(57)【要約】複数のジョセフソン結合を含む超伝導ループを形成し、量子化磁束の１／２でバイアスされると共に、互いに異なる特性周波数を備えた第１及び第２の超伝導磁束量子ビット素子１０１、１０２と、これらの素子１０１，１０２の周波数差に等しいマイクロ波磁場パルスの印加することにより、素子１０１、１０２間をパラメトリックに可変制御する結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３とを有する量子演算回路が得られる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の量子ビット素子と第２の量子ビット素子とを結合する量子ビット結合方法において、前記第１の量子ビット素子及び前記第２の量子ビット素子の間を結合用量子ビット素子により結合したときの相互作用を該結合用量子ビット素子に対してマイクロ波パルスを印加してパラメトリックに可変制御する制御段階を有することを特徴とする量子ビット可変結合方法。
【請求項２】
請求項１記載の量子ビット可変結合方法において、前記制御段階では、前記結合用量子ビット素子により前記第１の量子ビット素子及び前記第２の量子ビット素子の間の結合をオンオフすることを特徴とする量子ビット可変結合方法。
【請求項３】
請求項２記載の量子ビット可変結合方法において、前記制御段階では、前記第１の量子ビット素子及び前記第２の量子ビット素子として、隣接配置されて量子化磁束の１／２でバイアスされると共に、特性周波数が異なる超伝導磁束量子ビット素子を用い、前記結合用量子ビット素子として、所定数のジョセフソン結合を有し、且つ超伝導ループを形成すると共に、前記結合をオンオフするために前記マイクロ波パルスとしてマイクロ波磁場パルスの印加により前記超伝導磁束量子ビット素子の二つの間の結合を誘起する該超伝導磁束量子ビット素子とは異なる特性周波数を有する結合用超伝導磁束量子ビット素子を用いたことを特徴とする超伝導磁束量子ビット可変結合方法。
【請求項４】
第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子と、前記第１の量子ビット素子と前記第２の量子ビット素子との間を結合すると共に、該結合の相互作用をマイクロ波パルスの印加によりパラメトリックに可変制御する結合用量子ビット素子とを有することを特徴とする量子演算回路。
【請求項５】
請求項４記載の量子演算回路において、前記第１の量子ビット素子及び前記第２の量子ビット素子は、隣接配置されて量子化磁束の１／２でバイアスされると共に、特性周波数が異なる超伝導磁束量子ビット素子であり、前記結合用量子ビット素子は、所定数のジョセフソン結合を有して超伝導ループを形成して成ると共に、前記結合をオンオフするために前記マイクロ波パルスとしてマイクロ波磁場パルスの印加により前記超伝導磁束量子ビット素子の二つの間の結合を誘起する該超伝導磁束量子ビット素子とは異なる特性周波数を有する結合用超伝導磁束量子ビット素子であることを特徴とする量子演算回路。
【請求項６】
第１の量子ビット素子と第２の量子ビット素子との間を可変結合する可変結合器において、前記第１の量子ビット素子及び前記第２の量子ビット素子の間を結合すると共に、該結合の相互作用をマイクロ波パルスによりパラメトリックに可変制御する結合用量子ビット素子から成ることを特徴とする可変結合器。
【請求項７】
請求項６記載の可変結合器において、前記第１の量子ビット素子及び前記第２の量子ビット素子が隣接配置されて量子化磁束の１／２でバイアスされると共に、特性周波数が異なる超伝導磁束量子ビット素子である場合における前記結合用量子ビット素子は、所定数のジョセフソン結合を有して超伝導ループを形成して成ると共に、前記結合をオンオフするために前記マイクロ波パルスとしてマイクロ波磁場パルスの印加により前記超伝導磁束量子ビット素子の二つの間の結合を誘起する該超伝導磁束量子ビット素子とは異なる特性周波数を有する結合用超伝導磁束量子ビット素子であることを特徴とする可変結合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主としてジョセフソン結合システムで構成される量子計算機（量子コンピュータ）や量子中継器等に適用される量子演算回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子計算機（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）は、量子力学の基本原理を積極的に活用した新しい概念に基づく計算機として知られ、或る特定の問題（例えば、大きな自然数の素因数分解等）に対して現在の古典計算機と比べて桁違いの速度で計算を行うことができる。この量子計算機では、古典計算機でのビットに対応するものとして、量子ビットと呼ばれる量子２準位系が用いられる。尚、量子計算機で扱われる情報は、量子ビット素子に入力されるが、量子ビット素子は例えば異なる量子状態を持った原子と見做せるため、こうした量子状態のうちの２つが情報を保存するために使用される。
量子２準位系の候補としては幾つかあるが、量子ビット集積化の観点からは固体素子が有望である。特に、超伝導素子を用いた量子ビット素子はそのコヒーレンスの強固さ等から他の固体デバイスを大きくリードしている。
量子計算の実現に向けた超伝導量子ビット素子の一例としては、例えば、図２に示すような超伝導磁束量子ビット素子の基本構成（非特許文献１参照）が挙げられる。この超伝導磁束量子ビット素子は、ジョセフソン接合２０２を３つ有する超伝導ループ２０１中に量子化磁束の１／２付近の外部磁束を印加した際、超伝導ループ２０１を周回する永久電流が時計回りの状態、反時計回りの状態の２つの状態の重ね合わせ状態のときに最もエネルギーの低い２つの固有状態となると共に、有効な量子２準位系、即ち、量子ビットとして動作する。
ところで、量子計算においては、２ビットを用いた論理演算が必要不可欠であるため、量子計算機の実現には量子ビット素子間に何らかの方法で相互作用を持たせることが必要となる。量子ビット素子を集積化して量子ビット演算回路（量子演算回路）を構成するためには、量子ビット素子間の相互作用を導入することにより、２つの量子ビット素子間の条件付き演算ゲートが必要となる。
例えば、非特許文献１の超伝導磁束量子ビット素子間を結合した量子ビット演算回路（非特許文献２参照）では、図３に示されるように、２つの超伝導磁束量子ビット素子３０１，３０２のループの一部を共有させることにより、量子ビット素子間の磁気的結合を具現している。
こうした量子ビット素子間の結合は、この他にも幾つか提案されており、他の量子ビット演算回路（非特許文献３参照）では、図４に示されるように、２つの超伝導磁束量子ビット４０１，４０２のループ共有部分に大きなジョセフソン接合４０３を設け、インダクタンスを増大させることで相互作用を強めている。
更に、先に上げた非特許文献１は、図５に示されるように、超伝導磁束量子ビット素子５０１，５０２間に超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）５０４を含む超伝導ループを超伝導トランスフォーマー５０３として設け、超伝導磁束量子ビット素子５０１，５０２間の磁気的結合を実現した別の量子ビット演算回路をも開示している。
これに関連した更に他の技術に係る量子ビット演算回路（非特許文献４参照）では、図６に示されるように、超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）６０４を含む超伝導ループを２つ対称に結合した超伝導トランスフォーマー６０３を設け、超伝導磁束量子ビット素子６０１，６０２間の磁気的結合を具現している。更に別の技術に係る量子ビット演算回路（非特許文献５参照）では、図７に示されるように、超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）７０４を超伝導ループに対して直列でなく並列に配置した超伝導トランスフォーマー７０３を設け、超伝導磁束量子ビット素子７０１，７０２間の磁気的結合を実現している。
その他の量子ビット演算回路（非特許文献６参照）では、図８に示されるように超伝導磁束量子ビット素子８０１，８０２間に、電流バイアスされた超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）８０３を設け、この超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）８０３を介して超伝導磁束量子ビット素子８０１，８０２間の磁気的結合を実現している。
ここで、何れの量子ビット演算回路においても、各々量子ビット素子については長時間コヒーレンスを保つ必要がある。具体的には、量子ビット素子のコヒーレンスはバイアス条件に大きく依存することが知られており、丁度量子化磁束の１／２が印加された最適動作点で長いコヒーレンス時間が得られるようになっている（非特許文献７参照）。
更に、非特許文献６と同様な量子ビット演算回路が非特許文献８においても提案されている。具体的に説明すると、非特許文献８は、パラメトリックに２つの量子ビット素子間の結合を誘起するために、特性周波数の異なる２つの量子ビット素子間に、直流電流によってバイアスされた超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を設けた量子ビット演算回路を明らかにしている。この場合、超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）は、臨界電流との関係で選択されたバイアス電流で直流的にバイアスされ、当該超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）を電流バイアスによってバイアスしたときに得られる非線形なインダクタンスを利用している。また、超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）には、２つの超伝導磁束量子ビット素子のそれぞれの特性周波数の差周波数に等しい周波数を有するマイクロ波磁場パルスを超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）に印加することにより、２つの量子ビット素子間の結合を誘起させている。
【非特許文献１】「Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ  Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ−Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｑｕｂｉｔ」Ｊ．Ｅ．Ｍｏｏｉｊ，Ｔ．Ｐ．Ｏｒｌａｎｄｏ，Ｌ．Ｌｅｖｉｔｏｖ，Ｌ．Ｔｉａｎ，Ｃ．Ｈ．ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａｌ，ａｎｄ  Ｓ．Ｌｌｏｙｄ，ＡＵＧＵＳＴ１９９９  ＶＯＬ２８５  ＳＣＩＥＮＣＥ  ｐ：１０３６（１９９９）．
【非特許文献２】「Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｏｎ  Ｔｗｏ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｆｌｕｘ  Ｑｕｂｉｔｓ」Ｊ．Ｂ．Ｍａｊｅｒ，Ｆ．Ｇ．Ｐａａｕｗ，Ａ．Ｃ．Ｊ．ｔｅｒ  Ｈａａｒ，Ｃ．Ｊ．Ｐ．Ｍ．Ｈａｒｍａｎｓ，ａｎｄ  Ｊ．Ｅ．Ｍｏｏｉｊ，ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  ＬＲＴＴＥＲＳ（ＰＲＬ）９４，０９０５０１（２００５）．
【非特許文献３】「Ｄｉｒｅｃｔ  Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｂｅｔｗｅｅｎ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｆｌｕｘ  ｑｕｂｉｔｓ」Ｍ．Ｇｒａｊｃａｒ，Ａ．Ｉｚｍａｌｋｏｖ，Ｓ．Ｈ．Ｗ．ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐｌｏｅｇ，Ｓ．Ｌｉｎｚｅｎ，Ｅ．Ｉｌ’ｉｃｈｅｖ，Ｔｈ．Ｗａｇｎｅｒ，Ｕ．Ｈｕｂｎｅｒ，Ｈ．−Ｇ．Ｍｅｙｅｒ，Ａ．Ｍａａｓｓｅｎ  ｖａｎ  ｄｅｎ  Ｂｒｉｎｋ，Ｓ．Ｕｃｈａｉｋｉｎ，ａｎｄ  Ａ．Ｍ．Ｚａｇｏｓｋｉｎ，ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  Ｂ  ７２，０２０５０３（Ｒ）２００５．
【非特許文献４】「Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ  ｆｏｒ  Ｑｕｂｉｔｓ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｆｌｅｘ  Ｓｔａｔｅｓ」Ｔ．Ｖ．Ｆｉｌｉｐｐｏｖ，Ｓ．Ｋ．Ｔｏｌｐｙｇｏ，Ｊ．Ｍａｎｎｉｋ，ａｎｄ  Ｊ．Ｅ．Ｌｕｋｅｎｓ，ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＡＰＰＬＩＥＤ  ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ  ＶＯＬ．１３，ＮＯ．２．ＪＵＮＥ  ｐ：１００５（２００３）．
【非特許文献５】「Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ  Ｆｌｕｘ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｆｌｕｘ  Ｑｕｂｉｔｓ」Ｃ．Ｃｏｓｍｅｌｌｉ，Ｍ．Ｇ．Ｃａｓｔｅｌｌａｎｏ，Ｆ．Ｃｈｉａｒｅｌｌｏ，Ｒ．Ｌｅｏｎｉ，Ｄ．Ｓｉｍｅｏｎｅ，Ｇ．Ｔｏｒｒｉｏｌｉ，Ｐ．Ｃａｒｅｌｌｉ，ａｒＸｉｖ：ｃｏｎｄ−ｍａｔ／０４０３６９０ｖ１  ２９Ｍａｒ２００４．
【非特許文献６】「Ｅｎｔａｎｇｌｉｎｇ  ｆｌｕｘ  ｑｕｂｉｔｓ  ｗｉｔｈ  ａ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｄｙｎａｍｉｃ  ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ」Ｂ．Ｌ．Ｔ．Ｐｌｏｕｒｄｅ，Ｊ．Ｚｈａｎｇ，Ｋ．Ｂ．Ｗｈａｌｅｙ，Ｆ．Ｋ．Ｗｉｌｈｅｌｍ，Ｔ．Ｌ．Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ，Ｔ．Ｈｉｍｅ，Ｓ．Ｌｉｎｚｅｎ，Ｐ．Ａ．Ｒｅｉｃｈａｒｄｔ，Ｃ．−Ｅ．Ｗｕ，ａｎｄ  Ｊ．Ｃｌａｒｋｅ，ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  Ｂ  ７０，１４０５０１（Ｒ）（２００４）．
【非特許文献７】「Ｄｅｐｈａｓｉｎｇ  ｏｆ  ａ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｑｕｂｉｔ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  ｂｙ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｎｏｉｓｅ」Ｐ．Ｂｅｒｔｅｔ，Ｉ．Ｃｈｉｏｒｅｓｃｕ，Ｇ．Ｂｕｒｋａｒｄ，Ｋ．Ｓｅｍｂａ，Ｃ．Ｊ．Ｐ．Ｍ．Ｈａｒｍａｎｓ，Ｄ．Ｐ．ＤｉＶｉｎｃｅｎｚｏ，ａｎｄ  Ｊ．Ｅ．Ｍｏｏｉｊ，ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  ＬＥＴＴＥＲＳ（ＰＲＬ）９５，２５７００２（２００５）．
【非特許文献８】「Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｆｏｒ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｑｕｂｉｔｓ」Ｐ．Ｂｅｒｔｅｔ，Ｃ．Ｊ．Ｐ．Ｍ．Ｈａｒｍａｎｓ，ａｎｄ  Ｊ．Ｅ．Ｍｏｏｉｊ，ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  Ｂ  ７３，０６４５１２（２００６）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した非特許文献１〜８に係る量子ビット演算回路の場合、量子ビット素子間の結合に際して技術的に幾つかの問題点を抱えている。
具体的に言えば、図３，図４に示した非特許文献２，３に係る量子ビット演算回路の場合、結合インダクタンスとして、超伝導ループの一部やジョセフソン接合を用いているため、量子ビット素子（超伝導磁束量子ビット素子）間の結合インダクタンスが可変でなく、これによって量子ビット素子間の相互作用が固定されてしまい、可変でないという問題（第１の問題点）がある。
又、図５，図７に示した量子ビット演算回路を示した特許文献１、５のうち、非特許文献１では、量子ビット素子間の相互作用をオフにするために超伝導磁束量子干渉素子に量子化磁束の半分の磁束を印加すると、超伝導磁束量子干渉素子の臨界電流が０になってジョセフソン接合が有限電圧状態にスイッチしてしまい、散逸が生じてコヒーレントな磁気的結合ができなくなる。この結果、超伝導磁束量子干渉素子の臨界電流が小さくなり過ぎてしまう。他方、非特許文献５では、超伝導磁束量子干渉素子が超伝導トランスフォーマーループに対して並列に配置されていることに起因し、超伝導磁束量子干渉素子の内部の磁束を変化させてそのインダクタンスを変化させても、量子ビット素子間の結合インダクタンスを完全に０にすることはできず、こうしたときには何れも量子ビット素子間の結合（相互作用）を完全にオフすることができないという問題（第２の問題点）がある。
更に、図６に示した非特許文献４に係る量子ビット演算回路の場合、結合用の超電導トランスフォーマー中における超伝導磁束量子干渉素子の幾何学的形状に起因し、相互作用をオフするために量子ビット素子自体を特別な構造の対称性としているため、特定のタイプの量子ビット素子、即ち、超伝導磁束量子ビット素子にしか応用することができないという問題（第３の問題点）がある。
一方、図８に示した非特許文献６に係る量子ビット演算回路の場合、量子ビット素子間の結合（相互作用）を完全にオフにするために隣り合う量子ビット素子間の直接的な磁気的結合とその間に挟まれた超伝導磁束量子干渉素子を介した磁気的結合の相殺現象とを利用している。このことに起因し、隣接配置される量子ビット素子間の直接的な磁気的結合を利用するためには、量子ビット素子間の距離を小さくしなくてはならず、この結果、制御信号間のクロストークを抑制することができない。このため、個々の量子ビット素子の状態を制御する際、或いは、量子ビット素子間の相互作用を制御する際に流す制御用電流が他の量子ビット素子や超伝導磁束量子干渉素子にクロスカップリングすることを防ぐことができないという問題（第４の問題点）がある。
その他、図８に示した量子ビット演算回路に関連する非特許文献７の技術を導入した場合には、結合（相互作用）を制御するために超伝導磁束量子干渉素子に流す電流に起因し、そこに流れる電流の変化が両側の量子ビット素子に加わる磁束を変化させるため、量子ビット素子間の結合（相互作用）を制御する際に量子ビット素子のバイアス点が変化してしまい、量子ビット素子の動作点が最適条件からずれることにより、量子ビット素子のコヒーレンス時間が短くなってしまうという問題（第５の問題点）がある。
更に、非特許文献８の技術を導入した場合には、結合（相互作用）を制御するために超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）に臨界電流に関連した電流を流すと、超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）に侵入してくるノイズ電流がその左右のブランチを非対称に流れるため、量子ビット素子に磁気的に結合してコヒーレンスを乱してしまう。これによって、量子ビット素子間の結合（相互作用）を制御するための制御線を通じて外部から侵入して来るノイズと量子ビット素子との結合が強くなってしまうことにより、量子ビット素子のコヒーレンスが損なわれてしまうという問題（第６の問題点）がある。
本発明の課題は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、特性周波数が異なる量子ビット素子間を可変可能に結合する量子ビット結合方法、量子演算回路、及び、可変結合器を提供することである。
本発明の他の課題は、長いコヒーレンス時間を維持したまま量子ビット素子間の結合の相互作用を適確に可変制御できる量子ビット可変結合方法及びそれを適用した量子演算回路、並びに可変結合器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、第１の量子ビット素子と第２の量子ビット素子とを結合する量子ビット結合方法において、第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子の間を結合用量子ビット素子により結合したときの相互作用を該結合用量子ビット素子に対してマイクロ波パルスを印加することによりパラメトリックに可変制御する制御段階を有する量子ビット可変結合方法が得られる。
又、本発明によれば、上記量子ビット可変結合方法において、制御段階では、結合用量子ビット素子により第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子の間の結合をオンオフする量子ビット可変結合方法が得られる。
更に、本発明によれば、上記量子ビット可変結合方法において、制御段階では、第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子として、量子化磁束の１／２でバイアスされると共に、特性周波数が異なる超伝導磁束量子ビット素子を隣接配置し、結合用量子ビット素子として、所定数のジョセフソン結合を有して超伝導ループを形成して成ると共に、結合をオンオフするためにマイクロ波パルスとしてマイクロ波磁場パルスの印加により超伝導磁束量子ビット素子の二つの間の結合を誘起する該超伝導磁束量子ビット素子とは異なる特性周波数を有する結合用超伝導磁束量子ビット素子を用いた超伝導磁束量子ビット可変結合方法が得られる。
一方、本発明によれば、第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子と、第１の量子ビット素子と第２の量子ビット素子との間を結合すると共に、該結合の相互作用をマイクロ波パルスの印加によりパラメトリックに可変制御する結合用量子ビット素子とを有する量子演算回路が得られる。
加えて、本発明によれば、上記量子演算回路において、第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子は、隣接配置されて量子化磁束の１／２でバイアスされると共に、特性周波数が異なる超伝導磁束量子ビット素子であり、結合用量子ビット素子は、所定数のジョセフソン結合を有して超伝導ループを形成して成ると共に、結合をオンオフするためにマイクロ波パルスとしてマイクロ波磁場パルスの印加により超伝導磁束量子ビット素子の二つの間の結合を誘起する該超伝導磁束量子ビット素子とは異なる特性周波数を有する結合用超伝導磁束量子ビット素子である量子演算回路が得られる。
他方、本発明によれば、第１の量子ビット素子と第２の量子ビット素子との間を可変結合する可変結合器において、第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子の間を結合すると共に、該結合の相互作用をマイクロ波パルスの印加によりパラメトリックに可変制御する結合用量子ビット素子から成る可変結合器が得られる。この可変結合器において、第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子が隣接配置されて量子化磁束の１／２でバイアスされると共に、特性周波数が異なる超伝導磁束量子ビット素子である場合における結合用量子ビット素子は、所定数のジョセフソン結合を有して超伝導ループを形成して成ると共に、結合をオンオフするためにマイクロ波パルスとしてマイクロ波磁場パルスの印加により超伝導磁束量子ビット素子の二つの間の結合を誘起する該超伝導磁束量子ビット素子とは異なる特性周波数を有する結合用超伝導磁束量子ビット素子であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の量子ビット可変結合方法によれば、隣接配置される第１の量子ビット素子，第２の量子ビット素子の間を結合用量子ビット素子により結合（各量子ビット素子は何れも特性周波数が異なる）したときの相互作用を結合用量子ビット素子に対してマイクロ波パルスを印加することによりパラメトリックに可変制御（結合をオンオフ）するため、各量子ビット素子における長いコヒーレンス時間を維持したまま各量子ビット素子の間の結合の相互作用を適確に可変制御できるようになる。又、本発明の量子ビット結合方法を適用した量子演算回路においても、結合用量子ビット素子（所定数のジョセフソン結合を有して超伝導ループを形成して成る）を有する可変結合器を第１の量子ビット素子，第２の量子ビット素子の間に介在させた構成となるため、同等な効果を具現するものとなり、基本的な特性や性能（小型・軽量化，高速動作化，低消費電力化，高集積化，構成簡易化）が向上すると共に、信頼性，生産性，保守性においても従来に無く向上し、且つ資源の再利用性についても有効に図り得るようになる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図１は、本発明の量子ビット可変結合方法を適用した実施例に係る可変結合器を含む量子演算回路の基本構成及び特性を示した図で、（ａ）は基本構成を示す回路図に関するもの，（ｂ）はその要部である可変結合器の印加磁束量子数に対するエネルギー依存特性に関するもの，（ｃ）は可変結合器の印加磁束量子数に対する周回電流（期待値）依存特性に関するもの，（ｄ）は可変結合器の印加磁束量子数に対するインダクタンス依存特性に関するものである。
図２は、非特許文献１の超伝導磁束量子ビット素子の基本構成を示した模式図である。
図３は、図２に示す超伝導磁束量子ビット素子間を結合した非特許文献２の量子ビット演算回路を示した模式図である。
図４は、非特許文献３の量子ビット演算回路を示した模式図である。
図５は、図２に示す超伝導磁束量子ビット素子間を結合した非特許文献１の量子ビット演算回路を示した模式図である。
図６は、非特許文献４の量子ビット演算回路を示した模式図である。
図７は、非特許文献５の量子ビット演算回路を示した模式図である。
図８は、非特許文献６の量子ビット演算回路を示した模式図である。
【符号の説明】
【０００７】
１０１，１０２，３０１，３０２，４０１，４０２，５０１，５０２，６０１，６０２，７０１，７０２，８０１，８０２  超伝導磁束量子ビット素子
１０３  結合用超伝導磁束量子ビット素子
２０１  超伝導ループ
２０２  ジョセフソン接合
４０３  結合用ジョセフソン接合
５０３，６０３，７０３  超伝導トランスフォーマー
５０４，６０４，７０４  超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）
８０３  結合用超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の量子ビット結合方法を原理的に説明すると、第１の量子ビット素子と第２の量子ビット素子とを結合する際、第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子の間を結合用量子ビット素子により結合したときの相互作用を結合用量子ビット素子に対してマイクロ波パルスを印加することによりパラメトリックに可変制御する制御段階を有するものである。また、この制御段階では、結合用量子ビット素子により第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子の間の結合をオンオフするものである。
即ち、本発明は、結合用量子ビット素子には、電流バイアス電流を直流敵に流すことなく、第１及び第２の量子ビット素子の間をパラメトリックに可変制御することを特徴としている。
また、第１の量子ビット素子及び第２の量子ビット素子は、互いに異なる特性周波数を備えると共に、互いに隣接配置された超伝導磁束量子ビット素子によって構成されている。第１及び第２の量子ビット素子は、所定数のジョセフソン接合を備え、それぞれ量子化磁束の１／２でバイアスされている。
一方、結合用量子ビット素子は、所定数のジョセフソン結合を有し、超伝導ループを形成すると共に、第１及び第２の量子ビット素子とは異なる特性周波数を有している。また、当該結合用量子ビット素子には、第１及び第２の量子ビット素子間の結合をオンオフするためにマイクロ波パルスとしてマイクロ波磁場パルスが印加され、これによって、２つの超伝導磁束量子ビット素子間を結合させている。この場合、結合用量子ビット素子に印加されるマイクロ波磁場パルスの周波数は、第１及び第２の量子ビット素子の特性周波数の差に等しい周波数を有することが望ましい。
以下、上記した超伝導磁束量子ビット可変結合方法をより具体的に説明する。第１の超伝導磁束量子ビット素子及び第２の超伝導磁束量子ビット素子は、外部から印加される静的な磁場によりコヒーレンスを保つための最適バイアス点である量子化磁束の１／２でバイアスされ、１ビットの状態の制御については第１の超伝導磁束量子ビット素子，第２の超伝導磁束量子ビット素子の各々特性周波数Δ１，Δ２に共鳴するマイクロ波磁場パルスを印加することで実行される。又、隣接配置される第１の超伝導磁束量子ビット素子，第２の超伝導磁束量子ビット素子の特性周波数Δ１，Δ２は互いに異なる離調したものである。一方、第１の超伝導磁束量子ビット素子及び第２の超伝導磁束量子ビットの間に設けられた結合用超伝導磁束量子ビット素子の特性周波数Δ３についても、特性周波数Δ１，Δ２とは大きく離れている。この結合用超伝導磁束量子ビット素子は、環境温度に相当する熱エネルギーよりも十分大きくて常に基底状態にあり、量子化磁束の１／２から僅かに外れた磁束でバイアスされるものであり、非特許文献６及び８に示された超伝導磁束量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）とは異なり、バイアス電流によって直流的にバイアスされていない。
ここで、それぞれ特性周波数が異なる第１の超伝導磁束量子ビット素子，第２の超伝導磁束量子ビット素子の間を結合用超伝導磁束量子ビット素子で結合した場合の基本動作について説明すれば、第１の超伝導磁束量子ビット素子，第２の超伝導磁束量子ビット素子の間に外部からマイクロ波磁場パルスを与えない状態でも磁気的な結合は存在するが、この場合には結合強度よりも大きい離調を示す｜Δ１−Δ２｜の周波数差を持つ。このため、第１の超伝導磁束量子ビット素子，第２の超伝導磁束量子ビット素子の間のエネルギーの受け渡しは行われず、第１の超伝導磁束量子ビット素子，第２の超伝導磁束量子ビット素子（量子ビット素子）の間の結合の相互作用は実効的にオフとなる。また、結合用超伝導磁束量子ビット素子には、バイアス電流が流されていないため、バイアス電流に伴うノイズ電流の侵入等による悪影響は生じない。
次に、第１の超伝導磁束量子ビット素子，第２の超伝導磁束量子ビット素子（量子ビット素子）の間の結合をオンするためには、周波数差｜Δ１−Δ２｜のマイクロ波磁場パルスを結合用超伝導磁束量子ビット素子に対して印加すれば良い。このとき、結合用超伝導磁束量子ビット素子のインダクタンスは、磁束の関数となっており、印加されるマイクロ波磁場パルスにより振動的に変化するため、マイクロ波磁場パルスの強度に比例して第１の超伝導磁束量子ビット素子，第２の超伝導磁束量子ビット素子の間の結合がパラメトリックに誘起されることになる。
以下は、本発明の量子ビット結合方法を適用した可変結合器を含む量子演算回路の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例】
【０００９】
図１は、本発明の量子ビット可変結合方法を適用した実施例に係る可変結合器を含む量子演算回路の基本構成及び特性を示したもので、同図（ａ）は基本構成を示す回路図に関するもの，同図（ｂ）はその要部である可変結合器の印加磁束量子数に対するエネルギー依存特性に関するもの，同図（ｃ）は可変結合器の印加磁束量子数に対する周回電流（期待値）依存特性に関するもの，同図（ｄ）は可変結合器の印加磁束量子数に対するインダクタンス依存特性に関するものである。
この量子演算回路は、それぞれ、所定数（ここでは３個）のジョセフソン結合を有し、且つ、超伝導ループを形成すると共に、互いに隣接配置された第１の超伝導磁束量子ビット素子１０１及び第２の超伝導磁束量子ビット素子１０２とを備えている。更に、第１及び第２の超伝導磁束量子ビット素子１０１及び１０２との間には、結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３が設けられている。
図示された結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３は、第１及び第２の超伝導磁束量子ビット素子１０１、１０２と同様に所定数（ここでも３個）のジョセフソン結合を有し、且つ、超伝導ループを形成している。また、結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３は、第１の超伝導磁束量子ビット素子１０１と第２の超伝導磁束量子ビット素子１０２との間を結合し、且つ結合の相互作用をマイクロ波パルスの印加によりパラメトリックに可変制御する可変結合器（超伝導トランスフォーマー）としての機能として動作する。
具体的に説明すると、第１の超伝導磁束量子ビット素子１０１及び第２の超伝導磁束量子ビット素子１０２は、互いに異なる特性周波数（ここでは、Δ１及びΔ２）を備え、且つ、量子化磁束の１／２でバイアスされている。一方、結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３は、第１及び第２の超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２とは異なる特性周波数（ここでは、Δ３であらわす）を有し、マイクロ波パルスとしてマイクロ波磁場パルスを印加することにより、第１及び第２の超伝導磁束量子ビット素子１０１及び１０２に間の結合をオンオフすることができる。この例では、結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３に、第１の超伝導磁束量子ビット素子１０１及び第２の超伝導磁束量子ビット素子１０２の周波数差に等しいマイクロ波磁場パルスを印加することにより第１の超伝導磁束量子ビット素子１０１及び第２の超伝導磁束量子ビット素子１０２の間の結合を誘起する。
図１（ａ）に示される量子演算回路の場合、第１の超伝導磁束量子ビット素子１０１は情報を読み出したい量子ビット、第２の超伝導磁束量子ビット素子１０２は読み出し回路とし、これらの間に結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３を配置した構成となっている。
これらの各量子ビット素子１０１〜１０３の電気回路は、何れも高周波領域での損失（ロス）が少ない絶縁体基板（図示せず）上に形成されるものである。基板材料としては、サファイア，酸化マグネシウム，熱酸化膜が成膜されたシリコン等を例示できる。電気回路用の各配線は全て超伝導配線であり、電流を流すことによる発熱は０である。超伝導材料としては、アルミニウム，ニオブ，窒化ニオブ等を例示できる。
２つの超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２については、何れも上述した通りに３つのジョセフソン接合を持つ超伝導ループから成るが、３つのジョセフソン接合のうちの１つ（中央部分に位置されるもの）は他の隣接する２つのものよりも若干小さくなっている。超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２における特性周波数Δ１，Δ２は、５ＧＨｚ程度の使用周波数となるように設計されているが、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の差周波数（離調｜Δ１−Δ２｜）は、１ＧＨｚ程度になるように設計される。これらの超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２は、外部から印加される静的な磁場によりコヒーレンスを保つための最適バイアス点、即ち、上述したように量子化磁束の１／２でバイアスされる。
結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３については、特性周波数Δ３を１５ＧＨｚ程度にして超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の特性周波数Δ１，Δ２とは大きく離れるようにし、又環境温度１０ｍＫに相当する熱エネルギーよりも十分大きく、常に基底状態にあるようにされるもので、量子化磁束の１／２から僅かに外れた磁束でバイアスされる。
可変結合器である結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３について、図１（ｂ）に示す印加磁束量子数に対するエネルギー依存特性（エネルギーの磁束依存性）、図１（ｃ）に示す印加磁束量子数に対する周回電流（期待値）依存特性（先の磁束に関する微分をとったもので、周回電流の期待値として表わされる）、並びに、図１（ｄ）に示す印加磁束量子数に対するインダクタンス依存特性（更に磁束に関する微分をとったもので、自己インダクタンスＬＱの逆数１／ＬＱを磁束の関数として表わされる）は、何れも波形上では基底状態が励起状態との対比で横軸の印加磁束量子数の増加変化に対して縦軸の物理量や電気的数値において、増減変化する対称的な形状を示していることが判る。因みに、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２についても、同様の性質を持っているものである。
ここで、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の実効的相互インダクタンスＬｅｆｆについて考察すると、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の相互インダクタンスをＭ１２、超伝導磁束量子ビット素子１０１と結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３との間の相互インダクタンスをＭ１３、超伝導磁束量子ビット素子１０２と結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３との間の相互インダクタンスをＭ２３とした場合、Ｌｅｆｆ＝Ｍ１２−Ｍ１３Ｍ２３／ＬＱなる関係式で表わされるため、ＬＱの磁束依存性を介して結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３を貫く磁束の関数になっていることが判る。
図１（ｄ）中の基底状態において黒丸印に示すように結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３の磁束バイアスを実効的相互インダクタンスの変化が最も大きい点に設定した場合を想定する。このとき、外部からマイクロ波磁場パルスを与えない状況下にあっても、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間には磁気的結合が存在するものの、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２がそれらを周回する超伝導電流の期待値が０となる最適動作点にバイアスされていること、並びに、磁気的結合の強度よりも大きい差周波数（離調｜Δ１−Δ２｜）に置かれていることにより、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間のエネルギーの受け渡しは行われず、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の結合の相互作用は実効的にオフになっている。
これらの超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の結合の相互作用をオンするには、差周波数（離調｜Δ１−Δ２｜）のマイクロ波磁場パルスを結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３へ印加すれば良い。こうした場合、結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３のインダクタンスは磁束の関数となっており、マイクロ波磁場パルスによって磁束の関数が振動的に変化するため、マイクロ波磁場パルスの強度に比例して超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の結合がパラメトリックに誘起されることになる。
このような量子演算回路の場合、隣接配置される超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の相互結合作用を、結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３を介して可変制御できるため、従来の第１の問題点であった量子ビット素子間の相互作用が固定されてしまい、可変でないという問題が解消される。
又、この量子演算回路の場合、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２を特性周波数の大きく異なるものとして量子化磁束の１／２でバイアスして用いていることにより、静的な磁気的結合を無視することができ、マイクロ波磁場パルスを印加しないオフ状態では超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の結合の相互作用を完全にオフすることができるため、従来の第２の問題点であった量子ビット素子間の結合（相互作用）を完全にオフすることができないという問題が解消される。
更に、この量子演算回路の場合、マイクロ波磁場パルスを用いてパラメトリックに結合（相互作用）を誘起することにより、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の結合（相互作用）を制御する際に各量子ビット素子１０１〜１０３のバイアス点が変化せず（特に結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３では顕著）、量子ビット素子１０１〜１０３の動作点が最適条件からずれないことにより、各々量子ビット素子（特に超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２）のコヒーレンス時間を長く保つことのできるため、従来の第５の問題点であった量子ビット素子の動作点が最適条件からずれることにより、量子ビット素子のコヒーレンス時間が短くなってしまうという問題が解消される。
加えて、この量子演算回路の場合、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の結合のために隣接配置される超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の直接的な磁気的結合を利用せず、超伝導トランスフォーマーとしての結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３を利用することで、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の距離を十分大きく取れ、量子ビット制御のための信号間のクロストークを抑制することができるため、従来の第４の問題点であった量子ビット素子の状態を制御する際や、量子ビット素子間の相互作用を制御する際に流す制御用電流が他の量子ビット素子にクロスカップリングすることを防ぐことができないという問題が解消される。
更に、この量子演算回路の場合、超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２の間の結合（相互作用）をオフするために超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２自体の対称性を利用していないため、使用する量子ビット素子のタイプや配置に制約が少なく、従来の第３の問題点であった結合（相互作用）をオフするために量子ビット素子自体を特別な構造の対称性とすることによる制約の問題（超伝導磁束量子ビット素子にしか応用することができない）が解消される。
また、この量子演算回路の場合、結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３のバイアス条件を最適化することにより、結合用超伝導磁束量子ビット素子１０３内の磁束の揺らぎが超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２のコヒーレンスに影響を与えるのを防ぎ、付加的なデコヒーレンスを与えないようにすることができるため、従来の第６の問題点であったノイズ電流がその左右のブランチを非対称に流れ、量子ビット素子に対して磁気的に結合してコヒーレンスを乱してしまい、これによって量子ビット素子間の結合（相互作用）を制御するための制御線を通じて外部から侵入して来るノイズと量子ビット素子との結合が強くなってしまうことにより、量子ビット素子のコヒーレンスが損なわれてしまうという問題が解消される。
尚、実施例の量子演算回路では、２つの超伝導磁束量子ビット素子１０１，１０２と結合用超伝導磁束量子ビット１０３とによる簡素な構成を示したが、変形例として超伝導磁束量子ビット素子１０２の周囲に対して結合用超伝導磁束量子ビット１０３と同等な超伝導ループ（超伝導トランスフォーマー）を配置し、更にその周囲に超伝導磁束量子ビット素子１０２と同等な超伝導ループを配置するパターンを繰り返して並設すれば、ｎ個の量子ビット（多ビット化）へと拡張した構成とすることも容易に可能である他、或る量子ビットの情報を読み出すために、結合用超伝導磁束量子ビット１０３と同等な超伝導ループ、並びに超伝導磁束量子ビット素子１０２と同等な回路構成の読み出し回路（超伝導ループ）を配置し、読み出し回路の量子ビットへの影響を抑えた読み出し安定化機能を実現することも可能であるため、本発明の量子演算回路は、実施例で説明したものに限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００１０】
本発明は、量子コンピュータ、量子中継器に使用される量子演算回路に適用できる。
この出願は、２００６年９月５日に出願された日本出願特願第２００６−２３９８２１号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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