(57)【要約】  それぞれのエネルギー状態Ｅ0およびＥ1（ただし、常にＥ0＜Ｅ1）に関連する２つの状態｜＞０および｜１＞を有する量子ビット再初期化装置は、量子ビット装置に隣接して配置され、一定量のエネルギーをこの一定量がある値ΔＥenvに等しいときにのみ吸収することが可能である散逸手段（２１）と、エネルギー差ΔＥ01＝Ｅ1−Ｅ0を、散逸手段が吸収できない初期値ΔＥ01から散逸手段により吸収されることが可能な値ΔＥ′01＝ΔＥenvに一時的に変調することが可能な第２の結合手段（２１、３２）を備える。【選択図】        図１
2007516610.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれのエネルギー状態Ｅ0およびＥ1（ただし、常にＥ0＜Ｅ1）に関連する２つの状態｜＞０および｜１＞を有する量子ビット再初期化装置であって、前記量子ビット装置に隣接して配置され、一定量のエネルギーを前記一定量がある値ΔＥenvに等しいときにのみ吸収することが可能である第１の散逸手段と、前記エネルギー差ΔＥ01＝Ｅ1−Ｅ0を、前記第１の手段が吸収できない初期値ΔＥ01から前記第１の散逸手段により吸収されることが可能な値ΔＥ′01＝ΔＥenvに一時的に変調することが可能な第２の手段を備えることを特徴とする量子ビット再初期化装置。
【請求項２】
前記第１の散逸手段は、前記量子ビット装置の即時エネルギー環境にあり、かつ少なくとも１つの吸収ピークを有し、その吸収ピーク値の値ΔＥenvは、
・前記量子ビット装置の遷移エネルギーΔＥ01＝Ｅ1−Ｅ0から充分に遠く離れていて前記量子ビット装置と前記第１の散逸手段との間のすべての相互作用をなくすか、または無視可能にするが、
・前記遷移エネルギーに充分に近く、前記量子ビット装置前記遷移エネルギーΔＥ′01が前記吸収ピークΔＥenvに等しいか、もしくは近くなり、前記量子ビット装置と前記第１の散逸手段との間に強いエネルギー結合が一時的に存在し得るような条件下で動作することが可能であり、
前記第２の手段は、前記量子ビット装置の前記遷移エネルギーΔＥ01＝Ｅ1−Ｅ0を再初期化の際に前記吸収ピークの値ΔＥenvに等しいかまたは近い前記値ΔＥ′01に変調するように適合されていることを特徴とする請求項１に記載の量子ビット再初期化装置。
【請求項３】
前記第１の散逸手段は、ΔＥenvの値の少なくとも１つの吸収ピークを有し、前記量子ビット装置の遷移エネルギーΔＥ01＝Ｅ1−Ｅ0を、Ｅ01＝Ｅ1−Ｅ0が前記吸収ピークの値ΔＥenvに等しいかまたは近い値Ｅ′01に変えられると、吸収することができる特定の自由度を持つこと特徴とする請求項２に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項４】
値ΔＥenvの吸収ピークを有する前記第１の散逸手段は、前記量子ビット装置の遷移周波数ν01＝ΔＥ01／ｈ（ここにｈはプランクの定数である）における量子スペクトル密度が高く、複数の自由度を持つことを特徴とする請求項２に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項５】
前記第２の手段は、特定の再初期化セットポイント生成手段を備え、前記再初期化セットポイントは前記量子ビット装置を調整して前記遷移エネルギーΔＥ01を、前記吸収ピークの値ΔＥenvに等しいかまたは近いΔＥ′01に一時的に変える通常の調整手段に適用されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項６】
前記特定の再初期化セットポイントは、前記量子ビット装置がコヒーレントに展開可能であるときに使用される範囲外の値を有することを特徴とする請求項５に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項７】
前記第２の手段は、前記量子ビット装置の動作パラメータであって前記量子ビット装置の遷移エネルギーに直接作用して前記遷移エネルギーΔＥ01を、コヒーレントに展開するように選ばれた前記量子ビット装置の動作パラメータの設定とは独立に、前記吸収ピークの値ΔＥenvに等しいかまたは近い値ΔＥ′01に一時的に調整する特定の手段を備えることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項８】
量子的挙動を示し、かつ、ゲート電極を含む書込回路、ジョセフソン接合（１０１、１０２）を有する超電導体集積電子装置、クーパー・ペア・ボックス（１１０）および電流パルスにより活性化される読取ジョセフソン接合（１０５）からなる物理的媒体を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項９】
前記第２の手段は前記読取ジョセフソン接合（１０５）に印加される電流パルスの形の特定の再初期化セットポイントを生成する手段を備え、前記電流パルスの振幅は前記量子ビット装置の緩和を最大化するように選ばれることを特徴とする請求項５および８のいずれか一項に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項１０】
前記電流パルスの振幅が読取動作中に用いられる範囲外であることを特徴とする請求項９に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項１１】
前記量子ビット装置再初期化装置は、前記量子ビット装置の位相δに作用する磁気調整手段であって、磁気コイルと電流パルス発生器とを含む磁気調整手段を備え、前記第２の手段は特定の値の電流パルスの形の特定の再初期化セットポイントであって、前記量子ビット装置の前記位相δに動作する前記磁気コイルに印加される再初期化セットポイントを生成する手段を備えることを特徴とする請求項５および８のいずれか一項に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項１２】
前記第２の手段は、前記量子ビット装置の近傍に配置され、その位相δに作用する磁気コイル（１４０）と、前記遷移エネルギーΔＥ01を前記吸収ピークのΔEenvに等しいかまたは近い値Δ01に一時的に変えるのに適した振幅を持つ電流パルスの発生器（１４５）とを備えたことを特徴とする請求項１１に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項１３】
前記第２の手段は前記クーパー・ペア・ボックスおよび適切な振幅の電圧パルスの発生器とを備え、前記遷移エネルギーΔＥ01を前記吸収ピークのΔEenvに等しいかまたは近い値Δ01に一時的に変えることを特徴とする請求項１１に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項１４】
前記第２の手段は、前記読取ジョセフソン接合（１０５）を通過し、前記読取ジョセフソン接合（１０５）に適切な振幅の電流パルスを送って前記遷移エネルギーΔＥ01を前記吸収ピークのΔEenvに等しいかまたは近い値Δ′01に一時的に変えるように適合された第２の回路ループ（３１）を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項１５】
前記第１の散逸手段は前記読取ジョセフソン接合（２０６）の端子における散逸装置を備え、かつ散逸抵抗器（１５７）、インダクタ（１５８）およびコンデンサ（１５９）を含むことを特徴とする請求項８〜１４のいずれか一項に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項１６】
前記量子ビット装置は量子挙動を示し、かつ原子またはイオンのエネルギー状態からなる物理媒体（１）を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項１７】
前記第２の手段は、前記原子またはイオン放出エネルギーの確率を変える手段を備えたことを特徴とする請求項１６に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項１８】
前記原子またはイオン放出エネルギーの確率を変える手段は前記原子またはイオンが拘束されている前記スペースの寸法を変更することを特徴とする請求項１６に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項１９】
前記第２の手段は前記原子またはイオンを、前記原子またはイオンが拘束されているキャビティ（２）からより大きなキャビティ（４）内に移動する手段を備えたことを特徴とする請求項１６に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項２０】
前記量子ビット装置は量子挙動を示し、かつ二次元電子ガスの表面上または下のゲート電極（１２、１３）により制御される前記二次元電子ガス中に生成される量子点からなる物理媒体（１１）を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【請求項２１】
前記第１の散逸手段は抵抗部品（１６１）を少なくとも１つのゲート電極（１３）の前記回路含む共鳴電気回路（１６）を備え、前記第２の手段は前記ゲート電極（１２、１３）に前記ゲート電圧の特定値を印加する磁界源（１７）またはゲート電圧源（１４、１５）を備え、前記量子点の寸法を変えて、前記遷移エネルギーΔＥ01を、前記量子点の形状を規定する前記電極（１２、１３）の少なくとも一方を制御する電気回路の前記吸収ピークのΔEenvに等しいかまたは近い値Δ′01に一時的に変えるようにしたことを特徴とする請求項２〜２０のいずれか一項に記載の量子ビット装置再初期化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー状態Ｅ0およびＥ1（ただし、Ｅ0＜Ｅ1）に関連する２つの状態｜０＞および｜１＞を有する量子ビット装置を再初期化する装置に関するものである。
【０００２】
量子ビット装置［以下、Ｑｕｂｉｔ（単数の場合）またはＱｕｂｉｔｓ（複数の場合）という］は非常に多くの物理的媒体：光学的または電磁気的に制御された原子またはイオン、分極されたフォトン、電磁気的に制御された核スピン、集積電子装置、特にジョセフソン接合超電導体、または２次元電子ガス半導体等を有することが可能である。
【０００３】
これらの物理的媒体とは独立に、Ｑｕｂｉｔは常に２つの別個の状態｜０＞および｜１＞を持つシステムを構成している。たいてい、これら２つの基礎状態は２つのエネルギーレベルに対応するが、まれに（例えば、分極されたフォトンの場合）、異なるエネルギーレベルに基づかない２つの状態に対応している。
【０００４】
本発明は基礎状態が２つのエネルギーレベルに対応する全てのＱｕｂｉｔｓに適用される。一般性を失うことなく、状態｜０＞は、以下、低エネルギーレベルＥ0に関連し、状態｜１＞は、以下、高エネルギーレベルＥ1に関連するものとする。｜０＞状態はまた本明細書において基礎状態ともいわれる。
【０００５】
本発明は、従って、量子計算（書き込み、コヒーレントおよび可能な射影測定）の工程の間を含む、常に異なる２つのネルギーレベルＥ0およびＥ1に対応する２つの状態｜０＞および｜１＞を有する任意の型のＱｕｂｉｔに関する。
【背景技術】
【０００６】
Ｑｕｂｉｔにおいて、他のＱｕｂｉｔｓと結合することにより、制御された仕方で情報を書き込み、記憶し、または変更し、ついでその情報を読むことができなければならない。書き込みは２つの基底状態の任意のコヒーレントな重ね合わせａ｜０＞およびｂ｜１＞（ただし、「ａ」および「ｂ」は確率振幅と呼ばれる複素数である）におけるＱｕｂｉｔを作成することにある。Ｑｕｂｉｔの量子状態のコヒーレントな制御は確率振幅ａ、ｂの時間展開の制御を必要とする。
【０００７】
確率振幅の制御は以下の２つの態様で失われる。
【０００８】
第１の態様は脱分極（ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）、すなわち、確率振幅の一方の絶対値（ｍｏｄｕｌｕｓ）が制御されずに増加して他方の増加にも資する態様である。基底レベルの振幅「ａ」が一方の絶対値が増加するか否かによって、脱分極はＱｕｂｉｔのエネルギーの励起（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）または緩和（ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ）となる。エネルギーの緩和は状態｜１＞に当所作成されたＱｕｂｉｔが状態｜０＞に戻る平均時間として定義された特性緩和時間Ｔ1 により特徴付けられた本質的にランダムな工程である。
【０００９】
確率振幅の制御が失われる第２の態様は状態｜０＞および｜１＞の間にランダムな位相差が現れることに対応する。換言すると、他のＱｕｂｉｔｓと相互作用していないＱｕｂｉｔにとって、数学的には、ａ（ｔ）｜０＞＋ｂ（ｔ）｜１＞と表現される、理想的な展開はａ（ｔ）｜０＞＋ｂ（ｔ）ｅｘｐ（ｉψ（ｔ））｜１＞（ここに、ψ（ｔ）はランダム位相である）のタイプの部分的にランダムな展開により置き替えられる。
【００１０】
Ｑｕｂｉｔは上述の２つの現象にもかかわらずできるだけ長くコヒーレントに展開し続ける必要がある。
【００１１】
Ｑｕｂｉｔに書き込みする前に、Ｑｕｂｉｔは一般にその基底状態｜０＞である基準状態に置く必要がある。従来技術では、この再初期化は緩和時間Ｔ1の数倍に等しい期間、Ｑｕｂｉｔが状態｜０＞に向かって緩和する非常に高い確率に対して単に待機することにより行われる。
【００１２】
この種の再初期化は非常に遅いことが証明できるので、Ｑｕｂｉｔの動作はできるだけ長い間その量子コヒーレンスが維持されることを必要とし、そのためできるだけ長い緩和時間Ｔ1を必要とする。換言すると、Ｑｕｂｉｔの効率（ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）が良いほど緩和時間Ｔ1がながくなり、再初期化が長時間かかる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、特に、この再初期化が遅いという問題を解決すること、および良好な効率を提供するＱｕｂｉｔの迅速な再初期化を可能にし、しかもコヒーレントに展開するというその能力を顕著に低下させることのないようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、上述の目的は、それぞれのエネルギー状態Ｅ0およびＥ1（ただし、常にＥ0＜Ｅ1）に関連する２つの状態｜＞０および｜１＞を有する量子ビット装置であって、前記量子ビット装置に隣接して配置され、一定量のエネルギーを前記一定量がある値ΔＥenvに等しいときにのみ吸収することが可能である第１の散逸手段と、前記エネルギー差ΔＥ01＝Ｅ1−Ｅ0を、前記第１の手段が吸収できない初期値ΔＥ01から前記第１の散逸手段により吸収されることが可能な値ΔＥ′01＝ΔＥenvに一時的に変調することが可能な第２の手段を備える装置により達成される。
【００１５】
本発明は、また、２つのエネルギーレベルを有するＱｕｂｉｔが、その緩和確率を一時的に増加させることにより再初期化することができ、この増加は、その遷移エネルギーを吸収することが可能な散逸装置に一時的に接続することに全体的にまたは部分的に達成される。
【００１６】
最後に、本発明は、さらに、少なくとも１つの自由度と前記Ｑｕｂｉｔの遷移周波数における高量子スペクトル密度とを有するシステムに結合するようにその遷移周波数を変えることにより、２つのエネルギーレベルを有するＱｕｂｉｔを再初期化することができるものである。
【００１７】
２つの状態｜＞０および｜１＞がそれぞれのエネルギー状態Ｅ0およびＥ1（ただし、Ｅ0＜Ｅ1）に対応するＱｕｂｉｔでは、これは下記の本発明の再初期化装置、すなわち、
−前記第１の散逸手段は、前記量子ビット装置の即時エネルギー環境にあり、かつ少なくとも１つの吸収ピークを有し、その吸収ピーク値の値ΔＥenvは、
・前記量子ビット装置の遷移エネルギーΔＥ01＝Ｅ1−Ｅ0から充分に遠く離れていて前記量子ビット装置と前記第１の散逸手段との間のすべての相互作用をなくすか、または無視可能にするが、
・前記遷移エネルギーに充分に近く、前記量子ビット装置の前記遷移エネルギーΔＥ′01が前記吸収ピークΔＥenvに等しいか、もしくは近くなり、前記量子ビット装置と前記第１の散逸手段との間に強いエネルギー結合が一時的に存在し得るような条件下で動作することが可能であり、
−前記第２の手段は前記量子ビット装置の前記遷移エネルギーΔＥ01＝Ｅ1−Ｅ0を再初期化の際に前記吸収ピークの値ΔＥenvに等しいかまたは近い前記値ΔＥ′01に変調するように適合されている再初期化装置を用いて達成することができる。
【００１８】
前記ΔＥenvの値の少なくとも１つの吸収ピークを有する第１の散逸手段は、前記量子ビット装置の遷移エネルギーΔＥ01＝Ｅ1−Ｅ0を、Ｅ01＝Ｅ1−Ｅ0が前記吸収ピークの値ΔＥenvに等しいかまたは近い値に変えられると、吸収することができる特定の自由度を持つことができる。
【００１９】
値ΔＥenvの吸収ピークを有する前記第１の散逸手段は、前記量子ビット装置の遷移周波数ν01＝ΔＥ01／ｈ（ここにｈはプランクの定数である）における量子スペクトル密度が高く、複数の自由度を持つことも可能である。この場合、多数の非常に近い値ΔＥenvが存在する。
【００２０】
本発明の第２の手段は、Ｑｕｂｉｔの環境との結合を非常に低い値に低下させて、その環境のインコヒーレンス効果を最低限にし、それにより緩和時間Ｔ1を非常に高い値に増加させ、かつＱｕｂｉｔをコヒーレントに展開させるか、あるいはＱｕｂｉｔをその環境に結合させて緩和によりインコヒーレンスを最大化し、すなわち緩和時間Ｔ1を非常に低い値に低下させ、かつＱｕｂｉｔを急速に状態｜０＞に再初期化する。
【００２１】
一特定実施形態では、前記第２の手段は特定の再初期化セットポイント生成手段を備え、該再初期化セットポイントは前記量子ビット装置を調整して前記遷移エネルギーΔＥ01を、前記吸収ピークの値ΔＥenvに等しいかまたは近いΔＥ′01に一時的に変える調整手段に適用される。
【００２２】
さらに詳しくは、前記特定の再初期化セットポイントは、前記量子ビット装置がコヒーレントに展開可能であるときに使用されている範囲外の値を有する。もっともこれは必須ではない。
【００２３】
他の特定実施形態では、前記第２の手段は、前記量子ビット装置の動作パラメータであって前記量子ビット装置の遷移エネルギーに直接作用して前記遷移エネルギーΔＥ01を、コヒーレントに展開するように選ばれた前記量子ビット装置の動作パラメータの設定とは独立に、前記吸収ピークの値ΔＥenvに等しいかまたは近い値ΔＥ′01に一時的に調整する特定の手段を備える。
【００２４】
前記量子ビット装置は２つのエネルギーレベルを有するＱｕｂｉｔの基本特性のみを用いるので、本発明はその実装技術にかかわらず、そのタイプの任意のＱｕｂｉｔに適用可能である。
【００２５】
第１の好適な実装技術では、前記Ｑｕｂｉｔは電気的であり、ジョセフソン超電導体接合を有するものである。そのコヒーレントな展開は、自由度の数を最小限にして、それによりこれらのＱｕｂｉｔｓに本願の下記の一定の対称性質を付与し、かつそれらの遷移周波数を制御する外部パラメータを調節する構成により保証することが可能である。
【００２６】
本発明は、特に好適な状況に適用される。この好適な状況では、電気的Ｑｕｂｉｔは、ディー．ヴィオン、エイ．アシム、エイ．コテット、ピー．ジョイズ、エイチ．ポティアー、シー．ウルビナ、ディー．エスティーヴ、エム．エイチ．デヴォレット著「電気回路の量子状態の操作」サイエンス１０６９３７２号２００２年５月４日（Ｄ．Ｖｉｏｎ，Ａ．Ａａｓｓｉｍｅ，Ａ．Ｃｏｔｔｅｔ，Ｐ．Ｊｏｙｅｚ，Ｈ．Ｐｏｔｈｉｅｒ，Ｃ．Ｕｒｂｉｎａ，Ｄ．Ｅｓｔｅｖｅ，Ｍ．Ｈ．Ｄｅｖｏｒｅｔ，“Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ａｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｉｒｃｕｉｔ，”  Ｓｃｉｅｎｃｅ  １０６９３７２，０４  Ｍａｙ  ２００２）に発表された報文に開示されているように、量子的挙動を示し、かつ、ゲート電極を含む書込回路、読取ジョセフソン接合を含みクーパー・ペア・ボックスのジョセフソン接合よりもずっと高いジョセフソン・エネルギーを有する読取回路、および前記Ｑｕｂｉｔの位相を調節するように適合された磁気手段を設けた、２つのジョセフソン接合を有するクーパー・ペア・ボックスを用いて構築された超電導体集積電子装置からなる物理的媒体を備える。
【００２７】
上述の種類の回路［以下、カントロニウム（Ｑｕａｎｔｒｏｎｉｕｍ）という］は読取ジョセフソン接合の電圧をトグルするように適合された電流パルスを印加することにより読み取られる。
【００２８】
この種のＱｕｂｉｔの超電導体ループは、Ｑｕｂｉｔにおいて情報を書き込む、または情報をコヒーレントに展開するために必要とされる条件である、その遷移周波数ν01が外部擾乱およびパラメータに対して固定されている値に調整可能であるように、構築される。実際には、この調整は近傍の磁気ループを用いてＱｕｂｉｔの位相δに作用する調整可能な磁束を発生させることにより行われる。
【００２９】
読取回路は、前記書込回路とは独立であり、Ｑｕｂｉｔの超電導体ループに電気的に接続されている。前記読取ジョセフソン接合に加えて、前記読取回路は、読取ステージの間パラメータ化可能な期間および振幅の電流パルスＩbを印加する手段と、前記２つの状態の一方のみについて、読取パルス後、前記読取ジョセフソン接合の端子において出現する２πの位相ジャンプを検知する手段とを備える。
【００３０】
前記Ｑｕｂｉｔの緩和確率がこの読取パルスの印加時にどのように変化するかを検討するために、前記パルスの立ち上がりエッジに時間プラトーを発生することにより測定を行った。なお、プラトーがある電流値に達すると、それぞれＱｕｂｉｔのある遷移エネルギーを設定し、Ｑｕｂｉｔ緩和の確率が高くなる（緩和時間Ｔ1が短くなる）。これらの値はＱｕｂｉｔの即時環境における共鳴に対応するが、この即時環境はこの場合単に電気的読取回路である。
【００３１】
カントロニウムには、本発明を種々の方法で実装することが可能である。
【００３２】
本発明の再初期化装置の第１の散逸手段は散逸装置を備え、この散逸装置は典型的には抵抗部材を含む共鳴回路である。より正確には、前記手段は意図的に共鳴をＱｕｂｉｔの電気的読取回路に共鳴を導入することにより製造され、Ｑｕｂｉｔの周波数は、Ｑｕｂｉｔの遷移周波数が制御パラメータに関して固定されているときにＱｕｂｉｔの遷移周波数が採る値であるが、再初期化時にＱｕｂｉｔの遷移周波数が一時的に採ることが可能である値から遠く離れている。
【００３３】
第２の手段または結合手段はＱｕｂｉｔに特異的な調整手段に適用される制御信号、例えば、
−Ｑｕｂｉｔの位相δに作用する磁気コイル（磁気調整手段の好適な実装形態）に適用される特定値の電流パルス、
−前記読取回路が構成する通常の制御手段に適用される特定値の電流パルス
の発生器を備えることができる。
【００３４】
公称動作では決して採られない値が超電導体ループの磁束および／または前記読取接合における電流の値に選ばれることが好ましい。前記読取接合の電流は、再初期化段階の間、例えばＱｕｂｉｔの状態を読み取るのに用いられる電流パルスの符号と反対の符号の値を採ることが可能である。
【００３５】
より一般的には、この回路で動作するパラメータを調整する手段は、特定の入力値がそれらに提供されるならば、すべて再初期化手段を構成することが可能である。
【００３６】
従って、操作は読取回路に電流を発生させる命令の場合は、次の通りである。すなわち、
−Ｑｕｂｉｔ内の情報を読み取り、またはコヒーレントに展開させるために、Ｑｕｂｉｔの超電導体ループを横断する磁束および読取接合における電流を、Ｑｕｂｉｔの遷移周波数がその固定値を採るように、調整し、
−Ｑｕｂｉｔを再初期化するために、Ｑｕｂｉｔｓの遷移周波数を意図的に導入された共鳴周波数の値に等しいかまたは非常に近い値に一時的に変える。
【００３７】
この操作は自明な方法でＱｕｂｉｔｓの位相δに作用するコイルの電流パルスの状態に置き替えることが可能であることは明らかである。
【００３８】
前記結合手段は再初期化装置、例えばＱｕｂｉｔの位相δに作用する第２の磁気手段（例えば磁気コイル）、クーパー・ペア・ボックスの第２の結合ゲート、読取ジョセフソン接合を通過しＱｕｂｉｔｓの高確率のインコヒーレンスに対応する振幅を有する第２の電流パルスに適合された第２のループ等に特異的であるようにすることも可能である。再び、前述の例について、結合手段の動作をどのように演繹するかは自明である。
【００３９】
前記超電導体ループの磁束および／または読取接合の電流の値は公称動作では決して採られない値であることが好ましい。前記読取接合の電流は、例えば再初期化段階の間の値であり、その符号がＱｕｂｉｔの状態を読み取るのに用いられる電流パルスの符号と反対である。
【００４０】
第２の技術では、前記Ｑｕｂｉｔｓはエネルギー状態がＱｕｂｉｔの遷移エネルギーに相当する周波数ν01の光子の吸収または放出により変化される原子またはイオンをそれらの物理的媒体として有することが可能である。コヒーレンスの維持は、前記原子またはイオンを原子またはイオンが例えば周波数ν01の光子を吸収することができないように充分に小さい電磁気キャビティ内に置くことにより行うことができる。本発明の再初期化装置は適切な電磁場を用いて原子またはイオンを移動してこのキャビティから出し、原子またはイオンが例えば自然に脱励起されることを可能にする。原子またはイオンを例えばＱｕｂｉｔの周波数において吸収モードを有する第２のキャビティ内に移動させるとより有効である。
【００４１】
従って、この状況では、本発明の装置の第２の手段はエネルギーを吸収する原子またはイオンの確率を変化させる手段、さらに詳しくは、前記手段は前記原子またはイオンが拘束される寸法を変更する手段を含む。本発明の装置の第１の散逸手段は、従って、前記原子またはイオンが移動する新しい散逸スペースからなる。
【００４２】
第３の技術では、Ｑｕｂｉｔｓの物理的媒体は二次元電子ガス中に生成され、前記ガスの表面上または下のゲート電極により制御される量子点であることができる。
【００４３】
前記Ｑｕｂｉｔの２つの状態に対応する２つのエネルギー状態は一般に遷移エネルギーΔＥ01により隔てられた量子点の２つの電子状態である。
【００４４】
本発明の急速再初期化装置のこの実施形態では、前記第１の散逸手段は、少なくとも１つのゲート電極の回路中に抵抗部材を含む共鳴電気回路を備え、前記第２の手段は前記ゲート電極にゲート電圧の特定値を与える磁界源またはゲート電圧源を備え、前記量子点の寸法を変えて遷移エネルギーΔＥ01を前記量子点の形状を規定する電極の少なくとも１つの電気回路の吸収ピークのΔＥenvに等しいかまたは近い値ΔＥ′01に変えるようにしている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
本発明の他の特徴および利点は、例示として提供された以下の特定の実施形態から明かになるが、添付図面を参照してこれらについて説明する。
【００４６】
まず、電気的Ｑｕｂｉｔの好適な実施形態を説明する。さらに詳しくは、Ｑｕｂｉｔが、ディー．ヴィオン、エイ．アシム、エイ．コテット、ピー．ジョイズ、エイチ．ポティアー、シー．ウルビナ、ディー．エスティーヴ、エム．エイチ．デヴォレット著「電気回路の量子状態の操作」サイエンス１０６９３７２号２００２年５月４日（Ｄ．Ｖｉｏｎ，Ａ．Ａａｓｓｉｍｅ，Ａ．Ｃｏｔｔｅｔ，Ｐ．Ｊｏｙｅｚ，Ｈ．Ｐｏｔｈｉｅｒ，Ｃ．Ｕｒｂｉｎａ，Ｄ．Ｅｓｔｅｖｅ，Ｍ．Ｈ．Ｄｅｖｏｒｅｔ，“Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ａｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｃｉｒｃｕｉｔ，”  Ｓｃｉｅｎｃｅ  １０６９３７２，０４  Ｍａｙ  ２００２）に発表された報文に開示されているように、量子的挙動を示し、かつ、ゲート電極を含む書込回路、読取ジョセフソン接合を含みクーパー・ペア・ボックスのジョセフソン接合よりもずっと高いジョセフソン・エネルギーを有する読取回路、および前記Ｑｕｂｉｔの位相を調節するように適合された磁気手段を設けた、２つのジョセフソン接合を有するクーパー・ペア・ボックスを用いて構築された超電導電子回路である状況を説明する。
【００４７】
上述の種類の回路は、以下カントロニウムと呼ぶが、通常読取ジョセフソン接合をトグルするように適合された電流パルスを印加することにより読み取られる。
【００４８】
図１を参照すると、上述の種類のカントロニウムは、下記を備えることにより定義することができる。
ａ）匹敵するジョセフソン・エネルギーＥJ1およびＥJ2の２つのジョセフソン接合１０１、１０２の間の超電導体アイレット。前記接合は、Ｑｕｂｉｔの遷移周波数が外部擾乱およびパラメータに対する固定値に電気的に調整可能であるように構築されたＳ型超電導体ループ含まれる。
ｂ）前記超電導体アイレットに容量的に結合され、回路の形状のゆえに遷移周波数をＱｕｂｉｔの２つの状態の間に調整可能である電極１３１。電極１３１はまた読取ステージの間、Ｑｕｂｉｔをその２つの状態のコヒーレントな重ね合わせに置くことが可能である。
ｃ）前記超電導体ループに、回路の形状のために遷移周波数ν01をＱｕｂｉｔの２つの状態の間に調整可能な磁束φを印加する手段１３３、１３５。
ｄ）読取接合と呼ばれる第３のジョセフソン接合１０５。そのジョセフソン・エネルギーＥJLは上記定義のジョセフソン接合１０１、１０２のジョセフソン・エネルギーＥJ1およびＥJ2よりも５０〜１００倍程度、好ましくは約８０倍大きい値を持ち、読取ジョセフソン接合１０５は書込または保持ステージの間に超電導体短絡回路として、および読取ステージの間に閾値検知器として動作する。
ｅ）前記書込回路とは独立であって、Ｑｕｂｉｔの超電導体ループに電気的に接続され、かつ読取ジョセフソン接合１０５に加えて、前記読取工程の間に調整可能な持続時間および振幅の電流パルスＩbを印加する手段１２５Ｑｕｂｉｔの状態と読取パルスの複合効果の結果である、読取ジョセフソン接合１０５の端子における位相ジャンプを検知する手段１２６を含む読取回路。
【００４９】
本発明のカントロニウムの好適な実施形態は上述の特徴ａ）〜ｅ）に加えて下記の特徴（図５参照）を備えている。
ｆ）カントロニウムの公称遷移周波数（典型的には数ギガヘルツ（ＧＨｚ））の倍数または約数から遠く離れた、唯一またはいくつかの特定の周波数において散逸的である散逸装置２１。散逸装置２１は一般に例えば抵抗部材を含む共鳴回路を用いて実装される。この回路２１は、読取ジョセフソン接合１０５の端子に接続されているが、図５および図６においては、その抵抗が構築欠陥の結果でなく、意図的にカントロニウム、のエネルギーを散逸させることが可能な値を採るように選択された抵抗器１５７と、インダクタと、コンデンサ１５９とを備えたＲＬＣ回路により図示されている。
ｇ）通常の制御手段（読取回路）にＱｕｂｉｔの遷移エネルギーをΔＥ01＝Ｅ1−Ｅ0からΔＥ′01≒ΔＥenvの値に変更する特定の値を有する電流パルスを印加する手段３１。後者の値は抵抗部材を含む共鳴回路２１の共鳴周波数に対応する。
【００５０】
カントロニウムの電気回路の全体は構造と動作がなるべく対称であるように設計される。また、Ｑｕｂｉｔはそのコヒーレンスの維持を促進する条件下で操作することが可能である。
【００５１】
本発明のＱｕｂｉｔのコヒーレンスの維持を促進する操作条件は下記の通りである。
１）使用に先立って、そして量子状態の操作中に、２つの量子状態の遷移周波数を電荷アイレットの一部ではない電極１３１におけるキャパシタンスＣgのコンデンサ１０３に印加されるＤＣ電圧Ｖgに関しておよびＱｕｂｉｔを通る磁束に関して固定された値に電気的に調整する。
２）書込ステージ（量子状態操作）の間、Ｑｕｂｉｔ自体のループに流入するすべての電流を、読取接合１０５における磁束と電流の特定の組合せにより相殺する。
３）読取回路は、読取パルスＩbにより決定される特定の場合以外は常に活性化されない。電荷アイレットは、これに接続された、キャパシタンスＣgのコンデンサ１０３を介して電荷でバイアスすることが可能である。
【００５２】
これは下記の重ね合わせをアイレットの一部ではないコンデンサ１０３の電極１３１に印加することにより達成される。
−Ｑｕｂｉｔが構成するループの共鳴周波数を実際に決定するＤＣバイアス電圧Ｖg、および
−電圧ｕ（ｔ）の共鳴周波数における一連の振動。これらの振動の振幅および数によりＱｕｂｉｔがその２つの量子状態のコヒーレントな重ね合わせａ｜０＞＋ｂ｜１＞に置かれることが可能になる。
【００５３】
電荷アイレットを定義するジョセフソン接合１０１、１０２は、それらのジョセフソン・エネルギーＥJがそれらのクーロン・エネルギーＥCに近くなるように選ばれる。それぞれの接合は超電導体アイレットの一部である電極とその一部ではない電極を有する。各接合のアイレットに属さない電極間の位相差δにより、読取電流パルスにより課せられると、Ｑｕｂｉｔのループ中をその状態に応じて電流が流れる。
【００５４】
２つのジョセフソン接合１０１、１０２はそれらのエネルギーＥJが、非常に小さい寸法の接合で一般に達成されるエネルギーＥCに非常に近くなるように選択される。さらに、接合１０１、１０２のジョセフソン・エネルギーＥJはできるだけ近い値を有する。アイレットの一部ではないジョセフソン接合電極は相互に接続されて超電導体ループを形成し、全体としてそのようなＱｕｂｉｔを形成している。現実には、このループも第３のジョセフソン接合１０５を含むが、これはずっと大きな寸法を持ち、その結果そのジョセフソン・エネルギーＥJはクーロン・エネルギーＥCに比べて非常に高い。
【００５５】
読取接合が読取期間外に超電導体短絡回路として動作することが可能であるのはこの特徴による。
【００５６】
公称動作では、最大コヒーレンスの維持に対応して、カントロニウムは以下のように調整される。
【００５７】
すなわち、本発明の装置の一実施形態の操作は図１の理論図を用いて説明される。
【００５８】
電荷アイレットはジョセフソン接合１０１および１０２の絶縁によって定義される。接合１０１および１０２はよく似た特性を有する。接合１０１および１０２は非常に小さい寸法（ほぼ０．１マイクロメータ（μｍ）×０．１μｍ）を有し、かつそれらのそれぞれの比Ｅj／Ｅcが１〜３であるように設計される。クーパー・ペア・ボックス１１０の実際の接合に対するこの比Ｅj／Ｅcは、４倍大きく、従って４〜１２である。
【００５９】
超電導体ループは非常に大きな寸法（ほぼ３μｍ×０．３μｍ）を持つ読取接合１０５により閉じられ、実際に測定工程外のＱｕｂｉｔに対する短絡回路として挙動する。これはジョセフソン・エネルギーＥJLは接合１０１および１０２のジョセフソン・エネルギーのよりもほぼ１００倍大きいからである。さらに、読取接合１０５の比Ｅj／Ｅcは接合１０１および１０２の比Ｅj／Ｅcのほぼ５０００倍〜１０，０００倍である。
【００６０】
このループは、多分Ｑｕｂｉｔと同じ基板状の永久磁石、コイル１３３または近傍に配置された電源１３５から電流を運ぶ電線により誘導される種々の磁束φにさらされる。磁束φはＱｕｂｉｔの操作の間、動作点の座標δを調整する。特に、磁束φは、位相δを好適な値に維持することにより、読取接合１０５における負の静止電流を補償する。
【００６１】
ループを通る磁束と測定接合１０５における負の静止電流のこの組合せにより読取の間の０および１状態を区別する能力が以下に説明するように増加する。
【００６２】
前記回路は任意の型Ｓの超電導材料、例えばアルミニウムまたはニオブを用いて製造することが可能である。好適な実施形態は、Ｓｉ／ＳｉＯ2基板上へのアルミニウム導電性フィルムの真空堆積を用いる。
【００６３】
ジョセフソン接合１０１および１０２は２つのアルミニウム・ストリップを同じ軸に沿って数百ナノメートル離して堆積することにより製造される。これらのストリップは酸化されてＡｌ2Ｏ2を生じる。次いで、短い第３のストリップを最初の２つのストリップの間のギャップに、最初の２つのストリップを、それぞれ約０．１μｍ×０．１μｍの２つの領域にわたって被覆するように堆積し、それにより２つのジョセフソン接合１０１および１０２を構成する。第３のストリップはクーパー・ペア・ボックスのアイレット、従ってキャパシタンスＣgのコンデンサ１０３の第１のプレート１３１をも構成する。新しいストリップに平行なもう一つのストリップがコンデンサ１０３の第２のプレートを構成する。
【００６４】
このようにして形成された電荷アイレットは小さい寸法を有する。
【００６５】
Ｑｕｂｉｔ自体のループの残部は同様にして、ただし、ほぼ１μｍで製造され、読取接合１０５の寸法はずっと大きい。
【００６６】
前記回路の動作温度はＱｕｂｉｔの遷移エネルギーをボルツマン係数ｋBで割ったものよりも非常に低くなければならない。実際には、この動作温度は５０ミリケルビン（ｍＫ）程度であり、Ｈｅ3／Ｈｅ4希釈冷却システムを用いて得られる。
【００６７】
Ｑｕｂｉｔの遷移周波数はアイレットに結合した電荷およびループを通る磁束の形の外貌パラメータによって決まる。電荷または磁束ノイズは従ってＱｕｂｉｔの操作の間、遷移周波数を変えやすく、それゆえ量子状態のインコヒーレンスの原因となるランダム位相シフトを誘起する。従って、このノイズに対する感度は遷移周波数ν01が外部パラメータに関して固定されている動作点Ｆ1、Ｆ2、Ｆ3において最小である。従って、これらの動作点は好ましい動作点である。本発明のＱｕｂｉｔについては、これらの点は図２の鞍点Ｆ1（これについてはＮ9＝０．５およびδ＝０）であり、三次元グラフのピーク点Ｆ2またはＦ3（２πを法として）（これについてはＮ9＝０およびδ＝０）である。
【００６８】
公称動作では、最大コヒーレンスの維持に対応して、一つの状態または状態のコヒーレントな重ね合わせがカントロニウムに以下のように書き込まれる。
【００６９】
カントロニウム書込ステージは最大コヒーレンスの維持に対応する一般的動作条件の枠内にある。すなわち、
１）使用に先立って、そして量子状態の操作中に、２つの量子状態の遷移周波数を電荷アイレットの一部ではない電極１３１におけるキャパシタンスＣgのコンデンサ１０３に印加されるＤＣ電圧Ｖgに関しておよびＱｕｂｉｔを通る磁束に関して固定された値に電気的に調整する。
２）書込ステージ（量子状態操作）の間、Ｑｕｂｉｔ自体のループに流入するすべての電流を、読取接合１０５における磁束と電流の特定の組合せにより相殺する。
【００７０】
書込は、ボックス１１０の（キャパシタンスＣgのコンデンサ１０３により結合された）ゲート電極１３１に、第１に電圧源１２１からのＤＣ電圧Ｖgを印加して電荷の自由度に作用する最適の動作点Ｎg＝１／２、ここに、Ｎgはアイレットの低下バイアス電荷ＣgＶg／２ｅ）を達成し、第２に電流源１２２からボックス１１０のＱｕｂｉｔとの共鳴周波数で無線周波数パルスｕ（ｔ）を印加することにより達成される。ＡＣ電圧ｕ（ｔ）の振幅２ｅの０．０１倍程度の結合電荷に相当する。
【００７１】
読取ステージの間、カントロニウムは以下の通りに動作する。
【００７２】
Ｑｕｂｉｔの状態を読み取るために、読取ジョセフソン接合１０５と並列の定電流源１２５は種々の強度と持続期間（典型的には１００ｎｓ）のパルスＩb（図３）を発生する。パルスの間、定電流源１２５は読取ジョセフソン接合１０５の端子に、クーパー・ペア・ボックス１００の端子における超電導位相差δとループを通る磁束φとともに以下の等式を満足する超電導位相差を誘導する。ここに、φ0は磁束量子であり、符号は無視する。
δ＝γ＋φ／φ0２π
【００７３】
読取パルスの間、動作点Ｆ1（Ｎg＝０、δ＝０）における位相γが変位され、それにより位相δに変位を起こす。読取接合１０５は約γ＝π／２でトグルする。
【００７４】
読取の間、電流は読取接合１０５の臨界電流に近くしてＱｕｂｉｔの２つの状態それぞれに対する遷移率が０％および１００％に近くなるようにすることが必要である。読取外のバイアス電流Ｉbは回路を選択された点Ｆ、例えば図２の点Ｆ1、Ｆ2、Ｆ3に維持するように選ばれる。最後に、超電導体ループに結合した磁束φの選択は、読取パルスにより分かるように、状態｜０＞および｜１＞と関連するループ電流ｉ0およびｉ1ができるだけ異なるように最適化することが可能である。
【００７５】
本発明のＱｕｂｉｔの状態の読取は超電導体ループを通る磁束φを、状態｜０＞および｜１＞と関連するループ電流ｉ0およびｉ1が、読取パルスにより分かるように、できるだけ異なるように最適化される。この磁束補償して動作点Ｆiに対応するゼロ位相δを維持するために、読取シーケンスの外で、読取定電流源はゼロ静止電流の代わりに、読取パルスの方向に関して負である、−０．２５Ｉbc程度の静止電流を供給する。これらの
ｐａｒｕｓｕのピーク値Ｉbcは不変である。この好適な最適化で、世も取りパルスの間の位相シフトδはπ／２〜πである。
【００７６】
Ｑｕｂｉｔの公称動作では、最大コヒーレンスの維持に対応して、Ｑｕｂｉｔは読取接合から以下のように脱結合される。
【００７７】
読取ループは自然モードを有し、その周波数はできるだけＱｕｂｉｔ自体の自然周波数から遠く離れていてＱｕｂｉｔが基底状態｜＞０に向かって緩和されることを防止するようにしなければならない。
【００７８】
Ｑｕｂｉｔと読取接合の自然周波数のこの分離は既に存在するが、その理由は、読取ジョセフソン接合１０５の寸法とアイレットを定義するジョセフソン接合１０１、１０２の寸法の間に大きな差があるためである。この差は読取ジョセフソン接合１０５の端子に１つ以上のコンデンサを追加することにより意図的に増加させられる。
【００７９】
つまり、カントロニウムのコヒーレントに展開する能力は３つの条件を同時に満たすことにより得られる。すなわち、
ａ）第１の条件はアイレットにより見られた電荷ノイズの影響を除去することを目的とする。充電されたときに測定されるクーパー・ペア・ボックスと異なり、本発明はジョセフソン・エネルギー・パラメータＥjとクーロン・エネルギー・パラメータＥcの間の比を
−エネルギーのスペクトルが非調和であり、Ｑｕｂｉｔを実際に形成するようにすること、
−遷移周波数が実際に完全に電荷ノイズに非感受性にすること、および
−アイレットのゲート１３１に無線周波数電圧を印加することによりＱｕｂｉｔの状態を操作すること。
ｂ）第２の条件はＱｕｂｉｔの緩和を制限することを目的とする。これは、Ｑｕｂｉｔが、従来｜１＞と示される、その励起状態に置かれるとインコヒーレンスに寄与する。Ｑｕｂｉｔはそのエネルギーをその即時環境に、ここでは電気回路の全体に移転して脱励起することが可能である。より正確には、この移転はＱｕｂｉｔ（図５および図６）から分かるように、等価電気インピーダンス１５７、１５８の実部１５７に向かって行われる。このインピーダンスは、最小化された場合でも、厳密にはゼロになり得ない。エネルギーの移転がないので、Ｑｕｂｉｔの超電導体ループに電流の流れがないという条件を適用することが必要である。ＱｕｂｉｔのループからＱｕｂｉｔの状態またはその状態のコヒーレントな重ね合わせから生じる全電流の除去するこの条件は、適切な永久磁石または制御電流が流れる誘導ループのいずれかにより印加された磁界ＢによりＱｕｂｉｔのループに印加される拮抗する磁束を用いて磁束を正確にゼロ値に調整することにより得られる。この条件は書込および保持ステージの間、Ｑｕｂｉｔの状態にかかわらず、従って除去されるべき磁束にかかわらず、満足されなければならない。
ｃ）第３の条件は環境パラメータのインコヒーレンスへの影響を制限することを目的とする。｜Ψ（ｔ＝０）＞が以下の重ね合わせ状態
｜Ψ（ｔ＝０）＞＝｜０＞＋｜１＞
この状態は、Ｑｕｂｉｔの遷移周波数ν01における成分｜０＞＋｜１＞の相対的位相シフト
｜Ψ（ｔ＝０）＞＝｜０＞＋ｅｘｐ（ｉν01ｔ）｜１＞
により理想的には自由に展開する。
【００８０】
遷移周波数ν01汎用変数ｘにより表される外部パラメータによって決まり、汎用変数ｘへの任意のノイズが遷移周波数ν01の変動に、従って成分｜０＞および｜１＞の相対的位相におけるランダム誤差に反映されるならば、これはインコヒーレンスとして知られる現象である。従って、インコヒーレンスが最小であるのは、遷移周波数ν01がｘに関して固定されているとき、すなわち下記の条件が満足されるときである。
ｄν01／ｄｘ＝０
【００８１】
本発明の目的のためには、遷移周波数ν01が決まり、汎用変数ｘにより記号化される本質的に２つの外部パラメータ、すなわちコンデンサ１０３に印加されるＤＣ電圧ＶgとＱｕｂｉｔ自体を構成する超電導体ループを通る磁束φがある。従って、Ｖgとφの値は以下の２つの条件が同時に満たされるように設定され、それによりインコヒーレンスが、特にＱｕｂｉｔの重ね合わせ状態の場合において低減される。
ｄν01／ｄＶg＝０
ｄν01／ｄφ＝０
【００８２】
本発明の再初期化装置をカントロニウムと関連して使用することについて以下に説明する。
【００８３】
本発明は上述の３つの条件の１つ以上の機能的条件の外側への一時的変位を生成してＱｕｂｉｔの自然周波数の近傍でエネルギー交換を誘起する対称的条件下にＱｕｂｉｔを置いて、緩和により急速にインコヒーレンスを得ることからなる。これらの条件は、電気的に、エネルギーを回路の二次的自由度共鳴にエネルギーを送り、次いでそのエネルギーを抵抗により散逸させることに相当する。
【００８４】
この読取ジョセフソン接合の端子に配置され、図５において意図的散逸抵抗器１５７、インダクタ１５８およびコンデンサ１５９を備えたＲＬＣ回路により図示される。共鳴散逸装置は、また、同様に、並列のインダクタ、コンデンサおよび抵抗器によっても表すことが可能である。その理由は、現実に問題の周波数において、コントラストが分布しているからである。印刷回路の任意の要素が、マイクロ波の当業者には周知のように、実際には物理的に配置することが不可能である誘導性および容量性特性を同時に有している。さらに、これらの特性も、その形状単独では正確に特定されたとしてもその分布された特性を決定するのに不十分である範囲において、その即時環境によって決まる。なし得るすべてのことはその共鳴周波数を定義することである。共鳴周波数は、前述のように、Ｑｕｂｉｔの遷移エネルギーΔＥ01＝Ｅ1−Ｅ0をそれが値ΔＥ′01≒ΔＥenvに変えられたときに吸収することが可能な特定の自由度ΔＥenvに対応する。ここで考察した特定の状況では、その周波数は約８．０６ＧＨｚである。
【００８５】
Ｑｕｂｉｔに一時的に結合してこれを再初期化する手段には多くの変形例がある。
【００８６】
好適な一変形例では、０１３０ナノアンペア（ｎＡ）程度の特定値の電流パルスが読取回路からなる通常の制御手段に印加されて緩和時間Ｔ1を５９ｎｓに低減し、この時間の終わりに初期情報を読み取る確率が約３２％、すなわちＴ1の数倍の再初期化時間でゼロに非常に近い値である。
【００８７】
第２の好適な変形例は、読取ジョセフソン接合の端子において図５に示す本発明の再初期化装置に特異的な第２の定電流源１５５（モジュール３１）を使用する。
【００８８】
上述の２つの変形例の均等性はエレクトロニクスの当業者には自明であり、再初期化パルスを受けるように専用化その他により適合された、第２の定電流源を追加することまたは同じ定電流源を制御入力とともに使用することは同じことになる。図を明瞭にするために、結合手段は再初期化工程の間、電流パルスＩ′bを印加する追加の手段１５５により図示される。
【００８９】
本発明の動作は図４Ａ〜４Ｃを用いて説明する。
【００９０】
図４Ａは、時間の関数として、定電流源１２５により読取ジョセフソン接合１０５の端子におけるカントロニウムに印加された読取電流パルスＩbの振幅を示す。このパルスはコヒーレンスの維持を促進する−３００ｎＡ程度の静止値から出発する。あらかじめ、カントロニウムは「μｗパルス」と記された破線の下向きスパイクにより記された時間において状態｜１＞に調整されている。任意に−１３０ｎＡとして示される、電流プラトーと呼ばれる値における電流の安定化が示される。次いで、読取パルスは４００ｎＡ程度の値に続く。プラトーは本発明を試験するためにパルスの立ち上がりエッジに配置される。このプラトーの振幅と持続期間について多くの値が試験された。
【００９１】
図４Ｂは電流プラトーＩplateauの全ての値に対して、「μｗパルス」の時間における量子ビットにおいて準備された状態｜１＞の読取確率を示す。これらの測定はすべて電流プラトーＩplateauの持続時間１００ｎｓで行われた。図中のこの確率の強い変動に注意せよ。横座標−３２０ｎＡにおける垂直上方を指す第１の矢印のように、確率が高いほど読み取られた情報は書き込まれた情報によりよく近似し、コヒーレンスは良好であり、緩和時間Ｔ1は７３０ｎｓであり、コヒーレンスは良好であり緩和時間Ｔ1は７３０ｎｓである。横座標−１３０ｎＡにおける垂直下向きの第２の矢印については、この確率が低いほど、読み取られた情報は状態｜１＞に関連した書込情報からより乖離し、量子ビットが緩和により容易にそのコヒーレンスを失い、緩和時間Ｔ1は５９ｎｓまで低下する。
【００９２】
電流プラトーの−３２０ｎＡ〜−１３０ｎＡ２つの値について、図４Ｃはカントロニウムが状態｜１＞でプラトーの持続時間の関数として測定される確率における変動を示す。読取パルスが読取ジョセフソン接合１０５の端子においてクーパー・ボックス１１０の端子における超伝導性位相差δ、およびループを通る磁束φとともに以下の等式を満足する超伝導性位相差を誘起することを見た。ここに、φ0は磁束量子であり符号は無視する。
δ＝γ＋φ／φ0２π
【００９３】
例えば図２において、読取パルスの間の動作点Ｆ1（Ｎg＝０、δ＝０）において、位相γは位相δにシフトを生じる変位を受ける。プラトーの間、図２の曲線上の動作点は一定値Ｎgにより定義される平面に変位される。例えば、点Ｆ1は電流プラトーＩplateauの間、点Ｆ′1になる。量子ビットの遷移周波数は動作点Ｆ1においてＥ01＝Ｅ1−Ｅ0であったが、動作点Ｆ′1においてはＥ′01＝Ｅ′1−Ｅ′0になる。次いで、共鳴回路の周波数をΔＥenv≒ΔＥ′01になるように選択するのに充分である。
【００９４】
電流プラトーＩplateauのこの値は実際には読取パルスのために設計された定電流源１２５に特定の設定点を適用することにより、あるいはこの目的のために並列に接続された第２の定電流源Ｉ′ｂ  １５５を用いることにより得ることができる。例えば、−１３０ｎＡの電流と８．０６ＧＨｚ程度の散逸回路共鳴周波数で、６０ｎｓ未満の緩和時間Ｔ1が得られ、緩和確率が２００ｎｓ後に９６％に達する。
【００９５】
もちろん、量子装置がそのコヒーレンスを維持することができるのが長いほど、本発明の緩和装置を使用する利点は大きくなる。
【００９６】
図６に示す実施形態では、結合手段または第１の手段は、Ｑｕｂｉｔの近傍に配置され、その位相δに作用する磁気コイル１４０を持つモジュール３２と、遷移エネルギーΔＥ01を吸収ピークのΔEenvに等しいかまたは近い値Δ01に一時的に変えるのに充分な振幅を持つ電流パルスの発生器１４５とを備える。
【００９７】
イオン性Ｑｕｂｉｔを用いる本発明の好適な実施形態を図７を参照して説明する。
【００９８】
原子またはイオン１のエネルギー状態はＱｕｂｉｔの遷移エネルギーに相当する周波数ν01の光子吸収または放出によって変化される。Ｑｕｂｉｔに情報を書き込む、または情報をコヒーレントに展開させる条件は、周波数ν01の光子を吸収することができないように充分に小さい電磁気キャビティ２内に光子を置くことを伴う。
【００９９】
本発明によれば、散逸装置は光子が原子またはイオンにより放出され得る環境（キャビティ４）に相当する。制御装置は遷移周波数と原子またはイオン１が拘束されるスペースの寸法との間の比を変えることが可能な手段（例えば、一組のレーザー光または適切な磁界）からなるか、またはレーザーもしくは原子もしくはイオンが拘束されているキャビティ２からより大きいキャビティ４内に（あるいはまったくキャビティ内ではなく）原子またはイオンを移動させる電磁気装置からなり、電子またはイオンが自然に脱励起できるようにしている。
【０１００】
従って、２つのエネルギーレベルを有するＱｕｂｉｔを生じる原子またはイオン１の場合、Ｑｕｂｉｔは電磁界を用いてとラップされるか、または固有の速度のゆえに自由に移動する。
【０１０１】
電磁気キャビティ２は非常に低吸収であり、従って線質係数が高い。適宜、前記キャビティは、
−Ｑｕｂｉｔのコヒーレントな制御のために、または続いてキャビティに入る他のＱｕｂｉｔとの相互作用を媒介するために使用される場合、Ｑｕｂｉｔの遷移周波数に等しいか近い自然周波数、
−キャビティとＱｕｂｉｔの間のエネルギー交換を阻止するために、Ｑｕｂｉｔの遷移周波数よりも顕著に高い自然基底周波数
を持つことが可能である。
【０１０２】
迅速な再初期化のために、原子またはイオン１は、Ｑｕｂｉｔが、図示しない手段を用いて運動電磁界を印加することによりその基底状態に急速に緩和することが可能な領域に向かってシフトされる。
【０１０３】
初期速度のゆえに原子またはイオンが移動されるならば、結合装置を定義する本発明の装置の第１の手段は単に原子またはイオンを非常に低吸収のキャビティ内に保持する手段を一時的に抑制する手段を備える。原子またはイオンが電磁気的手段により移動されるならば、それらの手段は本発明の装置の第１の手段を構成する。
【０１０４】
Ｑｕｂｉｔの急速緩和領域は低線質（高吸収）の他の電磁気キャビティ４の内部であることが可能であり、前記内部は本発明の装置の第二の散逸手段を定義する。Ｑｕｂｉｔが急速に緩和するには、キャビティ４の自然周波数の１つがＱｕｂｉｔの周波数と等しいか、または近いことが必要である。
【０１０５】
適切な電磁界を用いて、Ｑｕｂｉｔの遷移周波数を再初期化用に選択された低線質の共鳴モードに等しいか、または近くなるように変えることが可能である。図７は例示的に、電源６により付勢され、ゼーマン効果を用いてＱｕｂｉｔの遷移周波数を一時的に変えるヘルムホルツ・コイル５を示す。
【０１０６】
二次元電子ガス中に生成される量子点を用いた好適な実施形態を図８を参照して以下に説明する。
【０１０７】
一つの特定の技術では、Ｑｕｂｉｔｓはそれらの物理的媒体として二次元電子ガスの表面上または下のゲート電極１２、１３により制御されるにガス中に生成される量子点を有することが可能である。Ｑｕｂｉｔの２つの状態に対応する２つのエネルギー状態は一般に遷移エネルギーΔＥ01により分離され、ゲート電極１２、１３における電圧により制御される量子点の２つの電子状態に対応し、振幅の大きい負電圧が量子点をより拘束し、エネルギーレベル間の、従って状態Ｅ0と状態Ｅ1の間の状態Ｅ1の間のオフセットを増加させ、従って遷移エネルギーΔＥ01を増加させる。ゲート電極１２、１３は一般に同じバイアス電圧である。
【０１０８】
本発明によれば、散逸装置は共鳴電気回路１６に相当し、少なくとも１つのゲート電極の回路の抵抗部材１６１を含む。例えば、制御装置は磁界源または電極に印加されたゲート電圧の特定値からなり、遷移エネルギーΔＥ01を量子点の形状を規定する電極１２、１３の少なくとも１つを制御する電気回路の吸収ピークの遷移エネルギーΔＥ01に等しいかまたは近い値ΔＥ′01に変えることが可能であり、これは遷移エネルギーΔＥ01を増加して値ΔＥ′01＝ΔＥenvに増加させるというのと同じことになる。
【０１０９】
従って、図８を参照すると、量子点１１は、調整可能なゲート電圧源１４、１５により付勢されたゲート電極１２、１３自体により印加された電圧により規定されることがわかる。ゲート電極１２は量子点１１を含むスペースの領域を規定するのに用いられる。ゲート電極１３はゲート電極１２と同じタイプであることが可能であるが、Ｑｕｂｉｔを再初期化するのに特化されていることも可能である。
【０１１０】
電圧パルスは電圧源１５により電極１３に一時的に印加されて量子点１１の大きさを変更し、Ｑｕｂｉｔの遷移周波数を外部環境の共鳴周波数に等しいか、または近い値に変えるようにすることが可能である。
【０１１１】
回路１７は電流源１７１とコイル１７２を備え、量子点の領域内に磁界を生成するのに用いられる。この回路は磁界パルスを印加してＱｕｂｉｔの遷移周波数を外部環境共鳴周波数に等しいか、または近い値に変えるのに使用することが可能である。
【０１１２】
共鳴回路１６は電圧源１５とゲート電極１３の間にあり、並列に接続された抵抗器１６１と、インダクタ１６２と、コンデンサ１６３とを備える。ゲート１３の制御回路の共鳴モードは、Ｑｕｂｉｔの遷移エネルギーが共鳴モードと一致するときに、Ｑｕｂｉｔのエネルギーを吸収することが可能であるが、この共鳴モードはゲート電極１２の回路の一方に、または回路１７にさえも等しく見出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】ジョセフソン接合に基づくカントロニウム（Ｑｕａｎｔｒｏｎｉｕｍ）型の電子Ｑｕｂｉｔの理論図である。
【図２】本発明の量子ビット装置の動作点の選択を説明する三次元図である。
【図３】本発明の量子ビット装置の量子状態の測定の操作に関与する信号のタイミング図の例である。
【図４Ａ】カントロニウムが状態｜１＞に準備された後、カントロニウムに印加された読取電流パルスの一時的表示の図であり、プラトーが前記パルスの立ち上がりエッジに置かれ、試験が読取接合の異なる電流値において種々の持続時間で置換え可能であるようにしている。
【図４Ｂ】状態｜１＞のカントロニウムを測定する確率の変化を、読取パルスの立ち上がりエッジの電流の関数として示す図であり、ここではプラトーの期間は１００ナノ秒（ｎｓ）である。
【図４Ｃ】状態｜１＞のカントロニウムを測定する確率の変化を、カントロニウムの遷移周波数の２つの異なる値を示す２つのプラトー電流値の持続時間の関数として示す図である。
【図５】再初期化手段が読取パルスに特異的な制御要素を備える回路を示す図である。
【図６】再初期化手段が近傍磁気ループを用いるＱｕｂｉｔの位相δに特異的な制御要素を備える回路を示す図である。
【図７】イオン性Ｑｕｂｉｔを示す図であり、電磁気キャビティと連絡する装置およびその中のイオンを変位する手段を示す。
【図８】二次元ガス中の「量子点」を有する「Ｑｕｂｉｔ」を示す図であり、その寸法（および従ってＱｕｂｉｔの遷移周波数の）変更と、所与の周波数モードにおけるそのエネルギーの吸収を同時に誘起する電気回路を示す。
【図１】
2007516610.tif 000003
【図２】
2007516610.tif 000004
【図３】
2007516610.tif 000005
【図４Ａ】
2007516610.tif 000006
【図４Ｂ】
2007516610.tif 000007
【図４Ｃ】
2007516610.tif 000008
【図５】
2007516610.tif 000009
【図６】
2007516610.tif 000010
【図７】
2007516610.tif 000011
【図８】
2007516610.tif 000012
【国際調査報告】
2007516610.tif 000013
2007516610.tif 000014
2007516610.tif 000015
2007516610.tif 000016
2007516610.tif 000017
2007516610.tif 000018