(57)【要約】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。
2005521248.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メゾスコピック位相素子と、
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。
【請求項２】
前記メゾスコピック位相素子が、電荷エネルギＥCと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み、前記メゾスコピック島の前記電荷エネルギＥCが、前記ジョセフソン結合エネルギＥJより少なくとも１０倍大きいことを特徴とする請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項３】
前記メゾスコピック位相素子が、超伝導メゾスコピック島を含み、前記メゾスコピック島の電荷エネルギＥCが、前記メゾスコピック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ことを特徴とする請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項４】
前記メゾスコピック位相素子が、時間反転対称を乱す超伝導材料からなることを特徴とする請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項５】
時間反転対称を乱す前記超伝導材料がｄ波超伝導体であることを特徴とする請求項４に記載の超伝導構造体。
【請求項６】
前記ｄ波超伝導材料が、Yba2Cu3O7-x、Bi2Sr2Can-1CunO2n+4、Tl2Ba2CuO6+x及びHgBa2CuO4からなるグループから選択され、xは0.6よりも小さく、０よりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の超伝導構造体。
【請求項７】
超伝導材料が、ｐ波超伝導体であることを特徴とする請求項５に記載の超伝導構造体。
【請求項８】
超伝導材料が、Sr2RuO4であることを特徴とする請求項７に記載の超伝導構造体。
【請求項９】
超伝導材料が、CeIrIn5であることを特徴とする請求項７に記載の超伝導構造体。
【請求項１０】
メゾスコピック位相素子が、
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。
【請求項１１】
メゾスコピック位相素子が、
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。
【請求項１２】
前記メゾスコピック位相素子の前記内側超伝導ループが、通常の超伝導材料からなることを特徴とする請求項１１に記載の超伝導構造体。
【請求項１３】
前記通常の超伝導構造体が、アルミニウム（Al）、ニオブ（Nb）及び鉛（Pb）からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１２に記載の超伝導構造体。
【請求項１４】
前記内側超伝導ループが時間反転対称を乱す超伝導材料からなることを特徴とする請求項１１に記載の超伝導構造体。
【請求項１５】
前記超伝導材料が、ｄ波超伝導体であることを特徴とする請求項１４に記載の超伝導構造体。
【請求項１６】
前記ｄ波超伝導材料が、Yba2Cu3O7-x、Bi2Sr2Can-1CunO2n+4、Tl2Ba2CuO6+x及びHgBa2CuO4からなるグループから選択され、xが0.6よりも小さく、０よりも大きいことを特徴とする請求項１５に記載の超伝導構造体。
【請求項１７】
前記外側超伝導ループが通常の超伝導材料からなることを特徴とする請求項１１に記載の超伝導構造体。
【請求項１８】
前記通常の超伝導材料が、アルミニウム（Al）、ニオブ（Nb）及び鉛（Pb）からなるグループから選択されることを特徴とする請求項１７に記載の超伝導構造体。
【請求項１９】
前記外側超伝導ループが移相素子を含むことを特徴とする請求項１１に記載の超伝導構造体。
【請求項２０】
前記メゾスコピック電荷素子が、電荷エネルギＥCと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み、前記メゾスコピック超伝導領域の前記電荷エネルギＥCが、前記ジョセフソン結合エネルギＥJと比較して小さいことを特徴とする請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項２１】
前記メゾスコピック電荷素子が、超伝導メゾスコピック島を含み、前記メゾスコピック島の電荷エネルギＥCが、前記メゾスコピック島のジョセフソン結合エネルギＥJ以下であることを特徴とする請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項２２】
前記メゾスコピック電荷素子が、
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。
【請求項２３】
前記メゾスコピック電荷素子が、通常の超伝導材料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。
【請求項２４】
結合のための前記機構が移相を導入するための機構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。
【請求項２５】
結合のための前記機構が、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の移相を制御するための機構を含むことを特徴とする請求項２４に記載の超伝導構造体。
【請求項２６】
移相を制御するための前記機構が、π/2移相素子であることを特徴とする請求項２５に記載の超伝導構造体。
【請求項２７】
前記π/2移相素子が移相ジョセフソン接合であることを特徴とする請求項２６に記載の超伝導構造体。
【請求項２８】
前記移相ジョセフソン接合が、強磁性材料を含み、前記強磁性材料が前記移相ジョセフソン接合のリードの間に配置されたことを特徴とする請求項２７に記載の超伝導構造体。
【請求項２９】
移相ジョセフソン接合は、通常でない超伝導材料を含み、前記移相ジョセフソン接合のリードが、ジョセフソン接合粒界を横切って接続され、その結果、移相が前記粒界を横切る遷移で蓄積されることを特徴とする請求項２７に記載の超伝導構造体。
【請求項３０】
前記粒界を横切る結晶の異方性の角度が、前記粒界の角度に対して０°乃至４５°である、ことを特徴とする請求項２９に記載の超伝導構造体。
【請求項３１】
前記メゾスコピック位相素子がキュビットであることを特徴とする請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項３２】
前記メゾスコピック電荷素子がキュビットであることを特徴とする請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項３３】
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を結合する前記機構が、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をコヒーレントに結合する、ことを特徴とする請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項３４】
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を結合する前記機構が、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を絡み合わせることができるものである、ことを特徴とする請求項１に記載の超伝導構造体。
【請求項３５】
移相を制御する前記機構が、π/2移相を生じることを特徴とする請求項２５に記載の超伝導構造体。
【請求項３６】
移相を制御する前記機構が、π/2±0.20π移相を生じることを特徴とする請求項２５に記載の超伝導構造体。
【請求項３７】
移相を制御する前記機構が、π/2±0.10π移相を生じることを特徴とする請求項２５に記載の超伝導構造体。
【請求項３８】
移相を制御する前記機構が、π/2±0.05π移相を生じることを特徴とする請求項２５に記載の超伝導構造体。
【請求項３９】
メゾスコピック位相素子と、
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。
【請求項４０】
前記メゾスコピック電荷素子が素子リードを含み、前記メゾスコピック電荷素子の量子状態を読み出す前記機構が、
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。
【請求項４１】
前記メゾスコピック電荷素子が素子リードを含み、前記メゾスコピック電荷素子の量子状態を読み出す前記機構が、
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。
【請求項４２】
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前記機構が、
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。
【請求項４３】
前記タンク回路の前記特性が、前記タンク回路のインピーダンスであることを特徴とする請求項４２に記載の超伝導構造体。
【請求項４４】
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前記機構が、
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。
【請求項４５】
前記タンク回路の前記特性が、前記タンク回路のインピーダンスであることを特徴とする請求項４４に記載の超伝導構造体。
【請求項４６】
各々が並列に配置された複数の追加のメゾスコピック位相素子と、
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。
【請求項４７】
前記メゾスコピック位相素子と前記複数の追加のメゾスコピック位相素子からなるグループの各メゾスコピック位相素子が位相キュビットであり、前記超伝導構造体が量子レジスタを形成する、ことを特徴とする請求項４６に記載の超伝導構造体。
【請求項４８】
メゾスコピック位相素子の状態を読み出す機構を更に有することを特徴とする請求項３９に記載の超伝導構造体。
【請求項４９】
複数のメゾスコピック位相素子とを有し、前記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が並列に配置され、
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。
【請求項５０】
前記メゾスコピック電荷素子がリードを含み、前記メゾスコピック電荷素子の状態を読み出す前記機構が、
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。
【請求項５１】
前記メゾスコピック電荷素子が素子リードを含み、前記メゾスコピック電荷素子の状態を読み出す前記機構が、
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。
【請求項５２】
前記メゾスコピック電荷素子の状態を読み出す前記機構が、
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。
【請求項５３】
前記タンク回路の前記特性が、前記タンク回路のインピーダンスであることを特徴とする請求項５２に記載の超伝導構造体。
【請求項５４】
前記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が位相キュビットであり、前記超伝導構造体が量子レジスタを形成する、ことを特徴とする請求項４９に記載の超伝導構造体。
【請求項５５】
各々が並列に配置された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、
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。
【請求項５６】
前記メゾスコピック電荷素子の状態を読み出す前記機構が、
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。
【請求項５７】
前記メゾスコピック電荷素子の各々がリードを含み、前記第１のメゾスコピック電荷素子の状態を読み出す前記機構が、
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。
【請求項５８】
前記第１のメゾスコピック電荷素子の状態を読み出す前記機構が、
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。
【請求項５９】
前記タンク回路の特性が、前記タンク回路のインピーダンス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。
【請求項６０】
前記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と、前記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がキュビットであり、前記超伝導構造体が不均一な量子レジスタを構成する、ことを特徴とする請求項５５に記載の超伝導構造体。
【請求項６１】
メゾスコピック位相素子の量子状態を読み出す方法であって、
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。
【請求項６２】
前記メゾスコピック移相素子を前記メゾスコピック電荷素子にコヒーレントに結合するステップが更に、
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。
【請求項６３】
前記メゾスコピック位相素子及び前記メゾスコピック電荷素子が前記持続時間ｔの間、接続又は切断されることを特徴とする請求項６１に記載の方法。
【請求項６４】
前記移相素子がπ/2移相素子であることを特徴とする請求項６１に記載の方法。
【請求項６５】
前記位相干渉スイッチが、第１の分岐に第１のジョセフソン接合及び前記第２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ことを特徴とする請求項６２に記載の方法。
【請求項６６】
前記位相干渉スイッチを調整するステップが、印加された外部フラックスΦxを制御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。
【請求項６７】
前記メゾスコピック位相素子に導く前記コヒーレントな接続に前記SSETの第１のリードを接続し、前記第２のメゾスコピック電荷素子に導く前記コヒーレントな接続に前記SSETの第２のリードを接続するように、前記位相干渉スイッチが前記コヒーレントな接続に接続されたことを特徴とする請求項６２に記載の方法。
【請求項６８】
前記位相干渉スイッチの量子状態を調整するステップが、ゲート電圧を制御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。
【請求項６９】
前記持続時間ｔが、前記メゾスコピック位相素子のトンネリング振幅のオーダーであることを特徴とする請求項６２に記載の方法。
【請求項７０】
前記持続時間が、約２マイクロ秒以下であることを特徴とする請求項６２に記載の方法。
【請求項７１】
前記メゾスコピック電荷素子の量子状態を促成するステップが、
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。
【請求項７２】
前記メゾスコピック電荷素子が、シャント抵抗と並列に配置され、前記メゾスコピック電荷素子にわたる電圧降下の測定が、前記シャント抵抗にわたる電圧降下を含む、ことを特徴とする請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
シャント抵抗がジョセフソン接合であることを特徴とする請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
前記持続時間ｔbが約１マイクロ秒以下であることを特徴とする請求項７１に記載の方法。
【請求項７５】
前記持続時間ｔbが約１ナノ秒以下であることを特徴とする請求項７１に記載の方法。
【請求項７６】
前記測定された電圧降下が、前記メゾスコピック位相素子の量子状態と相関することを特徴とする請求項７１に記載の方法。
【請求項７７】
前記メゾスコピック位相素子が、位相キュビットであることを特徴とする請求項６１に記載の方法。
【請求項７８】
前記移相キュビットの量子状態を読み出す前記方法が、量子計算で使用される量子読み出しオペレーションであることを特徴とする請求項７７に記載の方法。
【請求項７９】
複数の第１の位相キュビットと複数の第２の電荷キュビットとを含む、不均一な量子レジスタのキュビットの量子状態を読み出す方法であって、該方法が、
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。
【請求項８０】
前記第１の位相キュビット又は前記第１の電荷キュビットが、前記第１の位相キュビット又は前記第１の電荷キュビットと前記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量子状態を調整することにより選択される、ことを特徴とする請求項７９に記載の方法。
【請求項８１】
前記位相干渉スイッチがフラックスを印加することにより調整される、ことを特徴とする請求項８０に記載の方法。
【請求項８２】
前記位相干渉スイッチがゲート電圧を印加することにより調整される、ことを特徴とする請求項８０に記載の方法。
【請求項８３】
前記持続時間ｔcが、前記第１の位相キュビット又は前記第１の電荷キュビットのトンネリング振幅に近いことを特徴とする請求項７９に記載の方法。
【請求項８４】
前記持続時間ｔcが、約１マイクロ秒以下であることを特徴とする請求項７９に記載の方法。
【請求項８５】
前記持続時間ｔcが、約１ナノ秒以下であることを特徴とする請求項７９に記載の方法。
【請求項８６】
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が、
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。
【請求項８７】
位相キュビットと電荷キュビットとの間の量子計算絡み合いオペレーションを実行する方法であって、
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。
【請求項８８】
前記コヒーレントな接続が更に、移相素子を含むことを特徴とする請求項８７に記載の方法。
【請求項８９】
前記コヒーレントな接続を調整するステップが、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８７に記載の方法。
【請求項９０】
前記位相干渉スイッチが、第１の分岐に第１のジョセフソン接合及び第２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ことを特徴とする請求項８９に記載の方法。
【請求項９１】
前記位相干渉スイッチを調整するステップが、印加された磁束を制御するステップを含むことを特徴とする請求項８９に記載の方法。
【請求項９２】
前記位相干渉スイッチが、前記位相キュビットに導く前記コヒーレントな接続に前記SSETの第１のリードを接続し、前記電荷キュビットに導く前記コヒーレントな接続に前記SSETの第２のリードを接続する前記コヒーレントな接続に接続された超伝導単一電子トランジスタ(SSET)であることを特徴とする請求項８９に記載の方法。
【請求項９３】
前記位相干渉スイッチの状態の調整が、ゲート電圧を制御することを含むことを特徴とする請求項８９に記載の方法。
【請求項９４】
前記持続時間ｔeが約１マイクロ秒以下であることを特徴とする請求項８９に記載の方法。
【請求項９５】
前記持続時間ｔeが約１マイクロ秒以下であることを特徴とする請求項９４に記載の方法。
【請求項９６】
前記移相素子が、π/2移相を生じることを特徴とする請求項８８に記載の方法。
【請求項９７】
前記移相素子が、π/2±0.20π移相を生じることを特徴とする請求項８８に記載の方法。
【請求項９８】
前記移相素子が、π/2±0.10π移相を生じることを特徴とする請求項８８に記載の方法。
【請求項９９】
前記移相素子が、π/2±0.05π移相を生じることを特徴とする請求項８８に記載の方法。
【請求項１００】
複数の移相キュビットと複数の電荷キュビットを含む不均一な量子レジスタのキュビットを絡み合わせる方法であって、
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。
【請求項１０１】
第１のキュビットを選択するステップが、第１の位相干渉スイッチを調整するステップを含み、前記第１の位相干渉スイッチが前記第１のキュビットと相関し、前記第１の位相干渉スイッチが閉じているとき、前記第１のキュビットが前記バスに接続され、前記第１の位相干渉スイッチが開いているとき、前記第１のキュビットが前記バスから絶縁されていることを特徴とする請求項１００に記載の方法。
【請求項１０２】
第２のキュビットを選択するステップが、第２の位相干渉スイッチを調整するステップを含み、前記第２の位相干渉スイッチが前記第２のキュビットと相関し、前記第２の位相干渉スイッチが閉じているとき、前記第２のキュビットが前記バスに接続され、前記第２の位相干渉スイッチが開いているとき、前記第２のキュビットが前記バスから絶縁されることを特徴とする請求項１００に記載の方法。
【請求項１０３】
前記第１のキュビットを前記メゾスコピック電荷素子に結合させるステップが、前記メゾスコピック電荷素子を選択するステップを含み、前記メゾスコピック電荷素子が、持続時間ｔsの間、前記バスに結合されている、ことを特徴とする請求項１０１に記載の方法。
【請求項１０４】
前記メゾスコピック電荷素子を選択するステップが、
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。
【請求項１０５】
前記持続時間ｔ1が約１マイクロ秒以下であることを特徴とする請求項１００に記載の方法。
【請求項１０６】
前記持続時間ｔ1が約１ナノ秒以下であることを特徴とする請求項１００に記載の方法。
【請求項１０７】
前記持続時間ｔ2が約１マイクロ秒以下であることを特徴とする請求項１００に記載の方法。
【請求項１０８】
前記持続時間ｔ2が約１ナノ秒以下であることを特徴とする請求項１００に記載の方法。
【請求項１０９】
前記メゾスコピック電荷素子の状態を読み出すことにより前記メゾスコピック電荷素子からの情報をクリアするステップを更に有することを特徴とする請求項１００に記載の方法。
【請求項１１０】
前記メゾスコピック電荷素子の状態を読み出すことが、前記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ようにフィードバックとして使用される情報を提供することであることを特徴とする請求項１０９に記載の方法。
【請求項１１１】
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のに適当な状態にあるように、メゾスコピック電荷素子をクリアするステップを更に有することを特徴とする請求項１００に記載の方法。
【請求項１１２】
前記メゾスコピック電荷素子の前記クリアするステップが、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含むことを特徴とする請求項１１１に記載の方法。
【請求項１１３】
前記クリアオペレーションが、前記量子レジスタの量子状態についての情報を提供することであることを特徴とする請求項１１２に記載の方法。
【請求項１１４】
前記クリアオペレーションが、前記量子レジスタの量子状態の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ことであることを特徴とする請求項１１２に記載の方法。
【請求項１１５】
量子演算が、前記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前記量子レジスタのキュビットで実行される、ことを特徴とする請求項１１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【０００２】
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。
【背景技術】
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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）。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明のある実施形態による量子位相電荷結合素子とも称される超伝導構造を図示する。
【図２Ａ】本発明のある実施形態による量子位相電荷結合素子を製造するための方法を図示する。
【図２Ｂ】本発明のある実施形態による量子位相電荷結合素子を製造するための方法を図示する。
【図２Ｃ】本発明のある実施形態による量子位相電荷結合素子を製造するための方法を図示する。
【図３】本発明のある実施形態によるフラックスキュビットを含む量子位相電荷結合素子を図示する。
【図４】本発明の別の実施形態により、電荷素子と相互作用し、該電荷素子を制御する回路を含む量子位相電荷結合素子を図示する。
【図５】本発明の別の実施形態により、位相素子のアレイ、並びに、該位相素子のアレイを絡み合わせる回路を含む量子位相電荷結合素子を図示する。
【図６】本発明の別の実施形態による、読み出し回路に接続された電荷及び位相素子の並行アレイを含む超伝導構造を図示する。
【図７】本発明のある実施形態による、電荷素子が読み出し回路と、位相素子とに接続された量子位相電荷結合素子を図示する。
【図８】本発明のいくつかの実施形態で使用される読み出し回路を図示する。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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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