(57)【要約】【課題】  コヒーレンス時間の短さおよび読出における再現性（忠実度）の低さを解決することである。本発明の他の目的は、数個のキュービットの結合をより容易にすること、好ましくは単一基板上での結合を容易にすることである。【解決手段】  本発明は、電荷が第１の主自由度として書込に割り当てられ、位相が第２の主自由度として読出に割り当てられる、超伝導ジョセフソン接合量子ビットデバイスに関する。本デバイスは、電荷アイランドを規定し超伝導ループで閉じる、第１および第２のジョセフソン接合１０１、１０２を有するクーパ対箱１１０を備える。読出回路は、超伝導ループに挿入された読出ジョセフソン接合１０５を備え、読出ジョセフソン接合１０５のジョセフソンエネルギーは、第１および第２のジョセフソン接合１０１、１０２の各々のジョセフソンエネルギーの少なくとも５０倍大きい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
書込に割り当てられる、電荷による第１の主自由度と、読出に割り当てられる、位相による第２の主自由度とを有する、ジョセフソン接合に基づく超伝導量子ビットデバイスであって、当該デバイスは、
第１および第２のジョセフソン接合を有するクーパ対箱を備え、前記第１および前記第２のジョセフソン接合は、前記クーパ対箱の電荷アイランドを規定し、超伝導ループに向かって閉じて量子ビットを形成し、
前記クーパ対箱の前記電荷アイランドに面して位置づけられるゲート電極を有し、前記ゲート電極とともにキャパシタンスＣgのキャパシタを構成する書込回路を備え、前記ゲート電極は、前記電荷アイランドに容量結合され、前記量子ビットが前記量子ビットの二つの基本状態の一方もしくは他方、またはこれらの状態のコヒーレントな重なり合い状態に置かれることを可能にし、バイアス電圧Ｖgが、調節可能電圧源から前記ゲート電極に印加され、
読出ジョセフソン接合ＪLを有し、前記超伝導ループに挿入され、前記第１および前記第２のジョセフソン接合の各々のジョセフソンエネルギーよりも実質的に高いジョセフソンエネルギーを有する読出回路と、前記量子ビットの位相δに作用することで、前記超伝導ループを通過する調節可能磁束を引き起こすことができる手段とを備え、
前記超伝導量子ビットデバイスは、前記電荷アイランドを規定する前記ジョセフソン接合の、ジョセフソンエネルギーＥJのクーロンエネルギーＥCに対する比ＥJ／ＥCが１から３の間であり、前記読出ジョセフソン接合ＪLのジョセフソンエネルギーは、前記第１および前記第２のジョセフソン接合の各々のジョセフソンエネルギーの少なくとも５０倍であること、
を特徴とする超伝導量子ビットデバイス。
【請求項２】
前記読出ジョセフソン接合は、前記読出回路により付加されるキャパシタンスを考慮して、十分に高い有効ＥJ／ＥCを有するため、外部回路により引き起こされる位相の変動は０．０１ｒｄ未満であること、
を特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記書込回路から独立して、前記量子ビットの前記超伝導ループにガルバニックに接続される前記読出回路を備え、前記読出回路は、前記読出ジョセフソン接合とは別に、一方では、パラメータ化された持続時間および振幅の電流パルスＩbを、読出位相中に印加するための手段と、他方では、もっぱら二つの状態の一方において読出パルスの結果として現れる前記読出ジョセフソン接合の端子における２π位相ジャンプを検出するための手段とを有すること、
を特徴とする請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
複数のパラメータＮg、および前記超伝導ループを流れる磁束Φｊおよび読出電流Ｉbによるδによって動作点Ｆiにプリセットされ、前記動作点Ｆiでは、量子ビットの遷移周波数ν01は二つの設定パラメータ前記Ｎgおよび前記δに対して固定され、この点はさらに外部パラメータに対する固定状態にも対応すること、
を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記動作点Ｆiは、Ｎgおよびδの関数として量子ビットの固有振動数ν01を表す三次元グラフ上のサドル点を構成する点Ｆ1であること、
を特徴とする請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記動作点Ｆiは、Ｎgおよびδの関数として前記量子ビットの固有振動数ν01を表す三次元グラフ上の頂点をなす点（Ｆ2またはＦ3）であること、
を特徴とする請求項４に記載のデバイス。
【請求項７】
前記電流パルスを印加するための手段は、ピーク値Ｉbcを有する読出パルスを生成する読出シーケンスから、ピーク値Ｉbよりも小さな値の絶対値分だけ読出パルスの方向に対して負である静止電流を送り、読出パルスが到達したとき、超伝導位相差δをπ／２〜π分だけずらすことができること、
を特徴とする請求項３および請求項４から６のいずれか一項に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の主題は、ジョセフソン接合に基づいた超伝導量子ビットデバイスである。本発明は、量子計算の分野に属し、「量子ビット」または「キュービット」と呼ばれる基本構成要素を生成する一態様をなすものである。この構成要素は、従来、状態ベクトル｜０＞および｜１＞により示される二つの量子状態（たとえば、基底状態と励起状態）しか持たない物理素子であるが、これらの量子状態がコヒーレントに重なり合う状態になるようにこの素子を操作することができる。この重なり合いは、ａ｜０＞＋ｂ｜１＞で示され、式中、係数ａおよびｂは、正規状態に対して任意の値を取りうる。
【０００２】
量子ビットを量子計算に使用するには、次の条件を満たさねばならない。
ａ）外部制御により量子ビットの量子状態を任意に操作できること。（外部制御とは、１群のユニタリＳＵ（２）動作の実行をさし、ここでＳＵ（２）とは、キュービットの状態空間を表す。）キュービットの二つの量子状態のどのようなコヒーレントな重なり合いａ｜０＞＋ｂ｜１＞でも準備できることが特に必須である（書込段階）。
ｂ）この量子状態が忠実に読み出せるものであること（読出段階）。及び、
ｃ）量子状態の操作、および、１以上の他のキュービットと結合させて論理ゲートを生成することができるだけの十分な長さのコヒーレンス時間をキュービットが持つこと（計算段階）。
【０００３】
上記条件ａ）、ｂ）、およびｃ）を満たすキュービットを、連続した段階において、ともに結合させて組み合わせて、量子プロセッサで使用するための論理動作を物理的に実行させることが意図される。
【０００４】
現在のキュービットには二つのタイプがある。
１）第１のタイプのキュービットは、原子、イオン、または核スピン等の自然の量子物に基づく。先験的にコヒーレンス時間は長い（数秒）が、他方、他の量子ビットとの相互接続の実現は困難であり、かつ、計算実行のために十分な数のキュービットを単一デバイスに集積することは、現在の研究段階ではほぼ実現不可能と思われる。
２）第２のタイプのキュービットは、一般にマイクロテクノロジーまたはナノテクノロジーを使用して作製された物、たとえば超伝導電気回路等に基づく。先験的にコヒーレンス時間はより短いが、他方、他の量子ビットとの相互接続はより良好である。電子部品のマイクロファブリケーションを通じて得られた経験が、単一基板上への多数のキュービットの集積に資するからである。
【０００５】
本発明は、上記第２のタイプのキュービットに属し、基本的に、ジョセフソン接合に基づくＳ型超伝導材料で作製される電気回路で、ナノファブリケーションにより作製されたキュービットに関する。このようなキュービットは、電磁的に結合され、マイクロファブリケーションにより作製される回路に集積され、論理動作を物理的に実行し、さらに、量子エレクトロニクスプロセッサを生成するよう意図される。
【０００６】
ジョセフソン接合は、作製時に、特にその寸法によって設定される二つのパラメータで特徴付けられることが留意される。一方は、ジョセフソンエネルギーＥJであり、超伝導電極間の結合に対応し、他方は、クーロンエネルギーＥC＝２ｅ2／Ｃjであり、接合のキャパシタＣj上にクーパ対を保持するために必要な静電エネルギーに対応する。数個のジョセフソン接合に基づくシステムについては、回路のアイランドまたはブランチ各々について、有効なジョセフソンエネルギーおよびクーロンエネルギーを定義することができる。
【０００７】
接合とは、１自由度を有する物理系である。すなわち、端子間の超伝導位相差、通過したクーパ対の数による共役変数である。接合は、当該接合が属する回路の有効比ＥJ／ＥCの値に応じて、位相レジームまたは電荷レジームとなりうる。したがって、複数の接合を備える回路は、数個の自由度を有するが、主度と呼ばれる活性の自由度は、他の不活性の自由度とは区別される。
【背景技術】
【０００８】
ジョセフソン接合に基づく既存の超伝導キュービット回路の有する主自由度は、電荷（回路部分内のクーパ対の数）、または１以上のジョセフソン接合の端子における超伝導位相差δ（またはジョセフソン接合から生じる電流）のいずれかである。
【０００９】
簡潔には、主自由度が電荷性となるか位相性となるかは、基本的に、キュービットの接合のジョセフソンエネルギーＥJ対クーロンエネルギーＥC比で決定される。当該比が、１未満であるとき、主自由度は電荷であり、約１０を超えるときは、主自由度は位相である。中間状態では、回路により、電荷および位相の両特性が現れる。
【００１０】
もっともよく知られた電荷量子回路は、「クーパ対箱」であり、初出は非特許文献１である。非特許文献１の発表以降、クーパ対箱は当業者には周知であるので、ここでは、クーパ対箱は、１以上の絶縁材料（または真空）によって回路の他部分から絶縁され、少なくとも一つのジョセフソン接合によって回路の他の部分と結合される超伝導回路部を備えることを述べるにとどめる。図１は、アイランドと呼ばれるこのような回路部１０を概略的に示しており、ジョセフソン接合の絶縁体１１と直列接続されたキャパシタ１３の絶縁体との間に位置し、キャパシタ１３のキャパシタンスはＣgであり、キャパシタの他端は値Ｖgのバイアス電圧源１２に接続される。キャパシタ１３は、アイランドと調節可能なＤＣのバイアス電圧源１２との間に静電結合を生ぜしめ、それによって回路の動作点が決定する。キャパシタ１３または同様にアイランドと静電結合した他の電極のいずれかに、ＤＣまたは高周波パルスの適切なシーケンスを印加することで、アイランドの量子状態が重ねあわされる。このようなデバイスの主たる問題点は、アイランドのすぐ近傍に不規則に変動する電荷が存在することである。電荷の「ノイズ」のため、一方では、クーパ対箱１０の量子状態のコヒーレンス時間が短くなり、他方では、電位計によるこの状態の電荷測定に混乱が生じる。
【００１１】
非特許文献２に示されるように、電位計の代わりに他の測定回路を使うこともできる。このような回路の概略図を本明細書の図２に再現する。クーパ対箱のアイランド１０が、二つのジョセフソン接合１および２、電圧値Ｖgの調整可能ＤＣバイアス電圧源２１に接続されたキャパシタ３、ならびに、アイランドの遷移周波数で電圧Ｖρの高周波パルス源に接続されたキャパシタ４によって境界づけられている。アイランドはさらに、第３のジョセフソン接合５によって境界づけられており、第３のジョセフソン接合５は、極めて小寸法であって、電圧Ｖbを供給する電圧源２３およびキュービットの状態を読み出すよう意図される電流計（図示せず）への結合部をなすのみである。この読出ジョセフソン接合５は、他のジョセフソン接合の数百倍の抵抗値を有するが、キュービットを恒常的に監視するためコヒーレンスは急速に失われる。この読出方法は、電荷ノイズの影響はあまり受けないが、キュービットの動作が仮説的なものとなってしまう程に、キュービットのデコヒーレンスを増加させる。電荷ノイズと恒常的読出に限定されるため、得られるコヒーレンス時間は数ナノ秒である。
【００１２】
上述の読出方法のいずれにおいても、キュービットの書込および読出に同じ自由度、すなわち電荷が使用されることに気づくであろう。
【００１３】
つまり、量子特性が電荷という１自由度に基づくあらゆる回路と同様、クーパ対箱は、過度の電荷ノイズの影響を受けるか、または、コヒーレンス時間が短すぎることの影響を受けるといえる。
【００１４】
静電環境のために、電荷ノイズの制御が極めて困難なことから、オランダのデルフト工科大学（ＴＵ−Ｄｅｌｆｔ）の研究者らは、位相を自由度とするキュービットを生成しようと努力してきた。主自由度は、超伝導ループの中に永久電流を生み出す。この作用は、以下の非特許文献３および非特許文献４に報告されている。
【００１５】
非特許文献３は、なによりもまず提案である。調節可能な磁束が交差する超伝導ループ内に直列接続される３つのジョセフソン接合からなる実際のキュービットが説明されている。これらのジョセフソン接合のうち二つは、同一のジョセフソンエネルギーＥJを有し、第３のジョセフソン接合は、より低いジョセフソンエネルギー、好ましくは０．７５ＥJを有する。
【００１６】
これらの三つのジョセフソン接合はさらに、ジョセフソンエネルギーＥJのクーロンエネルギーＥCに対する比が約８０となるように構成される。
【００１７】
二つの基本的量子状態は、超伝導ループ内に反対方向に流れる電流ｉ0およびｉ1を発生させる。上記非特許文献３に記載される第１実施形態では、書込は、超伝導ループ近傍に位置する制御導体に送られる高周波電流パルスによって行われる。高周波電流パルスは、超伝導ループに磁気的に結合される直線配線により概略的に示され、基板とは異なる層で生成される。
【００１８】
非特許文献４は、非特許文献３で提案されたキュービットの一つ（すなわち三つのジョセフソン接合に基づく超伝導ループ）の製造を記載している。非特許文献４の図１Ａは三つの超伝導ジョセフソン接合に限定される実際の量子ビットを概略的に示す。これは本願の図３において、再現されており、図３中、３つのジョセフソン接合には５１、５２、５３の番号を付す。
【００１９】
図示しない書込回路は、上述の非特許文献３の提案におけるように、書込動作のため電流パルスが送られる単一配線である。読出回路は、キュービットに磁気的に結合され、ジョセフソン接合５４および５５を備える超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）である。このようなキュービットのコヒーレンス時間は１５ナノ秒（ｎｓ）であり、操作するには短すぎ、読出効率はきわめて低い（信号対雑音比Ｓ／Ｎ＜０．１）。さらに、量子ビットの書込および読出にかかわる物理量は同じであることが留意されよう。
【００２０】
特許文献１は、クーパ対箱に基づいたジョセフソンキュービットの理論的一提案を記載しており、ジョセフソン接合の一電極はＤ型の波動関数対称をもつ非ＢＣＳ超伝導体であり、他電極は、Ｓ型対称の従来の超伝導体である。異なる対称、すなわちＳ型対称およびＤ型対称の二つのタイプの超伝導体を選択することが、回路の動作に必須である。このようなＳＤ接合内の磁気モーメントの存在に、読出方法が依存しているからである。このようなデバイスは、いかなる場合もＤ型の超伝導体なしには動作できない。これらの超伝導体はセラミクスであるので、ＳＤ接合の実現はきわめて難しい。読出は、単一電子トランジスタの使用による。
【００２１】
特許文献２は、ジョセフソンキュービットの理論的提案と実施形態の予備的結果を記載する。記載されたキュービットは、長いリング状のジョセフソン接合の位相状態に基づき、位相はループ内の１量子束にわたって２π回転する。キュービットの二つの量子レベルは観察されておらず、したがってコヒーレンス時間を決定できていない。
【００２２】
このように、ジョセフソン接合に基づく従来の超伝導キュービットは、その主自由度が電荷のみであるか、位相δのみであるかにかかわらず、状態の確実な読み取りを可能にするほど長いコヒーレンス時間を達成しない。さらに、キュービットの状態の変更（書込）およびその測定（読出）の両方について同じ物理量に頼っているという共通の特徴がある。
【００２３】
【特許文献１】国際公開第０１／５０５３４号パンフレット
【特許文献２】国際公開第０２／１５２９０号パンフレット
【非特許文献１】Ｖ．Ｂｏｕｃｈｉａｔ、Ｄ．Ｖｉｏｎ、Ｐ．Ｊｏｙｅｚ、Ｄ．Ｅｓｔｅｖｅ、及び、Ｍ．Ｈ．Ｄｅｖｏｒｅｔ著  「単一クーパ対での量子コヒーレンス」、Ｐｈｙｓｉｃａ  Ｓｃｒｉｐｔａ、Ｔ７６，１６５、１９９８年
【非特許文献２】ナカムラほか（日本電気株式会社所属）著、「単一クーパ対箱における巨視的量子状態のコヒーレント制御」、Ｎａｔｕｒｅ、Ｖｏｌ．３９８、１９９９年４月２９日号
【非特許文献３】Ｊ．Ｅ．Ｍｏｏｉｊ、Ｃ．ｖａｎ  ｄｅ  Ｗａｌほか、「ジョセフソン永久電流キュービット」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．２８５、１９９９年８月１３日号、１０３７〜１０３９頁
【非特許文献４】Ｃ．ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｗａｌ、Ｊ．Ｅ．Ｍｏｏｉｊほか、「巨視的永久電流状態の量子重なり合い」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．２９０、２０００年１０月２７日号、７７３〜７７６頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明によるキュービットの一目的は、先行技術の欠点を回避すること、特に、コヒーレンス時間の短さおよび読出における再現性（忠実度）の低さを解決することである。本発明の他の目的は、数個のキュービットの結合をより容易にすること、好ましくは単一基板上での結合を容易にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
これらの目的は、以下の超伝導量子ビットデバイスにより本発明によって達成される。すなわち、書込に割り当てられる、電荷による第１の主自由度と、読出に割り当てられる、位相による第２の主自由度とを有する、ジョセフソン接合に基づく超伝導量子ビットデバイスであって、当該デバイスは、第１および第２のジョセフソン接合を有するクーパ対箱を備え、前記第１および前記第２のジョセフソン接合は、前記クーパ対箱の電荷アイランドを規定し、超伝導ループに向かって閉じて量子ビットを形成し、前記クーパ対箱に面して位置づけられるゲート電極を有し、前記ゲート電極とともにキャパシタンスＣgのキャパシタを構成する書込回路を備え、前記ゲート電極は、前記電荷アイランドに容量結合され、前記量子ビットが前記量子ビットの二つの基本状態の一方もしくは他方、またはこれらの状態のコヒーレントな重なり合い状態に置かれることを可能にし、バイアス電圧Ｖgが、調節可能電圧源から前記ゲート電極に印加され、読出ジョセフソン接合ＪLを有し、前記超伝導ループに挿入され、前記第１および前記第２のジョセフソン接合の各々のジョセフソンエネルギーよりも実質的に高いジョセフソンエネルギーを有する読出回路と、前記量子ビットの位相δに作用することで、前記超伝導ループを通過する調節可能磁束を引き起こすことができる手段とを備え、前記超伝導量子ビットデバイスは、前記電荷アイランドを規定する前記ジョセフソン接合の、ジョセフソンエネルギーＥJのクーロンエネルギーＥCに対する比ＥJ／ＥCが１から３の間であり、前記読出ジョセフソン接合ＪLのジョセフソンエネルギーは、前記第１および前記第２のジョセフソン接合の各々のジョセフソンエネルギーの少なくとも５０倍であることを特徴とする、超伝導量子ビットデバイスである。
【００２６】
超伝導ループは、形成されたキュービットの遷移周波数ν01を外部パラメータおよび外乱に対して変化しない値に調節できるよう構成される。
【００２７】
前記読出ジョセフソン接合は、前記読出回路により付加されるキャパシタンスを考慮して、十分に高い有効ＥJ／ＥCを有するため、外部回路により引き起こされる位相の変動は０．０１ｒｄ未満である。
【００２８】
好ましい実施の形態による本デバイスは、前記書込回路から独立して、前記量子ビットの前記超伝導ループにガルバニックに接続される前記読出回路を備え、前記読出回路は、前記読出ジョセフソン接合とは別に、一方では、パラメータ化された持続時間および振幅の電流パルスＩbを、読出位相中に印加するための手段と、他方では、もっぱら二つの状態の一方において読出パルスの結果として現れる前記読出ジョセフソン接合の端子における２π位相ジャンプを検出するための手段とを有する。
【００２９】
本デバイスは、つまり、その複数のパラメータＮg、および前記超伝導ループを流れる磁束Φｊおよび読出電流Ｉbによるδによって動作点Ｆiにプリセットされ、前記動作点Ｆiでは、量子ビットの遷移周波数ν01は二つの設定パラメータ前記Ｎgおよび前記δに対して固定され、この点はさらに外部パラメータに対する固定状態にも対応するという利点を有する。
【００３０】
本デバイスの動作点Ｆiは、Ｎgおよびδの関数として量子ビットの固有振動数ν01を表す三次元グラフ上のサドル点を構成する点Ｆ1であってよい。
【００３１】
他の実施の形態の変形によれば、前記動作点Ｆiは、Ｎgおよびδの関数として前記量子ビットの固有振動数ν01を表す三次元グラフ上の頂点をなす点Ｆ2またはＦ3である。
【００３２】
前記電流パルスを印加するための手段は、ピーク値Ｉbcを有する読出パルスを生成する読出シーケンスから、ピーク値Ｉbよりも小さな値の絶対値分、たとえば約−０．２５Ｉbcだけ読出パルスの方向に対して負である約−０．２５Ｉbcの静止電流を送り、読出パルスが到達したとき、超伝導位相差δをπ／２〜π分だけずらすことができるという利点を有する。
【００３３】
本発明の更なる特徴および利点は、添付図面を参照しての、例示的な特定の実施の形態についての以下の説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明による超伝導量子ビット（またはキュービット）デバイスは、先行技術のデバイスに比較してコヒーレンス時間を増加させ、読出再現性を向上させることができる。そのために、二つの主自由度、すなわち、電荷および位相δが同時に使用される。
【００３５】
本発明によるデバイスを図４を参照してさらに説明する。
【００３６】
電荷主自由度は、クーパ対箱１１０のもので、有効な接合のジョセフソンエネルギーＥJのクーロンエネルギーＥCに対する比は、二つの接合１０１および１０２と並列の部分に対応し、１から１２の間であるか、好ましくは５から１２の間の値をとる。量子ビットを操作するため、クーパ対箱１１０のゲート電極１３１に電圧を印加することで、電荷性が利用される。位相性δの主自由度は、第３のジョセフソン接合１０５のジョセフソンエネルギーＥJ対クーロンエネルギーＥC比によって特徴付けられ、第３のジョセフソン接合１０５は、クーパ対箱１１０に向かって閉じるＳ型の超伝導ループに含まれ、読出回路の検出素子を構成する。第３のジョセフソン接合１０５のジョセフソンエネルギーＥJのクーロンエネルギーＥCに対する比は５０００を超える。他方、書込は、一方では、（キャパシタンスＣgのキャパシタ１０３を介して結合される）クーパ対箱１１０のゲート電極１３１に、電圧源１２１からＤＣ電圧Ｖgを印加することで、電荷自由度を変化させ、最適動作点Ｎg＝１／２に達せしめることで行われ、ここで、Ｎgはアイランドの低減されたバイアス電荷（ＣgＶg/２ｅ）を示し、他方では、クーパ対箱１１０のキュービットに、源１２２から、共振点のまたは共振点に近い高周波パルスｕ（ｔ）を印加することで行われる。読出においては、電流源１２５からの電流パルスＩbが、読出用の第３のジョセフソン接合１０５を臨界電流に近づけるため、読出用の第３のジョセフソン接合１０５に印加される。量子ビットの状態は、読出用の第３のジョセフソン接合１０５の場合、１つ以上の２πの位相ジャンプの存在または不在を検出することで決定される。これらの位相ジャンプが連続的アバランシェを形成する場合、増幅回路１２６を使用して読出用の第３のジョセフソン接合１０５の端子の電圧Ｖを測定することで読出が達成される。キュービットの二つの状態は、限界電圧の存在または不在に忠実に対応する。キュービットが書込モードまたは保持／計算モードであるとき、読出用の第３のジョセフソン接合１０５は、そのジョセフソンエネルギーＥJが他の二つのジョセフソン接合１０１、１０２の各々のジョセフソンエネルギーの５０〜１００倍のオーダであるため、短絡のように挙動する。
【００３７】
また、この発明によるキュービットを、異なった性質を持つ二つの物理量が関連付けられる二つの量子自由度を有するデバイスに基づくものと定義することもできる。すなわち、（１）ゲート電極の電圧（または電荷）の変動。これによってキュービットの二つの量子状態のコヒーレントな重なり合い、ａ｜０＞＋ｂ｜１＞を書き込むことができる。（２）たとえばアルミニウムまたはニオブベースの超伝導体等のＳ型超伝導材料のループにおける位相差または電流。位相または電流の測定により、キュービットの状態を読み出すことができる。
【００３８】
このデバイスは、コヒーレンス時間を最大にする条件下におくことができる。二つのポートの独立は、書込と読出とを分離するために必須の利点である。
【００３９】
本発明による超伝導キュービット回路はまた、以下の点から定義できよう。
【００４０】
ａ）同程度のジョセフソンエネルギーＥJ1およびＥJ2の二つのジョセフソン接合１０１と１０２との間の超伝導アイランドを備え、これらの接合はＳ型超伝導ループ内にあり、Ｓ型超伝導ループは、キュービットの遷移周波数を外部パラメータおよび外乱に対して固定値に電気的に調節できるように構成されていること。
【００４１】
ｂ）超伝導アイランドに容量結合された電極１３１を備え、回路の構成は、キュービットの二つの状態間で遷移周波数を調整できるようになっており、当該電極はさらに、書込位相中、キュービットを、キュービットの二つの状態のコヒーレントな重なり合いの状態におくことができること。
【００４２】
ｃ）超伝導ループに磁束φを印加するための手段１３３および１３５を備え、回路は、キュービットの二つの状態の間で遷移周波数ν01を調整することができるように構成されていること。
【００４３】
ｄ）ＪL読出ジョセフソン接合と呼ばれる第３のジョセフソン接合１０５を備え、そのジョセフソンエネルギーＥJLは、上記ジョセフソン接合１０１、１０２のジョセフソンエネルギーＥJ1またはＥJ2の約５０から１００倍であり、好ましくは約８０倍であり、当該読出ジョセフソン接合１０５は、書込位相または保持位相中は超伝導短絡として動作し、読出位相中は閾値検出器として動作すること。
【００４４】
ｅ）書込回路とは独立し、キュービットの超伝導ループにガルバニックに接続される読出回路を備え、読出回路は、読出ジョセフソン接合１０５とは別に、一方で、読出工程の間、持続時間および振幅を調節可能な電流パルスＩbを印加するための手段１２５と、他方で、キュービットの状態と読出パルスとの共役効果による、読出ジョセフソン接合１０５の端子での位相ジャンプを検出するための手段１２６とを有すること。
【００４５】
さらに、電気回路全体は、その構造および動作が可能な限り対称となるよう設計される。加えて、キュービットを、そのコヒーレンスを維持するのに寄与するような動作条件下に置くことができる。
【００４６】
本発明の主題をなすキュービットのコヒーレンスを維持するのに寄与する動作条件は、１）使用前および量子状態の操作の間、二つの量子状態の遷移周波数を、電荷アイランドに属さない電極１３１上のキャパシタンスＣgのキャパシタ１０３に印加されるＤＣ電圧Ｖgに対して、かつ、キュービットと交差する磁束に対して、固定値に電気調整すること。
２）書込段階（量子状態の操作）中、読出接合１０５内の電流と磁束との特定の組み合わせによって、実際のキュービットのループを流れるすべての電流を相殺すること。
及び、３）読出回路は永久的には活性化されず、読出パルスＩbにより決定される一定の期間だけ活性化されること。
【００４７】
電荷アイランドは、電荷アイランドに接続されるキャパシタンスＣgのキャパシタ１０３を通じて、電荷でバイアスされる。
【００４８】
これは、アイランドの一部を形成しないキャパシタ１０３の電極１３１へ以下の要素の重なり合いを生ぜしめることで達成される。
【００４９】
すなわち、実際には、キュービットを構成するループの共振周波数を決定する、ＤＣバイアス電圧Ｖgと、当該共振周波数のまたは共振周波数近傍の電圧振幅ｕ（ｔ）のシーケンスとの重なり合いである。その振幅および数によって、キュービットを二つの量子状態のコヒーレントな重なりあいａ｜０＞＋ｂ｜１＞に位置づけることができる。
【００５０】
電荷アイランドを規定するジョセフソン接合１０１，１０２は、ジョセフソン接合１０１、１０２のジョセフソンエネルギーＥJがクーロンエネルギーＥCに近くなるような態様で選択される。ジョセフソン接合１０１、１０２は各々、超伝導アイランドの一部を形成する１電極と、超伝導アイランドの一部を形成しない１電極とを有する。これら接合各々の、アイランドに属しない電極間において、読出電流パルスによって励起される位相差δが、キュービットの状態に依存してキュービットのループ内に電流を生む。
【００５１】
二つのジョセフソン接合１０１、１０２は、ジョセフソンエネルギーＥJがクーロンエネルギーＥCと同様になるような態様で選択されるが、これは小さな接合の場合には通常達成される。さらに、ジョセフソン接合１０１、１０２のジョセフソンエネルギーＥJは、可能な限り近似の値を有する。ジョセフソン接合の電極のうちアイランドに属さない電極は、ともに結合されて超伝導ループを形成し、アセンブリ全体が、実際のキュービットを形成する。実際には、このループは、第３のジョセフソン接合１０５も含むが、第３のジョセフソン接合１０５ははるかに寸法が大きいため、ジョセフソンエネルギーＥJはクーロンエネルギーＥCに比べ極めて大きい。
【００５２】
こうした特徴によって、読出接合は、読出期間外に、超伝導短絡回路として挙動できる。
【００５３】
（キュービットの動作点の調整）
キュービットの遷移周波数は、外部パラメータに依存し、これらのパラメータは、ループを介してアイランドおよび磁束に電荷結合される。電気的チャージまたは磁気的チャージノイズは、したがって、キュービットの操作の間に遷移周波数の変動を引き起こしがちであり、さらに、キュービットの量子状態のデコヒーレンスの原因となるランダムな位相ずれを引き起こしがちである。遷移周波数ν01が外部パラメータに対して固定されている動作点Ｆ1、Ｆ2、およびＦ3においてはこれらのノイズに対する感度は最小となる。したがって、これらの動作点が好ましい点である。本発明によるキュービットでは、考えられる点は、図５のＦ1で示されるサドル点（Ｎg＝０．５ｍｏｄｕｌｏ１，かつδ＝０ｍｏｄｕｌｏ２π）および三次元グラフ上で２π内のピーク点Ｆ2またはＦ3（Ｎg＝０または１かつδ＝０）である。
【００５４】
（状態記録または状態のコヒーレントな重なり合いの記録）
交互電圧ｕ（ｔ）の振幅は、２ｅの０．０１倍のオーダの結合電荷に対応する。
【００５５】
（量子ビットの状態の読出し）
キュービットの状態を読み出すため、読出ジョセフソン接合１０５と並列の電流発生器１２５は、強度および持続時間（典型的には１００ｎｓ）を調節可能なパルスＩb（図８）を発生する。パルス中、この電流発生器１２５は、読出ジョセフソン接合１０５の端子において超伝導位相差γを引き起こし、この位相差は、クーパ対箱１００の端子における超伝導位相差δおよびループと交差する磁束φとともに、以下の式を満足する。
【００５６】
δ＝γ＋（φ／φ0）２π  （絶対値、ｍｏｄｕｌｏ２π）
【００５７】
式中、φ0は磁束の量子である。
【００５８】
読出パルス時の動作点Ｆ1（Ｎg＝０．５  ｍｏｄｕｌｏ１かつδ＝０  ｍｏｄｕｌｏ２π）においては、位相γがずれることによって位相δのずれが引き起こされる。読出接合１０５はほぼγ＝π／２で切り替わる。
【００５９】
読出中、電流は、キュービットの二つの状態それぞれについて０％および１００％に近い遷移率を有することができるよう、読出ジョセフソン接合１０５の臨界電流に近い値をとらねばならない。読出位相の外部のバイアス電流Ｉbが選択されて、選択された点Ｆ、たとえば図５中の点Ｆ1、Ｆ2およびＦ3に回路を保持する。最後に、読出パルスによって確認される状態｜０＞および｜１＞に関連付けられるループ電流ｉ0およびｉ1が可能な限り大きな差を持つように、超伝導ループに結合される磁束φの選択が最適化される。
【００６０】
（キュービットの状態の読出の最適化）
本発明によるキュービットの状態の読出は、読出パルスによって確認される状態｜０＞および状態｜１＞に関連付けられるループ電流ｉ0およびｉ1が可能な限り大きな差を持つように、超伝導ループを通じて引き起こされる磁束φを選択することで最適化される。この磁束を補償し、位相δを動作点Ｆiに対応するゼロの値に保つため、読出電流発生器は、読出シーケンス外で、ゼロの静止電流ではなく、読出パルスの方向に対して負である約−０．２５Ｉbcの静止電流を送る。これらパルスのピーク値Ｉbcは変わらない。この好ましい最適化によれば、読出パルス中の位相δのずれは、π／２とπとの間になろう。
【００６１】
（キュービットの読出接合からの脱結合）
キュービットがその基本的基底状態|０＞に向かって弛緩するのを防止するよう、読出ループは、実際のキュービットの固有振動数から可能な限り離れた周波数の固有モードを有する。
【００６２】
キュービットの固有振動数と読出接合の固有振動数の分離は、読出ジョセフソン接合１０５とアイランドを規定するジョセフソン接合１０１、１０２の寸法および特性の大きな違いからすでに存在する。読出ジョセフソン接合１０５の端子に１以上のキャパシタ１３６（図７）を付加することで意図的にこれを増加させる。
【００６３】
（コヒーレンスの維持）
キュービットのコヒーレンスは、三つの条件を満たすことで維持される。
ａ）第１の条件は、アイランドにおける電荷ノイズの効果を除去することを目的とする。電荷モードで測定されるクーパ対箱とは反対に、本発明によれば、同時に以下のことが可能となるように、ジョセフソンエネルギーパラメータＥJのクーロンエネルギーパラメータＥCに対する比を選択することができる。
【００６４】
―エネルギーのスペクトルの非調和性を確保し、有効なキュービットを形成する。
【００６５】
―遷移周波数が電荷ノイズにほぼ完全に影響されないようにする。
【００６６】
―アイランドのゲート１３１に高周波電圧を印加することでキュービットの状態を操作する。
【００６７】
ｂ）第２の条件は、キュービットの弛緩を限定することを目的とし、量子ビットの弛緩は、量子ビットが従来｜１＞で示される励起状態に置かれたときに、デコヒーレンスに寄与する。量子ビットはエネルギーを直接周囲に移転することで、この場合には、電子回路全体に移すことで不活性化されうるためである。具体的にはエネルギーの移転は、キュービット（図７）に見られるように等価電気インピーダンス１３７、１３８の実部１３７に向けて行われる。このインピーダンスは最小化された場合でも厳密にはゼロとならない。エネルギーの移転をゼロにするためには、キュービットの超伝導ループ内に電流が存在しないという条件を課す必要がある。回路のループ内に電流が存在しないという条件は、キュービットの超伝導ループを通る磁束および測定ジョセフソン接合内の電流の適切な組み合わせによって、クーパ対箱の二つのジョセフソン接合の直列組み合わせの端子の位相を正確に相殺することで得られ、磁束は、適当な永久磁石または制御電流が交差するインダクション・コイルのいずれかによって印加される。この条件は、量子ビットの状態にかかわらず、したがって、相殺されるべき磁束がどのようなものであろうと、書込段階および保持段階の間満足されねばならない。
【００６８】
ｃ）第３の条件は、デコヒーレンスへの環境パラメータの影響を限定することを目的とする。｜Ψ（ｔ＝０）＞で、以下の重なり合い状態を示す。
【００６９】
｜Ψ（ｔ＝０）＞＝｜０＞＋｜１＞
【００７０】
理想的には、この状態は、量子ビットの遷移周波数ν01での成分｜０＞および｜１＞の相対的位相ずれによって自由に展開する。
【００７１】
｜Ψ（ｔ＝０）＞＝｜０＞＋ｅｘｐ（２ｉπν01ｔ）｜１＞
【００７２】
もし遷移周波数ν01が一般変数ｘで表される外部パラメータに依存するのであれば、この一般変数ｘにかかるノイズはすべて、遷移周波数ν01の変動として現れ、したがって、成分｜０＞および｜１＞の相対的位相ずれにおけるランダム誤差として現れる。これがデコヒーレンス現象である。したがって、遷移周波数ν01がｘに対して固定されているとき、すなわち、以下の条件が満たされているとき、デコヒーレンスは最小となる。
【００７３】
ｄν01／ｄｘ＝０
【００７４】
本発明によれば、遷移周波数ν01が依存し、かつ、一般変数ｘにより象徴的に示される外部パラメータは、本質的に二つである、すなわち、実際の量子ビットを構成する超伝導ループを通じてキャパシタ１０３および磁束φに印加されるＤＣ電圧Ｖgである。したがって、以下の二つの条件を同時に満たすように、Ｖgおよびφの値が調整される。
【００７５】
ｄν01／ｄＶg＝０
【００７６】
ｄν01／ｄφ＝０
【００７７】
これによって、特に量子ビットが重なり合い状態の場合に、デコヒーレンスが最小化される。
【００７８】
最後に、本発明の主題をなす量子ビットは、やはりアイランドを持つ１以上の他の量子ビットと結合されてもよい。これは、それぞれのアイランドの間に、量子ビット（図１０）を構成する回路２０１、２０２各々の有効ＥJ／ＥC比の値を大きく変更することのない電磁的結合デバイス１７０を加えることで達成される。好ましくは、この結合デバイスは、二つの連続量子ビット２０１、２０２のアイランドを接続するキャパシタである。
【００７９】
本発明によるデバイスの例の動作を、図４のブロック図を参照して説明する。
電荷アイランドはジョセフソン接合１０１および１０２の絶縁部で区切られる。ジョセフソン接合１０１および１０２は、極めて類似した特性を有する。その表面は極めて小寸法（約０．１μｍ×０．１μｍ）であり、各々のＥJ／ＥC比が１〜３の間となるよう設計される。クーパ対箱１１０の有効接合についてのＥJ／ＥC比の値は４倍となるから４〜１２の間である。
【００８０】
超伝導ループは、より大きな寸法（約３μｍ×０．３μｍ）を有し、量子ビットに対して、実質的に測定段の外の短絡回路として挙動する読出ジョセフソン接合１０５により閉じられる。読出ジョセフソン接合１０５のジョセフソンエネルギーＥJがジョセフソン接合１０１および１０２のジョセフソンエネルギーよりも約１００倍大きいからである。さらに、この読出ジョセフソン接合１０５のＥJ／ＥC比はジョセフソン接合１０１および１０２のＥJ／ＥC比の約５０００〜１００００倍大きい。
【００８１】
このループは、永久磁石またはコイル１０３または電流源１３５からくる電流の通る電気配線のいずれかによって引き起こされる調整可能磁束φの影響を受け、これらは、量子ビットと同じ基板の近傍またはできれば同一基板上に位置づけられる。この磁束φにより、量子ビットの操作中、動作点のδ座標を調整することができる。特に、位相δを好ましい値に保持しつつ、読出ジョセフソン接合１０５内の負の静止電流を補償できる。
【００８２】
ループを通る磁束と測定用に使用されるジョセフソン接合１０５内の負静止電流との組み合わせによって、読出中の０状態と１状態の区別可能性を増加させることができる。このとき、読出接合の切り替えを引き起こすように、読出のために使用される電流Ｉbの振幅を増加させねばならないからである。振幅の増加の結果、読出中に、磁束がゼロかつ静止電流がゼロの場合よりもループ電流差ｉ1−ｉ0が大きくなるような値へと、位相がずれる。（図６を参照）
【００８３】
本発明によるデバイスの特定の実施の形態の一つを、次に図７を参照して説明する。
この回路は、たとえばアルミニウムまたはニオブ等の任意のＳ型超伝導材料で作ることができる。好ましい実施の形態では、Ｓｉ／ＳｉＯ2基板上に真空蒸着によりアルミニウムの導電フィルムを設ける。
【００８４】
ジョセフソン接合１０１および１０２は、数ナノメートル離して同じ軸に沿って蒸着される二つのアルミニウムリボンで形成される。リボンは酸化されてＡ１2０3となる。次に、短い第３のリボンが第１の二つのリボンの間の空隙に、第１の二つのリボンに対して各々、約０．１μｍ×０．１μｍの二つの領域だけ重なり合うように蒸着され、二つのジョセフソン接合１０１および１０２を構成する。この第３のリボンは、クーパ対箱のアイランドを構成し、それによってまたキャパシタンスＣgのキャパシタ１０３の第１のプレート１３１を構成する。この新しいリボンに平行に、キャパシタ１０３の第２のリボンを構成する他のリボンが形成される。
このように、電荷アイランドは小さな寸法に形成される。
【００８５】
実際の量子ビットのループの残りの部分は、同様の態様で形成されるが、読出ジョセフソン接合１０５の表面はより大きく、約１μｍ2程度である。
【００８６】
回路の動作温度は、ボルツマン定数ｋBで量子ビットの遷移エネルギーを除した値を十分に下回っていなければならない。実際には、この温度は、約５０ｍＫであり、Ｈｅ3／Ｈｅ4希釈冷凍機で得られる。
【００８７】
図７は、好ましい実施の形態に対応する。
【００８８】
クーパ対箱１１０のバイアス電圧源Ｖgは、ローパスフィルタ１４７および５０オームの同軸線とのインピーダンス整合を確保する抵抗器１３２を介してクーパ対箱１１０の制御ゲート１３１に接続される。
【００８９】
同様に、高周波源１２２が、減衰器１４１、キャパシタ１４３および５０オームの同軸線とのインピーダンス整合のための抵抗器１４５を介して制御ゲート１３１に接続される。
【００９０】
ジョセフソン接合１０１および１０２および読出ジョセフソン接合１０５から形成される超伝導ループは、読出ループの周波数が量子ビットの周波数から大幅に離れることを可能にもするキャパシタ１３６によりフィルタされる。
【００９１】
抵抗器１３７およびキャパシタ１３８は、それぞれ、量子ビットから見た回路のインピーダンスの実部および虚部のモデルである。
【００９２】
磁束φは、量子ビット全体に均一な磁束を印加するため、かなり幅広のインダクション・コイル１３３に接続される可変電流源１３５によって調整される。
【００９３】
読出電流源１２５は、実際は、電源Ｖを送る電圧源１５５、係数２００で分割する抵抗分割器１５４、ローパスフィルタ１５２、および３キロオームのオーダの直列抵抗器１５１で形成される。抵抗器１５３および１５６はともに５０オームで、いずれも抵抗分割器１５４が動作して、ラインを５０オームのインピーダンスに整合させるために役立つ。
【００９４】
最後に、読出ジョセフソン接合１０５の切り替えは、下流に位置する回路のインピーダンスを増加させる抵抗器１６１を通じて検出される。この回路は、ローパスフィルタ１６２および高い入力インピーダンスを有する増幅器１２６を備える。
【００９５】
図８は、その上部に、ν01と等しいまたはこれに近い周波数を有するパルス・バーストからなる書込信号ｕ（ｔ）のタイミング図を示す。書込み信号の持続時間は、記録されるべき量子状態に依存する。図８の下部には、読出電流パルスＩbのタイミング図を示す。
【００９６】
最後に、図９は、可変時間間隔で分離される二つの回転シーケンス後に|１＞状態の量子ビットを見つける確率Ｐsを示す。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】先行技術による回路例の概略図である。
【図２】先行技術による回路例の概略図である。
【図３】先行技術による回路例の概略図である。
【図４】本発明による超伝導量子ビットデバイスの主な特徴を例示するブロック図である。
【図５】本発明による量子ビットデバイスの動作点の選択を例示する立体図である。
【図６】本発明による量子ビットデバイスの系の状態が、測定パルス中に断熱変位することを例示する図である。
【図７】本発明による超伝導量子ビットデバイスの特定の１実施の形態を例示する図である。
【図８】本発明による量子ビットデバイスの量子状態の操作または測定に関する信号タイミング図の一例を示す図である。
【図９】本発明による量子ビットデバイスのラムジー干渉を示すことでコヒーレンス時間を示す図である。
【図１０】本発明による超伝導量子ビットデバイスの二例の結合の例を例示する図である。
【符号の説明】
【００９８】
１０１  第１のジョセフソン接合
１０２  第２のジョセフソン接合
１０３  キャパシタ
１０５  読出ジョセフソン接合
１１０  クーパ対箱
１２１，１５５  電圧源
１２２  高周波源
１２５，１３５  電流源
１２６  増幅器
１３１  ゲート電極
１３２，１３７，１５３，１５６，１６１  抵抗器
１３３  インダクション・コイル
１３６，１３８，１４３  キャパシタ
１４１  減衰器
１４７，１５２，１６２  ローパスフィルタ
１５１  直列抵抗器
１５４  抵抗分割器
１７０  電磁的結合デバイス
２０１  量子ビットを構成する回路
２０２  量子ビットを構成する回路
【図１】
2005524980.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
2005524980.tif 000012
【国際調査報告】
2005524980.tif 000013
2005524980.tif 000014
2005524980.tif 000015
2005524980.tif 000016