qubit is selected from a plurality of qubits in the non-uniform quantum register. Furthermore, the first qubit is coupled to the mesoscopic charge element for a duration t 1 . The second qubit is selected from a plurality of qubits in the non-uniform quantum register. Second qubit for a duration t 2, is connected to the mesoscopic charge device. In some embodiments, selecting the first qubit includes adjusting a first correlated interference switch. The first phase interference switch correlates with the first qubit, and when the first phase interference switch is closed, the first qubit is connected to the bus, and when the first phase interference switch is opened, One qubit is isolated from the bus. In some embodiments, selecting the second qubit includes adjusting a second phase interference switch. The second phase interference switch is correlated with the second qubit, and when the second phase interference switch is closed, the second qubit is connected to the bus, and when the second phase interference switch is opened, the second qubit is The qubit is isolated from the bus. In some embodiments, coupling the first qubit to the mesoscopic charge element includes selecting the mesoscopic charge element, the mesoscopic charge element being connected to the bus for a duration t s . In some embodiments, the mesoscopic charging element includes adjusting a phase interference switch, and when the phase interference switch is open, the mesoscopic charge element is disconnected from the selected first qubit and the phase interference switch is closed. The mesoscopic charge element is connected to the selected first qubit. In some embodiments, the duration t 1 is about 1 microsecond or less. In other embodiments, duration t 1 is about 1 nanosecond or less. In certain embodiments, duration t 2 is about 1 microsecond or less. In yet another embodiment, the duration t 2 is about 1 nanosecond or less.
ある実施形態では、方法は、メゾスコピック電荷素子の状態を読み出すことによりメゾスコピック電荷素子からの情報を清浄することを更に含む。ある実施形態では、メゾスコピック電荷素子の状態の読み出しは、不均一な量子レジスタでエラー訂正アルゴリズムを実行するためにフィードバックとして使用される情報を提供する。 In certain embodiments, the method further includes cleaning information from the mesoscopic charge element by reading the state of the mesoscopic charge element. In some embodiments, reading the state of the mesoscopic charge device provides information that is used as feedback to perform an error correction algorithm on the non-uniform quantum register.
ある実施形態では、方法は、不均一な量子レジスタが、新しい絡み合いオペレーションを開始することができる状態にあるように、メゾスコピック電荷素子を清浄することを含む。ある実施形態では、メゾスコピック電荷素子を清浄することは、メゾスコピック電荷素子の量子状態を読み出すことを含む。ある実施形態では、清浄オペレーションは、量子レジスタの量子状態についての情報を提供する。ある実施形態では、清浄オペレーションは、量子レジスタの量子状態でエラー訂正オペレーションを実行するのに有用な情報を提供する。ある実施形態では、量子演算は、清浄オペレーションを実行した結果の情報を条件として量子レジスタのキュビットで実行される。2,3の特定の実施形態を参照して本発明を記載したが、記述は本発明の例示的なものであり、本発明を限定するように解釈されるべきではない。添付した特許請求の範囲によって定義された本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなく当業者によって種々の修正が可能である。 In some embodiments, the method includes cleaning the mesoscopic charge device such that the non-uniform quantum resistor is ready to begin a new entanglement operation. In certain embodiments, cleaning the mesoscopic charge device includes reading the quantum state of the mesoscopic charge device. In some embodiments, the clean operation provides information about the quantum state of the quantum register. In some embodiments, the clean operation provides information useful for performing error correction operations on the quantum state of the quantum register. In some embodiments, the quantum operation is performed on the qubits of the quantum register subject to information resulting from performing the clean operation. Although the invention has been described with reference to a few specific embodiments, the description is illustrative of the invention and is not to be construed as limiting the invention. Various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the true spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
ここで引用した全ての参照文献は、各々個別の出版物又は特許若しくは特許出願が、全ての目的に関してその全体を引用により組み入れるように明確且つ個別に示されたのと同じ範囲の目的について、及び、それらの全体を引用によりここに組み入れる。 All references cited herein are for the same scope as each individual publication or patent or patent application is clearly and individually indicated to be incorporated by reference in its entirety for all purposes, and All of which are incorporated herein by reference.
Claims (115)
メゾスコピック電荷素子と、
前記メゾスコピック位相素子の量子状態と、前記メゾスコピック電荷素子の量子状態とが相互作用するように、メゾスコピック位相素子とメゾスコピック電荷素子とを結合する機構と、
を有することを特徴とする超伝導構造体。 A mesoscopic phase element;
A mesoscopic charge element;
A mechanism for coupling the mesoscopic phase element and the mesoscopic charge element so that the quantum state of the mesoscopic phase element interacts with the quantum state of the mesoscopic charge element;
A superconducting structure characterized by comprising:
メゾスコピック島と、
バルク領域と、
前記メゾスコピック島を前記バルク領域から分離するクリアなジョセフソン接合と、
を有することを特徴とする、請求項1に記載の超伝導構造体。 Mesoscopic phase element
Mesoscopic island,
A bulk region;
A clear Josephson junction separating the mesoscopic island from the bulk region;
The superconducting structure according to claim 1, wherein
1又はそれ以上のジョセフソン接合を含む内側超伝導ループと、
2又はそれ以上のジョセフソン接合を含む外側超伝導ループと、
を含み、
前記内側超伝導ループが、前記外側超伝導ループに誘導的に結合されたことを特徴とする請求項1に記載の超伝導構造体。 Mesoscopic phase element
An inner superconducting loop including one or more Josephson junctions;
An outer superconducting loop comprising two or more Josephson junctions;
Including
The superconducting structure of claim 1, wherein the inner superconducting loop is inductively coupled to the outer superconducting loop.
素子リードと、
メゾスコピック島と、
前記素子リードに接続され、かつ、前記2つのジョセフソン接合が、前記メゾスコピック島に結合されて、前記メゾスコピック島を前記素子リードから絶縁する2つのジョセフソン接合と、
前記メゾスコピック島に容量的に結合された電極と、
前記容量的に結合された電極の電荷を制御する機構とを含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の超伝導構造体。 The mesoscopic charge element is
An element lead;
Mesoscopic island,
Two Josephson junctions connected to the element leads and the two Josephson junctions being coupled to the mesoscopic islands to insulate the mesoscopic islands from the element leads;
An electrode capacitively coupled to the mesoscopic island;
Controlling the charge of the capacitively coupled electrodes.
The superconducting structure according to claim 1.
メゾスコピック電荷素子と、
前記メゾスコピック位相素子の量子状態と前記メゾスコピック電荷素子の量子状態とが相互作用するように、前記メゾスコピック位相素子を前記メゾスコピック電荷素子に結合するための機構と、
前記メゾスコピック電荷素子の量子状態を読み出すための機構と、
を有することを特徴とする超伝導構造体。 A mesoscopic phase element;
A mesoscopic charge element;
A mechanism for coupling the mesoscopic phase element to the mesoscopic charge element such that a quantum state of the mesoscopic phase element interacts with a quantum state of the mesoscopic charge element;
A mechanism for reading the quantum state of the mesoscopic charge device;
A superconducting structure characterized by comprising:
シャント抵抗と、
電流源と、
前記メゾスコピック電荷素子のリードにおける電圧降下を測定するための機構と、
前記メゾスコピック電荷素子のリードを接地するための機構と、
を含み、
前記シャント抵抗、前記電流源、電圧降下を測定するための前記機構、及び、接地するための前記機構が、前記メゾスコピック電荷素子の前記素子リードと並列であることを特徴とする請求項39に記載の超伝導構造体。 The mesoscopic charge element includes an element lead, and the mechanism for reading a quantum state of the mesoscopic charge element includes:
Shunt resistance,
A current source;
A mechanism for measuring the voltage drop at the lead of the mesoscopic charge device;
A mechanism for grounding the lead of the mesoscopic charge element;
Including
40. The shunt resistance, the current source, the mechanism for measuring a voltage drop, and the mechanism for grounding are in parallel with the element lead of the mesoscopic charge element. Superconducting structure.
ジョセフソン接合と、
電流源と、
前記メゾスコピック電荷素子のリードにおける電圧降下を測定するように構成された機構と、
前記メゾスコピック電荷素子のリードを接地するための機構と、
を含み、
前記ジョセフソン接合、前記電流源、電圧降下を測定する要に構成されたの前記機構、及び、接地するための前記機構が、前記メゾスコピック電荷素子の前記素子リードと並列に配置されていることを特徴とする請求項39に記載の超伝導構造体。 The mesoscopic charge element includes an element lead, and the mechanism for reading a quantum state of the mesoscopic charge element includes:
Josephson junction,
A current source;
A mechanism configured to measure a voltage drop at a lead of the mesoscopic charge device;
A mechanism for grounding the lead of the mesoscopic charge element;
Including
The Josephson junction, the current source, the mechanism configured to measure a voltage drop, and the mechanism for grounding are arranged in parallel with the element lead of the mesoscopic charge element. 40. A superconducting structure according to claim 39, characterized in that:
接地された前記メゾスコピック電荷素子の第1のリードと、
タンク回路に接続された前記メゾスコピック電荷素子の第2のリードと、を有し、
前記タンク回路がインダクタ及びキャパシタを含み、
前記タンク回路の特性が、前記メゾスコピック電荷素子の量子状態に依存する、ことを特徴とする請求項39に記載の超伝導構造体。 The mechanism for reading the quantum state of the mesoscopic charge device comprises:
A first lead of the mesoscopic charge element grounded;
A second lead of the mesoscopic charge element connected to a tank circuit;
The tank circuit includes an inductor and a capacitor;
40. The superconducting structure of claim 39, wherein the characteristics of the tank circuit depend on the quantum state of the mesoscopic charge device.
前記メゾスコピック電荷素子の第1のリードを前記メゾスコピック電荷素子の第2のリードに接続させて、前記メゾスコピック電荷素子のリードがループを形成するようにすることと、を含み、
タンク回路と、前記タンク回路が、前記ループに誘導的に結合され、前記タンク回路の特性が、前記メゾスコピック電荷素子の量子状態に依存する、ことを特徴とする請求項42に記載の超伝導構造体。 The mechanism for reading the quantum state of the mesoscopic charge device comprises:
Connecting a first lead of the mesoscopic charge element to a second lead of the mesoscopic charge element such that the lead of the mesoscopic charge element forms a loop;
43. The superconducting structure of claim 42, wherein a tank circuit and the tank circuit are inductively coupled to the loop, and characteristics of the tank circuit depend on a quantum state of the mesoscopic charge device. body.
前記第1の追加のメゾスコピック位相素子の状態と前記メゾスコピック電荷素子の状態とが相互作用するように、前記複数の追加のメゾスコピック位相素子の第1の追加のメゾスコピック位相素子を前記メゾスコピック電荷素子に結合する機構とを更に含む、
ことを特徴とする請求項39に記載の超伝導構造体。 A plurality of additional mesoscopic phase elements, each arranged in parallel;
Coupling the first additional mesoscopic phase element of the plurality of additional mesoscopic phase elements to the mesoscopic charge element such that the state of the first additional mesoscopic phase element interacts with the state of the mesoscopic charge element. And a mechanism for
40. The superconducting structure according to claim 39.
メゾスコピック電荷素子と、
前記第1のメゾスコピック位相素子の状態と前記メゾスコピック電荷素子の状態とが相互作用するように、前記複数のメゾスコピック位相素子の第1のメゾスコピック位相素子を前記メゾスコピック電荷素子と結合させる機構と、
前記メゾスコピック電荷素子の状態を読み出す機構と、
を有することを特徴とする超伝導構造体。 A plurality of mesoscopic phase elements, each mesoscopic phase element of the plurality of mesoscopic phase elements is arranged in parallel,
A mesoscopic charge element;
A mechanism for coupling the first mesoscopic phase element of the plurality of mesoscopic phase elements with the mesoscopic charge element such that the state of the first mesoscopic phase element and the state of the mesoscopic charge element interact;
A mechanism for reading the state of the mesoscopic charge element;
A superconducting structure characterized by comprising:
シャント抵抗と、
電流源と、
前記メゾスコピック電荷素子のリードにおける電圧降下を測定するための機構と、
前記メゾスコピック電荷素子のリードを接地するための機構と、
を含み、
前記シャント抵抗、前記電流源、電圧降下を測定するための前記機構、及び、接地するための前記機構が、前記メゾスコピック電荷素子の前記素子リードと並列であることを特徴とする請求項49に記載の超伝導構造体。 The mesoscopic charge element includes a lead, and the mechanism for reading the state of the mesoscopic charge element includes:
Shunt resistance,
A current source;
A mechanism for measuring the voltage drop at the lead of the mesoscopic charge device;
A mechanism for grounding the lead of the mesoscopic charge element;
Including
50. The shunt resistor, the current source, the mechanism for measuring a voltage drop, and the mechanism for grounding are in parallel with the element lead of the mesoscopic charge element. Superconducting structure.
ジョセフソン接合と、
電流源と、
前記メゾスコピック電荷素子のリードにわたって電圧降下を測定するための機構と、
前記メゾスコピック電荷素子のリードを接地するための機構と、
を含み、
前記ジョセフソン接合、前記電流源、電圧降下を測定するための前記機構、及び、接地するための前記機構が、前記メゾスコピック電荷素子のリードと並列に配置されたことを特徴とする請求項49に記載の超伝導構造体。 The mesoscopic charge element includes an element lead, and the mechanism for reading the state of the mesoscopic charge element includes:
Josephson junction,
A current source;
A mechanism for measuring a voltage drop across the leads of the mesoscopic charge device;
A mechanism for grounding the lead of the mesoscopic charge element;
Including
50. The method of claim 49, wherein the Josephson junction, the current source, the mechanism for measuring a voltage drop, and the mechanism for grounding are disposed in parallel with a lead of the mesoscopic charge element. The superconducting structure described.
前記メゾスコピック電荷素子の第1のリードを接地し、
前記メゾスコピック電荷素子の第2のリードをタンク回路に接続すること、を含み、
前記タンク回路がインダクタ及びキャパシタを含み、
前記タンク回路の特性が、前記メゾスコピック電荷素子の状態に依存する、
ことを特徴とする請求項49に記載の超伝導構造体。 The mechanism for reading the state of the mesoscopic charge element is:
Grounding the first lead of the mesoscopic charge element;
Connecting a second lead of the mesoscopic charge element to a tank circuit;
The tank circuit includes an inductor and a capacitor;
The characteristics of the tank circuit depend on the state of the mesoscopic charge element,
The superconducting structure according to claim 49, wherein
複数のメゾスコピック電荷素子と、
前記複数のメゾスコピック位相素子の第1の位相素子の状態と第1のメゾスコピック電荷素子の状態とが相互作用するように、該第1のメゾスコピック位相素子と、前記複数のメゾスコピック電荷素子の第1のメゾスコピック電荷素子とを結合する機構と、
第1のメゾスコピック電荷素子又は前記メゾスコピック位相素子の状態を読み出す機構と、
を有することを特徴とする超伝導構造体。 A plurality of mesoscopic phase elements, each arranged in parallel;
A plurality of mesoscopic charge devices;
The first mesoscopic phase element and the first mesoscopic charge element first so that the state of the first phase element of the plurality of mesoscopic phase elements interacts with the state of the first mesoscopic charge element. A mechanism for coupling a mesoscopic charge element;
A mechanism for reading the state of the first mesoscopic charge element or the mesoscopic phase element;
A superconducting structure characterized by comprising:
シャント抵抗と、
電流源と、
前記メゾスコピック電荷素子のリードにおける電圧降下を測定するための機構と、
前記メゾスコピック電荷素子のリードを接地するための機構と、
を含み、
前記シャント抵抗、前記電流源、電圧降下を測定するための前記機構、及び、接地するための前記機構が、前記メゾスコピック電荷素子の前記素子リードと並列であることを特徴とする請求項55に記載の超伝導構造体。 The mechanism for reading the state of the mesoscopic charge element is:
Shunt resistance,
A current source;
A mechanism for measuring the voltage drop at the lead of the mesoscopic charge device;
A mechanism for grounding the lead of the mesoscopic charge element;
Including
56. The shunt resistor, the current source, the mechanism for measuring a voltage drop, and the mechanism for grounding are in parallel with the element lead of the mesoscopic charge element. Superconducting structure.
ジョセフソン接合と、
電流源と、
前記第1のメゾスコピック電荷素子のリードにおける電圧降下を測定するための機構と、
前記第1のメゾスコピック電荷素子のリードを接地するための機構と、
を含み、
前記ジョセフソン接合、前記電流源、電圧降下を測定するための前記機構、及び、接地するための前記機構が、前記第1のメゾスコピック電荷素子のリードと並列に配置されたことを特徴とする請求項55に記載の超伝導構造体。 Each of the mesoscopic charge elements includes a lead, and the mechanism for reading the state of the first mesoscopic charge element comprises:
Josephson junction,
A current source;
A mechanism for measuring a voltage drop at a lead of the first mesoscopic charge device;
A mechanism for grounding a lead of the first mesoscopic charge device;
Including
The Josephson junction, the current source, the mechanism for measuring a voltage drop, and the mechanism for grounding are arranged in parallel with a lead of the first mesoscopic charge element. Item 56. The superconducting structure according to Item 55.
前記第1のメゾスコピック電荷素子の第1のリードを接地し、
前記メゾスコピック電荷素子の第2のリードをタンク回路に接続することを含み、
前記タンク回路がインダクタ及びキャパシタを含み、
前記タンク回路の特性が、前記第1のメゾスコピック電荷素子の状態に依存する、ことを特徴とする請求項55に記載の超伝導構造体。 The mechanism for reading the state of the first mesoscopic charge element;
Grounding the first lead of the first mesoscopic charge element;
Connecting a second lead of the mesoscopic charge element to a tank circuit;
The tank circuit includes an inductor and a capacitor;
56. The superconducting structure of claim 55, wherein characteristics of the tank circuit depend on a state of the first mesoscopic charge device.
該方法が、
移相素子を使用してメゾスコピック電荷素子に前記メゾスコピック位相素子をコヒーレントに結合させ、
前記メゾスコピック電荷素子の量子状態を測定する、
ステップを有することを特徴とする方法。 A method for reading a quantum state of a mesoscopic phase element,
The method is
Coherently coupling the mesoscopic phase element to a mesoscopic charge element using a phase shift element;
Measuring the quantum state of the mesoscopic charge device,
A method comprising steps.
前記メゾスコピック位相素子と前記メゾスコピック電荷素子との間にコヒーレントな接続を設けるステップを有し、前記コヒーレントな接続が、前記移相素子を含み、前記コヒーレントな接続が、前記メゾスコピック位相素子の量子状態と、前記メゾスコピック電荷素子の量子状態とを維持し、
前記メゾスコピック位相素子と前記電荷素子との間の前記コヒーレントな接続を制御する位相干渉スイッチを設け、
持続時間tの間、前記位相干渉スイッチの量子状態を調整する、
ステップを有することを特徴とする請求項61に記載の方法。 Coherently coupling the mesoscopic phase shift element to the mesoscopic charge element further comprises:
Providing a coherent connection between the mesoscopic phase element and the mesoscopic charge element, wherein the coherent connection includes the phase shift element, and the coherent connection includes a quantum state of the mesoscopic phase element. Maintaining the quantum state of the mesoscopic charge device,
Providing a phase interference switch for controlling the coherent connection between the mesoscopic phase element and the charge element;
Adjusting the quantum state of the phase interference switch for a duration t;
62. The method of claim 61, comprising steps.
ある持続時間tbの快打、前記メゾスコピック電荷素子のリードにわたってバイアス電流を駆動し、
前記メゾスコピック電荷素子にわたって電圧降下を測定する、
ステップを含むことを特徴とする請求項62に記載の方法。 Stimulating the quantum state of the mesoscopic charge device comprises:
Driving a bias current across the lead of the mesoscopic charge device, with a quick hit of a certain duration t b ,
Measuring a voltage drop across the mesoscopic charge element;
63. The method of claim 62, comprising steps.
前記不均一な量子レジスタにおける第1の電荷キュビット又は第1の位相キュビットを選択し、
持続時間tcの間、メゾスコピック電荷素子に前記第1の位相キュビット又は前記第1の電荷キュビットをコヒーレントに結合させ、
前記持続時間tcが経過した後、前記メゾスコピック電荷素子の量子状態を読み出す、
ステップを有することを特徴とする方法。 A method for reading a quantum state of a qubit of a non-uniform quantum register comprising a plurality of first phase qubits and a plurality of second charge qubits, the method comprising:
Selecting a first charge qubit or a first phase qubit in the non-uniform quantum register;
Coherently coupling the first phase qubit or the first charge qubit to a mesoscopic charge element for a duration t c ,
Reading the quantum state of the mesoscopic charge device after the duration t c has elapsed,
A method comprising steps.
前記メゾスコピック電荷素子のリードにおいてバイアス電流を駆動させ、
前記メゾスコピック電荷素子にわたる電圧降下を測定する、
ステップを含むことを特徴とする請求項79に記載の方法。 Reading the quantum state of the mesoscopic charge device,
Driving a bias current in the lead of the mesoscopic charge device;
Measuring a voltage drop across the mesoscopic charge element;
80. The method of claim 79, comprising steps.
該方法が、
前記移相キュビットの量子状態と前記電荷キュビットの量子状態とを互いに相互作用させることができる、前記移相キュビットと前記電荷キュビットとの間のコヒーレントな接続を提供し、
持続時間teの間、前記コヒーレントな接続を調整するステップを有し、前記位相キュビットが、前記移相キュビットの量子状態及び前記電荷キュビットの量子状態を制御可能に絡み合わせるために、持続時間teの少なくとも一部の間、前記電荷キュビットに接続される、ことを特徴とする方法。 A method for performing a quantum computation entanglement operation between a phase qubit and a charge qubit, comprising:
The method is
Providing a coherent connection between the phase-shifting qubit and the charge qubit that allows the quantum state of the phase-shifting qubit and the quantum state of the charge qubit to interact with each other;
Adjusting the coherent connection for a duration t e , wherein the phase qubit has a duration t in order to controllably entangle the quantum state of the phase-shifting qubit and the quantum state of the charge qubit. The method comprising: being connected to the charge qubit for at least a portion of e .
該方法が、
前記不均一な量子レジスタの各キュビットがコヒーレントに接続及び切断されるように構成された、バスを有する量子レジスタを準備し、
前記不均一な量子レジスタの前記複数のキュビットから第1のキュビットを選択し、
持続時間t1の間、メゾスコピック電荷素子に前記第1のキュビットを結合させ、
前記不均一な量子レジスタの前記複数のキュビットから第2のキュビットを選択し、
持続時間t2の間、前記メゾスコピック電荷素子に前記第2のキュビットを結合させる、
ステップを有することを特徴とする方法。 A method of intertwining a non-uniform quantum register qubit comprising a plurality of phase-shifting qubits and a plurality of charge qubits,
The method is
Providing a quantum register having a bus configured such that each qubit of the non-uniform quantum register is connected and disconnected coherently;
Selecting a first qubit from the plurality of qubits of the non-uniform quantum register;
Coupling the first qubit to a mesoscopic charge element for a duration t 1 ;
Selecting a second qubit from the plurality of qubits of the non-uniform quantum register;
Coupling the second qubit to the mesoscopic charge element for a duration t 2 ;
A method comprising steps.
前記位相干渉スイッチが開いているとき、前記メゾスコピック電荷素子が前記選択された第1のキュビットから切断され、前記位相干渉スイッチが閉じているとき、前記メゾスコピック電荷素子が前記選択された第1のキュビットに結合されるように、位相干渉スイッチを調整するステップを含む、
ことを特徴とする請求項103に記載の方法。 Selecting the mesoscopic charge element comprises:
When the phase interference switch is open, the mesoscopic charge element is disconnected from the selected first qubit, and when the phase interference switch is closed, the mesoscopic charge element is the selected first qubit. Adjusting the phase interference switch to be coupled to
104. The method of claim 103.
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