(57)【要約】 【課題】量子コヒーレンスを長時間保持することができる超伝導量子演算回路を提供する。【解決手段】超伝導量子演算回路のジョセフソン接合を、２つの超伝導体電極１０１、１０２間の単結晶ナノ細線１０３で構成し、非晶質材料を用いない超伝導量子演算回路を実現することで、回路に内在する揺らぎによる量子コヒーレンスの消失を防ぐ。 【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの超伝導電極の間のジョセフソン接合として単結晶ナノ細線を有し、前記ジョセフソン接合に並列に配置されたキャパシタを有する、ことを特徴とする超伝導量子演算回路。
【請求項２】
前記単結晶ナノ細線は、グラフェンである、ことを特徴とする請求項１に記載の超伝導量子演算回路。
【請求項３】
前記単結晶ナノ細線は、カーボンナノチューブである、ことを特徴とする請求項１に記載の超伝導量子演算回路。
【請求項４】
前記単結晶ナノ細線は、ドープされたＩｎＡｓナノ細線である、ことを特徴とする請求項１に記載の超伝導量子演算回路。
【請求項５】
絶縁体基板の上に前記単結晶ナノ細線を備えている、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超伝導量子演算回路。
【請求項６】
前記単結晶ナノ細線直下と周辺の前記絶縁体基板を除去し、懸架した前記単結晶ナノ細線を持つ、ことを特徴とする請求項５に記載の超伝導量子演算回路。 
【請求項７】
前記２つの超伝導電極の一方の超伝導電極は、その一端が前記単結晶ナノ細線の長手方向の一端部に重なるように前絶縁体記基板上に配置され、
前記２つの超伝導電極の他方の超伝導電極は、その一端が前記単結晶ナノ細線の長手方向の他端部に重なるように前記絶縁体基板上に配置され、
前記一方の超伝導電極の他端は前記キャパシタの一端に接続され、
前記他方の超伝導電極の他端は前記キャパシタの他端に接続される、ことを特徴とする請求項５又は６記載の超伝導量子演算回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子演算回路に用いられる超伝導量子ビット回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の量子情報処理理論の発展に伴い、量子情報処理技術を実装するためのハードウェア技術が待望されている。その候補のひとつとして超伝導電気回路を用いた量子演算回路の研究が進められている。その基本的構成要素となり、また量子情報の基本単位である量子ビットを担う超伝導量子ビット回路が実現されている。
【０００３】
超伝導量子ビット回路においては、回路に非線形性をもたらす要素として、図６に示すように、超伝導電極６０１、６０２間に、絶縁膜６０３を挟んだジョセフソン接合が用いられている。絶縁膜としては、通常、非晶質酸化膜が用いられている。
【０００４】
ジョセフソン接合の持つエネルギーは、２つの超伝導電極６０１、６０２間の超伝導位相の差θの関数として、
−ＥＪｃｏｓθ                      ・・・（１）
という変化をする（図４）。すなわち位相差θ＝０のときが一番エネルギーが低い。
【０００５】
また小さいジョセフソン接合では接合自身の持つキャパシタは小さいので、超伝導体電極６０１、６０２間でクーパー対がｎ個移動したときに生じる帯電エネルギーは、キャパシタ６０４の容量Ｃによって決まり、その大きさは、
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・・・（２）
となる。ここで、ｅは１電子の持つ電荷である。
【０００６】
電荷数（クーパ対数）ｎは位相差θと量子力学的に互いに共役な変数である。
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・・・（３）
【０００７】
このため、（２）の帯電エネルギーの寄与は、
2011129594.tif 000005
・・・（４）
と書き直すことができる。
【０００８】
ここで、単一電子帯電エネルギーＥｃは
2011129594.tif 000006
・・・（５）
である。
【０００９】
これにより、この系はθ空間において−ＥＪｃｏｓθのポテンシャルに閉じ込められた質量
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・・・（６）
（ただし、
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ｈはプランク定数）
の仮想的粒子の運動と等価となり、図４に示したようなエネルギー準位の量子化が起こる。その量子化されたエネルギー準位のうち最低エネルギーを持つ２つの準位を量子ビットの０状態と１状態として使用する。
【００１０】
ジョセフソン接合の持つ非調和的θ依存性のために、エネルギー準位が非等間隔になっていることは、共鳴する電磁波により、０と１の間の重ね合わせ状態を制御する際に、他の準位へ状態が遷移することを防ぐ上で必要不可欠である。
【００１１】
なお、特許文献１には、ジョセフソン接合を構成する一対の超伝導体からなる接合部と、前記接合部の各超伝導体に各端が接続されたキャパシタ部（基板上、層間絶縁膜を挟んで下部超伝導膜と上部超伝導膜で構成される）を有する超伝導接合が開示されている。また、特許文献２には、絶縁層上に触媒ＣＶＤ（化学蒸着）法によりカーボンナノチューブを形成し、その両端を超伝導電極（ソース／ドレイン電極）に接続し、カーボンナノチューブに流れる電流をゲート電極で制御する超伝導三端子素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２０００−３５３８３１号公報
【特許文献２】特開２００５−２６０１１３号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Y. Nakamura et al., Coherent control of macroscopic quantum states In a single-Cooper-pair box, Nature Vol. 398, pp.786 -788, (1999)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、図６を参照して説明した超伝導量子演算回路には、量子コヒーレンスを保持できる時間が短いという問題点がある。量子コヒーレンスを保持することは、量子情報処理に不可欠な要請である。
【００１５】
図６の超伝導量子演算回路において、量子コヒーレンスを保持できる時間が短い原因の一つは、ジョセフソン接合を構成する非晶質酸化膜トンネル障壁６０３に起因する。すなわち、このような非晶質酸化膜材料中には、多数の欠陥や乱雑性に伴う電荷やスピンなどの自由度が存在し、それらが揺らぐことにより、雑音を生じ、量子コヒーレンスが乱されるからである。
【００１６】
したがって、本発明の目的は、量子コヒーレンスを長時間保持することのできる超伝導量子演算回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の超伝導量子演算回路は、２つの超伝導電極の間のジョセフソン接合として単結晶ナノ細線を有し、これと並列に配されたキャパシタを有する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、量子コヒーレンスを長時間保持することのできる超伝導量子演算回路を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態の超伝導量子演算回路の構成を示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面を示す図である。
【図３】超伝導体間の単一伝導チャネルにより形成されるジョセフソン接合のエネルギーと位相の関係を示すグラフである。
【図４】超伝導演算回路のエネルギー準位を示す図である。
【図５】本発明の別の実施形態の超伝導量子演算回路の構成を示す図である。
【図６】超伝導量子演算回路の典型的な構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明においては、超伝導量子演算回路のジョセフソン接合を、２つの超伝導電極間に配置された単結晶ナノ細線で構成している。このように、非晶質材料を用いない超伝導量子演算回路を実現することで、回路に内在する揺らぎによる量子コヒーレンスの消失を防ぎ、量子コヒーレンスを長時間保持することができる。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態の超伝導量子演算回路の構成を示す図である。２つの超伝導電極１０１、１０２間の単結晶ナノ細線１０３をジョセフソン接合として用いる。また、これと並列に容量Ｃのキャパシタ１０４が配されている。
【００２２】
図２は、図１のＡ−Ａ線の断面を示す図である。なお、図２の２０１、２０２、２０３は、図１の１０１、１０２、１０３に対応する。絶縁体基板２０４の上に形成された単結晶ナノ細線２０３は、低電子濃度を持つ金属的材料からなり、その両端が超伝導体電極２０１、２０２と重なり、清浄界面で接触している。
【００２３】
まず簡単のために細線中の伝導チャネル数が１のときを考える。またとりあえず容量Ｃが十分大きく帯電効果が無視できる場合を考える。このとき、回路全体のエネルギーは２つの超伝導電極１０１、１０２間の位相の差θの関数として、図３のような依存性を示す。
【００２４】
θ＝πにおける基底状態と励起状態のエネルギーギャップは伝導チャネルの透過係数ｔに依存して変化する。ｔ＝１のときには、θ＝πでエネルギー準位が縮退する。またｔが小さくなるにつれ、θ＝πでのエネルギーギャップは大きくなる。
【００２５】
ここで重要なことは、θ＝０あるいはθ＝２π付近では、基底状態と励起状態の間のエネルギー差はあまり透過係数ｔに依存せず、超伝導ギャップエネルギーΔの２倍程度の大きなエネルギーで隔てられていることである。
【００２６】
ちなみにこの単結晶ナノ細線１０３からなるジョセフソン接合に流れる超伝導臨界電流ＩＣは、基底状態のエネルギーＥｇ（θ）を用いて、
2011129594.tif 000009
・・・（７）
と表される。
【００２７】
複数の伝導チャネルが存在する場合には、基底状態のエネルギーおよび超伝導電流はそれぞれ各チャネルの寄与の和となる。最もエネルギーの低い励起状態は、どれか一つのチャネルに励起が起こった場合に相当し、その励起エネルギーは、やはり超伝導ギャップエネルギーΔの２倍程度である。
【００２８】
次にキャパシタＣが有限で、超伝導電極１０１、１０２の帯電効果が寄与する場合には、位相θの量子揺らぎが生じ、エネルギー準位の量子化が起こる。
【００２９】
図４に、その様子を模式的に示す。ここでは理解しやすいように、θを、−πからπの間の区間でプロットしている。Ｅｇ（θ）のエネルギー分散が非調和的であるために、量子化されたエネルギー準位は等間隔でない。そのため最低エネルギーを持つ２つの準位を量子ビットの基底として用い、これに共鳴する電磁波によってその状態を制御することができる。
【００３０】
＜実施例＞
次に、本発明の実施例について説明する。本発明の第１の実施例の構成は、図１、図２を参照して説明した通りである。本実施例においては、単結晶ナノ細線２０３（図２）として、グラフェンを短冊状に加工したものを用いる。グラフェンは、グラファイトの層状構造のうちの単一の層からなる２次元炭素結晶である。グラフェン（単結晶ナノ細線２０３）の両端には、超伝導体電極２０１、２０２として例えばアルミニウム、チタン、ニオブなどを積層する。ジョセフソン接合の超伝導臨界電流は例えば５０ｎＡ（nano-ampere）程度にする。
【００３１】
本実施例において、図１のキャパシタ１０４は２つの超伝導電極１０１、１０２のあいだで幾何学的形状で決まる平面型のキャパシタを構成する。その容量値Ｃは０．１ｐＦ(pico-Farad)程度とする。
【００３２】
このような条件のもとでは、量子化されたエネルギー間の遷移周波数は１０ＧＨｚ(Giga-Hertz)程度となり、マイクロ波を用いた量子状態制御に適している。動作は１０ＧＨｚに相当する温度０．５Ｋ（絶対温度）よりも十分低い温度のもとで行なう。
【００３３】
本発明による単結晶ナノ細線を用いたジョセフソン接合により、ジョセフソン接合部分から非晶質材料を排除することができる。従って、非晶質材料に特有な乱雑性やそれに伴う多くの欠陥と揺らぎによる量子コヒーレンスの消失を抑制することができる。
【００３４】
しかも、本実施例では、単結晶ナノ細線（１０３、２０３）として２次元電子系を持つグラフェンを用いているので、高さ方向のチャネル数は１しかなく、比較的幅広い細線を用いてもチャネル数はあまり大きくならない、また超伝導体電極と単結晶ナノ細線との接触面積が大きく取れるという効果が得られる。
【００３５】
上記実施例において、単結晶伝導チャネルを、金属的伝導を持つカーボンナノチューブあるいは、ドープされたＩｎＡｓ単結晶ナノ細線で構成することもできる。いずれも、低電子濃度を持つ結晶性の伝導材料であり、また容易に１〜１０ナノメートル程度の直径を持つ細線を成長し利用することができる。
【００３６】
図５は、本発明の第２の実施例の構成を示す図である。本実施例の回路構成は、図１に示したものと同一である。図５は、図１のＡ−Ａ線の断面を示す図である。なお、図５の５０１、５０２、５０３は、図１の１０１、１０２、１０３に対応する。
【００３７】
本実施例においては、図５に示すように、単結晶ナノ細線５０３の下および周辺の絶縁体基板５０４をエッチングにより除去して凹部（ザグリ穴）を設け、懸架した単結晶ナノ細線を利用することができる。本実施例によれば、絶縁体基板５０４の表面および内部に存在する可能性のある欠陥等に起因する揺らぎによって量子ビット回路の量子コヒーレンスが失われることを防ぐことができる。
【００３８】
上記した通り、本発明によれば、チャネル材料に単結晶ナノ細線を用いることで、長い時間量子コヒーレンスを保持できる超伝導量子演算回路を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の活用例として、量子シミュレーションや量子計算に使用される量子コンピュータが挙げられる。
【００４０】
なお、上記非特許文献、非特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００４１】
１０１  超伝導電極  
１０２  超伝導電極  
１０３  単結晶ナノ細線  
１０４  キャパシタ  
２０１  超伝導電極  
２０２  超伝導電極  
２０３  単結晶ナノ細線  
２０４  絶縁体基板  
５０１  超伝導電極  
５０２  超伝導電極  
５０３  単結晶ナノ細線  
５０４  絶縁体基板  
６０１  超伝導電極  
６０２  超伝導電極  
６０３  非晶質酸化物トンネル障壁  
６０４  キャパシタ  
【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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