(57)【要約】【課題】簡易な構成で、磁束の状態を変化させることなく、結合強度と周波数とを独立して制御する。【解決手段】可変磁気結合回路は、電流の状態を有する回路要素である被結合対象の間で磁気結合する可変磁気結合回路であって、１つのループ状に循環電流が流れるＯ字状のループ経路と、Ｏ字状のループ経路に配置された第１インダクタ部と、Ｏ字状のループ経路に配置され、被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第１結合強度変更部とを有する第１のループ回路と、経路に交差部分を有し、交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の８の字状のループ経路と、８の字状のループ経路に配置された第２インダクタ部と、８の字状のループ経路に配置され、被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第２結合強度変更部とを有する第２のループ回路とを備える。【選択図】図１
2020178078.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流の状態を有する回路要素である被結合対象の間で磁気結合する可変磁気結合回路であって、
１つのループ状に循環電流が流れるＯ字状のループ経路と、前記Ｏ字状のループ経路に配置された第１インダクタ部と、前記Ｏ字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第１結合強度変更部とを有する第１のループ回路と、
経路に交差部分を有し、前記交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の８の字状のループ経路と、前記８の字状のループ経路に配置された第２インダクタ部と、前記８の字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第２結合強度変更部とを有する第２のループ回路と
を備えることを特徴とする可変磁気結合回路。
【請求項２】
前記８の字状のループ経路は、前記交差部分が３次元的に経路が交差して、前記交差部分において経路が接続されない
ことを特徴とする請求項１に記載の可変磁気結合回路。
【請求項３】
前記８の字状のループ経路は、前記交差部分で経路が接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載の可変磁気結合回路。
【請求項４】
前記第１結合強度変更部及び前記第２結合強度変更部のいずれか一方又は両方は、直列接続された少なくとも２つのジョセフソン接合を有し、与えられた電荷に基づいて、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の可変磁気結合回路。
【請求項５】
電流の状態を有する回路要素である被結合対象の間で磁気結合する可変磁気結合回路であり、
１つのループ状に循環電流が流れるＯ字状のループ経路と、前記Ｏ字状のループ経路に配置された第１インダクタ部と、前記Ｏ字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第１結合強度変更部とを有する第１のループ回路と、
経路に交差部分を有し、前記交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の８の字状のループ経路と、前記８の字状のループ経路に配置された第２インダクタ部と、前記８の字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第２結合強度変更部とを有する第２のループ回路と
を備える可変磁気結合回路の回路制御方法であって、
前記第１のループ回路及び前記第２のループ回路による前記被結合対象の周波数の変化及び前記磁気結合強度の変化の特性に基づいて、前記周波数が一定になるように、前記第１結合強度変更部及び前記第２結合強度変更部を制御して、前記磁気結合強度を変更する
ことを特徴とする回路制御方法。
【請求項６】
電流の状態を有する回路要素である被結合対象の間で磁気結合する可変磁気結合回路であり、
１つのループ状に循環電流が流れるＯ字状のループ経路と、前記Ｏ字状のループ経路に配置された第１インダクタ部と、前記Ｏ字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第１結合強度変更部とを有する第１のループ回路と、
経路に交差部分を有し、前記交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の８の字状のループ経路と、前記８の字状のループ経路に配置された第２インダクタ部と、前記８の字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第２結合強度変更部とを有する第２のループ回路と
を備える可変磁気結合回路の回路制御方法であって、
前記第１のループ回路及び前記第２のループ回路による前記被結合対象の周波数の変化及び前記磁気結合強度の変化の特性に基づいて、前記磁気結合強度が一定になるように、前記第１結合強度変更部及び前記第２結合強度変更部を制御して、前記周波数を変更する
ことを特徴とする回路制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変磁気結合回路、及び回路制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、磁束量子ビットなどの回路要素間の可変磁気結合を行う可変磁気結合回路が知られている（例えば、非特許文献１を参照）。このような従来の可変磁気結合回路では、可変磁気結合の結合強度を制御することが可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】A. O. Niskanen et al.,“Quantum Coherent Tunable Coupling of Superconducting Qubits” Science 316, 723 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の可変磁気結合回路では、例えば、磁束量子ビットなどの回路要素間の結合強度を制御する結合強度変調を行う場合に、結合強度変調に伴って、被結合対象の回路要素の周波数、及び磁束の状態のいずれか又は両方が変化してしまい、結合強度と周波数とを独立して制御することが困難であった。また、従来の可変磁気結合回路では、周波数、及び磁束の状態のいずれか又は両方の変化を補償するために、追加の構成を備える必要があった。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、簡易な構成で、磁束の状態を変化させることなく、結合強度と周波数とを独立して制御することができる可変磁気結合回路、及び回路制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決するために、本発明の一態様は、電流の状態を有する回路要素である被結合対象の間で磁気結合する可変磁気結合回路であって、１つのループ状に循環電流が流れるＯ字状のループ経路と、前記Ｏ字状のループ経路に配置された第１インダクタ部と、前記Ｏ字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第１結合強度変更部とを有する第１のループ回路と、経路に交差部分を有し、前記交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の８の字状のループ経路と、前記８の字状のループ経路に配置された第２インダクタ部と、前記８の字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第２結合強度変更部とを有する第２のループ回路とを備えることを特徴とする可変磁気結合回路である。
【０００７】
また、本発明の一態様は、電流の状態を有する回路要素である被結合対象の間で磁気結合する可変磁気結合回路であり、１つのループ状に循環電流が流れるＯ字状のループ経路と、前記Ｏ字状のループ経路に配置された第１インダクタ部と、前記Ｏ字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第１結合強度変更部とを有する第１のループ回路と、経路に交差部分を有し、前記交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の８の字状のループ経路と、前記８の字状のループ経路に配置された第２インダクタ部と、前記８の字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第２結合強度変更部とを有する第２のループ回路とを備える可変磁気結合回路の回路制御方法であって、前記第１のループ回路及び前記第２のループ回路による前記被結合対象の周波数の変化及び前記磁気結合強度の変化の特性に基づいて、前記周波数が一定になるように、前記第１結合強度変更部及び前記第２結合強度変更部を制御して、前記磁気結合強度を変更することを特徴とする回路制御方法である。
【０００８】
また、本発明の一態様は、電流の状態を有する回路要素である被結合対象の間で磁気結合する可変磁気結合回路であり、１つのループ状に循環電流が流れるＯ字状のループ経路と、前記Ｏ字状のループ経路に配置された第１インダクタ部と、前記Ｏ字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第１結合強度変更部とを有する第１のループ回路と、経路に交差部分を有し、前記交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の８の字状のループ経路と、前記８の字状のループ経路に配置された第２インダクタ部と、前記８の字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第２結合強度変更部とを有する第２のループ回路とを備える可変磁気結合回路の回路制御方法であって、前記第１のループ回路及び前記第２のループ回路による前記被結合対象の周波数の変化及び前記磁気結合強度の変化の特性に基づいて、前記磁気結合強度が一定になるように、前記第１結合強度変更部及び前記第２結合強度変更部を制御して、前記周波数を変更することを特徴とする回路制御方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、簡易な構成で、磁束の状態を変化させることなく、結合強度と周波数とを独立して制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態による可変磁気結合回路の一例を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態による可変磁気結合回路の第１の制御モードの動作原理を説明する図である。
【図３】第１の実施形態による可変磁気結合回路の第１の制御モードの動作例を説明する図である。
【図４】第１の実施形態による可変磁気結合回路の第２の制御モードの動作原理を説明する図である。
【図５】第２の実施形態による可変磁気結合回路の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態による可変磁気結合回路、及び回路制御方法について、図面を参照して説明する。
【００１２】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態による可変磁気結合回路１の一例を示すブロック図である。
図１に示すように、可変磁気結合回路１は、ループ回路ＣＯと、ループ回路Ｃ８とを備える。
【００１３】
可変磁気結合回路１は、電流の状態を有する回路要素である被結合対象（２１、２２）の間で磁気結合する超伝導量子回路である。可変磁気結合回路１は、例えば、被結合対象２１と、被結合対象２２との間に配置され、被結合対象２１と被結合対象２２との間の磁気結合を制御する。
なお、本実施形態において、被結合対象２１と被結合対象２２とは、特に区別しない場合には、被結合対象２０として説明する。
【００１４】
被結合対象２０は、電流の状態を有する回路要素であり、例えば、超伝導体のループ経路と、インピーダンス部とを備える超伝導量子回路である。被結合対象２０は、例えば、磁束量子ビット、超伝導共振回路、等である。なお、超伝導量子回路には、抵抗成分は含まれない。
図１において、被結合対象２１（第１の被結合対象の一例）は、超伝導量子回路であり、例えば、量子ビット回路である。被結合対象２１は、ループ経路２１１と、インピーダンス部２１２とを備える。
【００１５】
ループ経路２１１は、超伝導体で構成されたループ状の経路である。また、インピーダンス部２１２は、インピーダンスＺＡを有する。
また、被結合対象２１は、ループ経路２１１に電流ＩＡが流れている状態であるものとする。
また、被結合対象２２（第２の被結合対象の一例）は、超伝導量子回路であり、例えば、量子ビット回路である。被結合対象２２は、ループ経路２２１と、インピーダンス部２２２とを備える。
ループ経路２２１は、超伝導体で構成されたループ状の経路である。また、インピーダンス部２２２は、インピーダンスＺＢを有する。
また、被結合対象２２は、ループ経路２２１に電流ＩＢが流れている状態であるものとする。
【００１６】
ループ回路ＣＯ（第１のループ回路の一例）は、例えば、電荷バイアスにより磁気結合強度を制御する電荷制御磁束量子ビットである。なお、本実施形態の説明において、電荷を与えることを、電荷バイアスと表記することがある。ループ回路ＣＯは、ループ経路ＲＯと、インダクタ部１３と、結合強度変更部１１とを備える。
ループ経路ＲＯは、超伝導体で構成された経路であり、ループ状に電流が流れる超伝導体の配線である。ループ経路ＲＯは、１つのループ状に循環電流が流れるＯ字状の経路である。ループ経路ＲＯの経路上には、後述する結合強度変更部１１と、インダクタ部１３とが配置されている。
【００１７】
インダクタ部１３（第１インダクタ部の一例）は、ループ経路ＲＯに配置されたインダクタであり、ジョセフソン接合１３１及びジョセフソン接合１３２を有している。すなわち、インダクタ部１３は、ループ経路ＲＯ上に配置された１つ以上のジョセフソン接合（例えば、２つのジョセフソン接合１３１及びジョセフソン接合１３２）を備える。
ジョセフソン接合１３１及びジョセフソン接合１３２は、ループ経路ＲＯ上に流れる電流が自身の臨界電流よりも十分に小さい場合に、インダクタとして機能する。なお、ジョセフソン接合１３１及びジョセフソン接合１３２は、後述するジョセフソン接合１１１及びジョセフソン接合１１２よりも臨界電流が大きく設定されている。
【００１８】
結合強度変更部１１（第１結合強度変更部の一例）は、ループ経路ＲＯ上に配置され、直列接続された少なくとも２つのジョセフソン接合（１１１，１１２）を有し、与えられた電荷に基づいて、被結合対象２０の間の磁気結合強度を変更する。結合強度変更部１１は、例えば、電圧源３１から電圧を印加することで、ジョセフソン接合（１１１，１１２）の間の超伝導体に電荷を与えて、アハロノフ・キャッシャー効果（Aharonov Casher効果）によって、ループ回路ＣＯの周波数ΔＯを変更し、周波数ΔＯを変化させることで被結合対象２１と被結合対象２２との間の磁気結合強度を変更する。このように、結合強度変更部１１は、２つの被結合対象２０の間の磁気結合強度を変更可能である。なお、以下の説明において、磁気結合強度を結合強度と表記することがある。
【００１９】
結合強度変更部１１は、電圧源３１からの電圧に基づく電荷バイアスを変更することで、被結合対象２０の磁気結合強度を変更可能である。
また、結合強度変更部１１は、ジョセフソン接合１１１と、ジョセフソン接合１１２と、コンデンサ１１３とを備える。
【００２０】
ジョセフソン接合１１１及びジョセフソン接合１１２は、ループ経路ＲＯ上に、例えば、直列に接続され、ループ経路ＲＯ上の超伝導体の間に、絶縁体などのトンネル障壁により弱結合を設けることで形成される。
コンデンサ１１３は、第１端がジョセフソン接合１１１と、ジョセフソン接合１１２との間の超伝導体（ループ経路ＲＯ）に接続され、第２端が電圧源３１に接続されている。コンデンサ１１３は、電圧源３１から印加された電圧によって、ジョセフソン接合１１１とジョセフソン接合１１２との間の超伝導体に電荷バイアスを与えるために利用される。
【００２１】
電圧源３１は、例えば、電池などの直流電源であり、結合強度変更部１１に電荷バイアスを印加するために、結合強度変更部１１のコンデンサ１１３に電圧を供給する。電圧源３１は、結合強度変更部１１に供給する電圧を変更可能に構成されており、後述する制御部３０の制御に基づいて、供給する電圧を変更することにより、周波数ΔＯを変化させ、２つの被結合対象２０の間の磁気結合強度を制御可能である。
【００２２】
ループ回路Ｃ８（第２のループ回路の一例）は、例えば、電荷バイアスにより磁気結合強度を制御する電荷制御磁束量子ビットである。ループ回路Ｃ８は、ループ経路Ｒ８と、インダクタ部１４と、結合強度変更部１２とを備える。
ループ経路Ｒ８は、超伝導体で構成された経路であり、ループ状に電流が流れる超伝導体の配線である。ループ経路Ｒ８は、経路に交差部分を有し、交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の８の字状の経路である。ループ経路Ｒ８は、交差部分が３次元的に経路が交差（立体交差）して、交差部分において経路が接続されない。ループ経路Ｒ８の経路上には、後述する結合強度変更部１２と、インダクタ部１４とが配置されている。
【００２３】
インダクタ部１４（第２インダクタ部の一例）は、ループ経路Ｒ８に配置されたインダクタであり、ジョセフソン接合１４１及びジョセフソン接合１４２を有している。すなわち、インダクタ部１４は、ループ経路Ｒ８上に配置された１つ以上のジョセフソン接合（例えば、２つのジョセフソン接合１４１及びジョセフソン接合１４２）を備える。
ジョセフソン接合１４１及びジョセフソン接合１４２は、上述したループ回路ＣＯのジョセフソン接合１１１及びジョセフソン接合１１２と同様の構成である。
【００２４】
結合強度変更部１２（第２結合強度変更部の一例）は、ループ経路Ｒ８上に配置され、直列接続された少なくとも２つのジョセフソン接合（１２１，１２２）を有し、与えられた電荷に基づいて、ループ回路Ｃ８の周波数Δ８を変更し、周波数Δ８を変化させることで被結合対象２０の間の磁気結合強度を変更する。なお、結合強度変更部１２は、上述したループ回路ＣＯの結合強度変更部１１と同様の構成である。
なお、結合強度変更部１１及び結合強度変更部１２の電荷バイアスによる被結合対象２０の磁気結合強度の変更原理及び動作の詳細については、特願２０１８−０７６７９０号公報に記載されている。
【００２５】
また、結合強度変更部１２は、ジョセフソン接合１２１と、ジョセフソン接合１２２と、コンデンサ１２３とを備える。ジョセフソン接合１２１、ジョセフソン接合１２２、及びコンデンサ１２３は、上述した結合強度変更部１１のジョセフソン接合１１１、ジョセフソン接合１１２、及びコンデンサ１１３と同様の構成である。なお、コンデンサ１２３は、電圧源３２から印加された電圧によって、ジョセフソン接合１２１と、ジョセフソン接合１２２との間の超伝導体に電荷バイアスを与えるために利用される。
【００２６】
電圧源３２は、例えば、電池などの直流電源であり、結合強度変更部１２に電荷バイアスを印加するために、結合強度変更部１２のコンデンサ１２３に電圧を供給する。電圧源３２は、結合強度変更部１２に供給する電圧を変更可能に構成されており、後述する制御部３０の制御に基づいて、供給する電圧を変更することにより、周波数Δ８を変化させ、２つの被結合対象２０の間の磁気結合強度を制御可能である。
制御部３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などを含むプロセッサであり、電圧源３１及び電圧源３２を制御して、可変磁気結合回路１の制御を行う。制御部３０は、例えば、被結合対象２０の周波数を変更させずに、磁気結合強度を変更する第１の制御モードの制御と、例えば、被結合対象２０の磁気結合強度を変更させずに、被結合対象２０の周波数を変更する第２の制御モードの制御とを行う。
【００２７】
制御部３０は、例えば、電荷バイアスによるループ回路ＣＯの周波数ΔＯ及びループ回路Ｃ８の周波数Δ８の変化特性を取得した上で、ループ回路ＣＯ及びループ回路Ｃ８による被結合対象２０の周波数の変化及び磁気結合強度の変化の特性を予め生成された特性情報として取得する。制御部３０は、例えば、第１の制御モードの場合に、当該特性情報に基づいて、ループ回路ＣＯ及びループ回路Ｃ８による被結合対象２０の周波数の変化が一定になるように、結合強度変更部１１及び結合強度変更部１２を制御して、磁気結合強度を変更する。
また、制御部３０は、例えば、第２の制御モードの場合に、当該特性情報に基づいて、ループ回路ＣＯ及びループ回路Ｃ８による磁気結合強度の変化が一定になるように、結合強度変更部１１及び結合強度変更部１２を制御して、被結合対象２０の周波数を変更する。
【００２８】
次に、図面を参照して、本実施形態による可変磁気結合回路１の動作原理、及び動作の詳細について説明する。
図１に示す被結合対象（２１，２２）及び可変磁気結合回路１の全回路のハミルトニアンＨｔｏｔａｌは、下記の式（１）により表される。
【００２９】
【数１】
2020178078.tif 000003
【００３０】
ここで、Δｉは、ｉ＝“Ａ’”（被結合対象２１），“Ｂ’”（被結合対象２２），“Ｏ”（ループ回路ＣＯ），“８”（ループ回路Ｃ８）の各量子ビットの周波数を示している。また、ｇｉｊは、量子ビットｉｊ間の結合強度を示している。
【００３１】
また、被結合対象（２１，２２）の結合に注目した実質的なハミルトニアンＨＡＢは、以下の式（２）により表される。
【００３２】
【数２】
2020178078.tif 000004
【００３３】
上述した式（１）において、ハミルトニアンＨｔｏｔａｌの結合強度ｑｉｊを固定して、ループ回路ＣＯの周波数ΔＯ及びループ回路Ｃ８の周波数Δ８を変更した場合の被結合対象（２１，２２）に着目した実質的なハミルトニアンＨＡＢのパラメータ変化をグラフにしたものが、図２に示すグラフになる。
【００３４】
図２は、本実施形態による可変磁気結合回路１の第１の制御モードの動作原理を説明する図である。
図２（ａ）に示すグラフは、ループ回路ＣＯの周波数ΔＯ及びループ回路Ｃ８の周波数Δ８を変更した場合の被結合対象（２１，２２）間の結合強度の変化を示している。図（ａ）に示すグラフ内の数値は、結合強度（ＧＨｚ（ギガヘルツ））の値を示している。
【００３５】
また、図２（ｂ）に示すグラフは、ループ回路ＣＯの周波数ΔＯ及びループ回路Ｃ８の周波数Δ８を変更した場合の被結合対象（２１，２２）の周波数（ΔＡ＝ΔＢ）の変化を示している。図２（ｂ）に示すグラフ内の数値は、周波数（ΔＡ＝ΔＢ）の値を示している。
第１の制御モードでは、図２（ｂ）において、周波数（ΔＡ＝ΔＢ）が一定になるように、周波数ΔＯ及び周波数Δ８を変更することで、被結合対象（２１，２２）の周波数（ΔＡ＝ΔＢ）を変更させずに、被結合対象（２１，２２）間の結合強度を変更することが可能である。
例えば、図２（ｂ）において、周波数（ΔＡ＝ΔＢ）が“４．５”（ＧＨｚ）になる制御線Ｓ１に沿って、周波数ΔＯ及び周波数Δ８を変化させると、図２（ａ）の制御線Ｓ１に示すように、被結合対象（２１，２２）間の結合強度を“−０．４”（ＧＨｚ）から“０．４”（ＧＨｚ）に変更することが可能である。
【００３６】
このように、図２に示すような、ループ回路ＣＯ及びループ回路Ｃ８による被結合対象２０の周波数の変化及び磁気結合強度の変化の特性を特性情報として予め測定又は演算により生成しておき、制御部３０が、当該特性情報に基づいて、ループ回路ＣＯ及びループ回路Ｃ８による周波数ΔＡ（周波数ΔＢ）の変化が一定になるように、結合強度変更部１１及び結合強度変更部１２を制御することで、第１の制御モードの制御を実現する。
【００３７】
また、図３は、本実施形態による可変磁気結合回路１の第１の制御モードの動作例を説明する図である。
図３（ａ）は、ループ回路（ＣＯ，Ｃ８）の周波数変化（ΔＯ又はΔ８の変化）に対する被結合対象２０間の結合強度の変化を示している。図３（ａ）において、波形Ｗ１は、ループ回路ＣＯのみを備える場合の結合強度の特性を示し、波形Ｗ２は、ループ回路Ｃ８のみを備える場合の結合強度の特性を示している。波形Ｗ１及び波形Ｗ２は、結合強度の極性が逆の特性となっており、本実施形態の可変磁気結合回路１では、ループ回路ＣＯとループ回路Ｃ８とを組み合わせて、（ΔＯ＋Δ８）が一定（＝４０ＧＨｚ×２π）になるように周波数（ΔＯ及びΔ８）を変化させることで、波形Ｗ３に示すような結合強度の特性を得る。なお、波形Ｗ３についての横軸は、（ΔＯ／２π）が横軸の値、（Δ８／２π）が（４０−横軸の値）を示している。
【００３８】
また、図３（ｂ）は、ループ回路（ＣＯ，Ｃ８）の周波数変化（ΔＯ又はΔ８の変化）に対する被結合対象２０の周波数（ΔＡ＝ΔＢ）の変化を示している。図３（ｂ）において、波形Ｗ４は、ループ回路ＣＯのみを備える場合の周波数（ΔＡ＝ΔＢ）の特性を示し、波形Ｗ５は、ループ回路Ｃ８のみを備える場合の周波数（ΔＡ＝ΔＢ）の特性を示している。本実施形態の可変磁気結合回路１では、ループ回路ＣＯとループ回路Ｃ８とを組み合わせて、（ΔＯ＋Δ８）が一定（＝４０ＧＨｚ×２π）になるように周波数（ΔＯ及びΔ８）を変化させることで、波形Ｗ６に示すような周波数（ΔＡ＝ΔＢ）の特性を得る。なお、波形Ｗ６についての横軸は、上述した図３（ａ）の波形Ｗ３と同様である。
【００３９】
制御部３０は、図３（ｂ）において、周波数（ΔＡ＝ΔＢ）が一定になるように周波数（ΔＯ及びΔ８）を範囲Ｒ１の間で変化させることで、図３（ａ）に示す範囲Ｒ２の間で、結合強度を変更可能である。
【００４０】
図４は、本実施形態による可変磁気結合回路１の第２の制御モードの動作原理を説明する図である。
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すグラフは、上述した図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すグラフと同様であるためここではその説明を省略する。
第２の制御モードでは、図４（ａ）において、結合強度が一定になるように、周波数ΔＯ及び周波数Δ８を変更することで、被結合対象（２１，２２）間の結合強度を変更させずに、被結合対象（２１，２２）の周波数（ΔＡ＝ΔＢ）を変更することが可能である。
【００４１】
例えば、図４（ａ）において、被結合対象（２１，２２）間の結合強度が“０．０”（ＧＨｚ）になる制御線Ｓ２に沿って、周波数ΔＯ及び周波数Δ８を変化させると、図４（ｂ）の制御線Ｓ２に示すように、周波数（ΔＡ＝ΔＢ）を“約４．６”（ＧＨｚ）から“４．０”（ＧＨｚ）に変更することが可能である。ここで、結合強度が“０．０”（ＧＨｚ）の場合、例えば、周波数ΔＯと周波数Δ８とを等しく変化させる（ΔＯ＝Δ８）。
【００４２】
このように、図４に示すような、ループ回路ＣＯ及びループ回路Ｃ８による被結合対象２０の周波数の変化及び磁気結合強度の変化の特性を特性情報として予め測定又は演算により生成しておき、制御部３０が、当該特性情報に基づいて、ループ回路ＣＯ及びループ回路Ｃ８による磁気結合強度の変化が一定になるように、結合強度変更部１１及び結合強度変更部１２を制御することで、第２の制御モードの制御を実現する。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態による可変磁気結合回路１は、電流の状態を有する回路要素である被結合対象２０の間で磁気結合する可変磁気結合回路であって、ループ回路ＣＯ（第１のループ回路）と、ループ回路Ｃ８（第２のループ回路）とを備える。ループ回路ＣＯは、１つのループ状に循環電流が流れるＯ字状のループ経路ＲＯと、Ｏ字状のループ経路ＲＯに配置されたインダクタ部１３（第１インダクタ部）と、Ｏ字状のループ経路ＲＯに配置され、被結合対象２０の間の磁気結合強度を変更可能な結合強度変更部１１（第１結合強度変更部）とを有する。ループ回路Ｃ８は、経路に交差部分を有し、交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の８の字状のループ経路Ｒ８と、８の字状のループ経路Ｒ８に配置されたインダクタ部１４（第２インダクタ部）と、８の字状のループ経路Ｒ８に配置され、被結合対象２０の間の磁気結合強度を変更可能な結合強度変更部１２（第２結合強度変更部）とを有する。また、本実施形態では、８の字状のループ経路Ｒ８は、交差部分が３次元的に経路が交差して、交差部分において経路が接続されない。
【００４４】
これにより、本実施形態による可変磁気結合回路１は、ループ回路ＣＯと、ループ回路Ｃ８とを組み合わせることで、例えば、図２及び図４に示すように、結合強度と周波数とを独立して制御することができる。また、本実施形態による可変磁気結合回路１は、周波数の変化を補償するための追加の構成を必要としない。よって、本実施形態による可変磁気結合回路１は、簡易な構成で、結合強度と周波数とを独立して制御することができる。
本実施形態による可変磁気結合回路１では、例えば、被結合対象２０の間で磁気結合を変更する際に、周波数の変化を完全になくすことができる。
【００４５】
また、本実施形態では、結合強度変更部１１及び結合強度変更部１２のいずれか一方又は両方は、直列接続された少なくとも２つのジョセフソン接合を有し、与えられた電荷に基づいて、被結合対象２０の間の磁気結合強度を変更可能である。
これにより、本実施形態による可変磁気結合回路１は、被結合対象２０の間のゼロ結合を容易に実現するとともに、制御における磁束バイアス同士の混線を低減することができる。
【００４６】
また、本実施形態では、磁気結合される２つの被結合対象２０のうちの少なくとも１つは、超伝導量子回路である。例えば、磁気結合される２つの被結合対象２０は、いずれも磁束量子ビット（磁束量子ビット回路）であってもよい。また、２つの被結合対象２０のうちの少なくとも１つは、磁束量子ビット又は超伝導共振回路であってもよい。例えば、磁気結合される２つの被結合対象２０は、磁束量子ビットと超伝導共振回路とであってもよい。
これにより、本実施形態による可変磁気結合回路１は、例えば、磁束量子ビットなどの超伝導量子回路の間の磁気結合を適切に制御することができる。
【００４７】
なお、本実施形態による可変磁気結合回路１では、様々な超伝導量子回路の間の磁気結合に利用することができる。本実施形態による可変磁気結合回路１は、例えば、超伝導量子アニーリングマシンや超伝導量子コンピュータにおいて、磁束量子ビット同士の可変磁気結合に容易に利用することができる。この場合、超伝導量子アニーリングマシンや超伝導量子コンピュータは、可変磁気結合回路１と同様の効果を奏し、回路構成や演算操作を簡略化することができるとともに、混線の低減及び演算操作速度の向上が期待できる。また、本実施形態による可変磁気結合回路１は、従来の単一のループ回路を持つ磁束バイアス制御の可変磁気結合回路１との互換性を有しているため、量子コンピュータの一部の可変磁気結合回路を、本実施形態による可変磁気結合回路１に置き換えることも可能である。
【００４８】
また、本実施形態による回路制御方法は、上述した可変磁気結合回路１の回路制御方法であって、制御部３０が、ループ回路ＣＯ及びループ回路Ｃ８による被結合対象２０の周波数の変化及び磁気結合強度の変化の特性に基づいて、ループ回路ＣＯ及びループ回路Ｃ８による被結合対象２０の周波数の変化が一定になるように、結合強度変更部１１及び結合強度変更部１２を制御して、磁気結合強度を変更する。
これにより、本実施形態による回路制御方法は、被結合対象２０の周波数を変化させずに、磁気結合強度を独立に変更することができる（第１の制御モード）。
【００４９】
また、本実施形態による回路制御方法は、上述した可変磁気結合回路１の回路制御方法であって、制御部３０が、ループ回路ＣＯ及びループ回路Ｃ８による被結合対象２０の周波数の変化及び磁気結合強度の変化の特性に基づいて、ループ回路ＣＯ及びループ回路Ｃ８による磁気結合強度の変化が一定になるように、結合強度変更部１１及び結合強度変更部１２を制御して、被結合対象２０の周波数を変更する。
これにより、本実施形態による回路制御方法は、磁気結合強度を変化させずに、被結合対象２０の周波数を独立に変更することができる（第２の制御モード）。
【００５０】
［第２の実施形態］
次に、図５を参照して第２の実施形態による可変磁気結合回路１ａについて説明する。
図５は、本実施形態による可変磁気結合回路１ａの一例を示すブロック図である。
図５に示すように、可変磁気結合回路１ａは、ループ回路ＣＯａと、ループ回路Ｃ８ａとを備える。本実施形態では、磁束制御（磁束バイアスによる制御）に変更した上で、第１の実施形態のループ回路Ｃ８の代わりに、ループ経路Ｒ８の形状が異なるループ回路Ｃ８ａを備える変形例について説明する。本実施形態のループ回路ＣＯａ及びループ回路Ｃ８ａは、例えば、磁束バイアスにより磁気結合強度を制御する磁束制御磁束量子ビットである。
なお、図５において、図１と同一の構成には同一の符号を付与して、その説明を省略する。
【００５１】
ループ回路ＣＯａは、ループ経路ＲＯと、インダクタ部１３と、結合強度変更部１１ａとを備える。結合強度変更部１１ａは、磁束バイアスに基づいて、ループ回路ＣＯａの周波数ΔＯを変化させることで、被結合対象２０の間の磁気結合強度を変更する。
結合強度変更部１１ａのジョセフソン接合１１１及びジョセフソン接合１１２は、ループ経路ＲＯに並列に接続されている。
【００５２】
ループ回路Ｃ８ａ（第２のループ回路の一例）は、ループ経路Ｒ８ａと、インダクタ部１４と、結合強度変更部１２ａとを備える。
ループ経路Ｒ８ａは、８の字状の経路であるが、ここでの８の字状のループ経路Ｒ８ａは、交差部分で経路が接続されているデジタル文字の８の字状になっている。ループ経路Ｒ８ａが、交差部分で接続されている場合、ループ回路Ｃ８ａは、上下のループで循環電流が逆向きに流れる磁場勾配計型の磁束量子ビットになる。なお、インダクタ部１４のジョセフソン接合１４１及びジョセフソン接合１４２は、ループ経路Ｒ８ａの交差部分に配置されている。
結合強度変更部１２ａは、磁束バイアスに基づいて、ループ回路Ｃ８ａの周波数Δ８を変化させることで、被結合対象２０の間の磁気結合強度を変更する。
また、結合強度変更部１２ａのジョセフソン接合１２１及びジョセフソン接合１２２は、８の字状の経路の上下のループに１つずつ配置されている。
【００５３】
また、本実施形態による制御部３０ａは、磁束バイアスにより、結合強度変更部１１ａ及び結合強度変更部１２ａを制御する点を除いて、上述した第１の実施形態の制御部３０と同様である。
本実施形態による可変磁気結合回路１ａのその他の構成については、第１の実施形態と同様であるため、ここではその説明を省略する。
また、本実施形態による可変磁気結合回路１ａの動作、及び回路制御方法については、第１の実施形態と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態による可変磁気結合回路１ａは、ループ回路ＣＯと、ループ回路Ｃ８ａとを備える。また、ループ回路Ｃ８ａは、８の字状のループ経路Ｒ８ａと、インダクタ部１４と、結合強度変更部１２とを備え、８の字状のループ経路Ｒ８は、交差部分で経路が接続されている。
これにより、本実施形態による可変磁気結合回路１ａは、上述した第１の実施形態と同様の効果を奏し、簡易な構成で、結合強度と周波数とを独立して制御することができる。
【００５５】
なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記の第１の実施形態において、結合強度変更部１１及び結合強度変更部１２は、電荷バイアスに基づいて磁気結合強度を変更する例を説明したが、これに限定されるものではなく、第２の実施形態のように、磁束制御（磁束バイアス）に基づいて、磁気結合強度を変更するようにしてもよいし、他の方式を利用したものでもよい。
また、上記の各実施形態において、インダクタ部１３及びインダクタ部１４は、２つのジョセフソン接合を備える例を説明したが、これに限定されるものではなく、１つ又は３つ以上のジョセフソン接合を備えるようにしてもよい。また、インダクタ部１３及びインダクタ部１４は、ジョセフソン接合の代わりに、同程度のインダクタンスを持つインダクタを用いるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１，１ａ  可変磁気結合回路、１１，１１ａ，１２，１２ａ  結合強度変更部、１３，１４  インダクタ部、２０，２１，２２  被結合対象、３０，３０ａ  制御部、３１，３２  電圧源、１１１，１１２，１２１，１２２，１３１，１３２，１４１，１４２  ジョセフソン接合、２１１，２２１，ＲＯ，Ｒ８，Ｒ８ａ  ループ経路、２１２，２２２  インピーダンス部、ＣＯ，ＣＯａ，Ｃ８，Ｃ８ａ  ループ回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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