(57)【要約】  本発明は、従来技術で見出された制限に対処するものである。第一に、本発明は、大きなデコヒーレンス源を生じさせることなくキュビットの状態を読み取るための、拡張性のある読み取り機構を提供する。第二に、本発明は、制御可能な方法でキュビットの状態をもつれさせるためのシステム及び方法を提供する。
2007504655.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導ループを備える超伝導位相−電荷キュビット、
前記超伝導位相−電荷キュビットの電荷を制御するための第一の機構、及び
前記超伝導位相−電荷キュビットの電荷を検出するための第二の機構
を備え、前記第一の機構、及び前記第二の機構は各々、前記超伝導位相−電荷キュビットに容量接続されることを特徴とする、量子コンピューティング構造。
【請求項２】
前記第一の機構がゲート電荷を備える
ことを特徴とする、請求項１に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項３】
前記ゲート電荷は、交流信号（ＡＣ）及び直流信号（ＤＣ）成分を含む
ことを特徴とする、請求項２に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項４】
前記ゲート電荷は、前記超伝導位相−電荷キュビットに、１ピコボルトから１ボルトの間の大きさを持つ電圧を加える
ことを特徴とする、請求項２に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項５】
前記第一の機構は、前記超伝導位相−電荷キュビットに結合されたゲートキャパシタンスを備える
ことを特徴とする、請求項１に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項６】
前記ゲートキャパシタンスは、１ゼプトファラド（ｚＦ）から１００ピコファラド（ｐＦ）の間である
ことを特徴とする、請求項５に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項７】
前記超伝導ループが、アルミニウム、又はニオブで作られる
ことを特徴とする、請求項１に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項８】
前記超伝導ループが、少なくとも２つのジョセフソン接合によって遮断され、それにより、前記超伝導ループ内に少なくとも２つのアイランドを形成する
ことを特徴とする、請求項１に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項９】
前記少なくとも２つのジョセフソン接合が、３つのジョセフソン接合から成る
ことを特徴とする、請求項８に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項１０】
前記３つのジョセフソン接合の１つが、
（i）前記３つのジョセフソン接合の他の２つのジョセフソン接合のどちらとも異なるジョセフソンエネルギー、又は異なる充電エネルギー、或いは
（ii）前記３つのジョセフソン接合の他の２つのジョセフソン接合のどちらとも異なるジョセフソンエネルギー、及び異なる充電エネルギー
のいずれかを持つことを特徴とする、請求項９に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項１１】
前記３つのジョセフソン接合の各ジョセフソン接合が、同じジョセフソンエネルギー及び充電エネルギーを持つ、或いは、
前記３つのジョセフソン接合のいずれも、それぞれ、
（i）前記３つのジョセフソン接合の他の２つのジョセフソン接合の双方とも異なるジョセフソンエネルギー、又は異なる充電エネルギー、或いは
（ii）前記３つのジョセフソン接合の他の２つのジョセフソン接合の双方とも異なるジョセフソンエネルギー、及び異なる充電エネルギー、
を持つことを特徴とする、請求項９に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項１２】
前記少なくとも２つのジョセフソン接合の一又はそれ以上のジョセフソン接合が、絶縁層を含む
ことを特徴とする、請求項８に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項１３】
前記超伝導ループが、複数のジョセフソン接合によって遮断され、かつ
前記複数のジョセフソン接合の隣接するジョセフソン接合の各ペアが、アイランドを定める
ことを特徴とする、請求項１に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項１４】
前記第一の機構が、前記超伝導ループ内の第一のアイランドに結合され、
前記第二の機構が、前記超伝導ループの異なる第二のアイランドに結合される
ことを特徴とする、請求項１３に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項１５】
前記第一の機構、及び前記第二の機構が、前記超伝導ループのアイランドに結合される
ことを特徴とする、請求項１３に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項１６】
前記第二の機構が電位計を備える
ことを特徴とする、請求項１に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項１７】
前記電位計は、無線周波単一電子トランジスタ（ｒｆ−ＳＥＴ）を備える
ことを特徴とする、請求項１６に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項１８】
前記第二の機構が、前記超伝導位相−電荷キュビットに結合される測定キャパシタンスを備えることを特徴とする、請求項１に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項１９】
前記測定キャパシタンスが、１ｚＦから１００ｐＦの間の値を持つ
ことを特徴とする、請求項１８に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項２０】
前記超伝導位相−電荷キュビットにバイアスをかけるための機構
を更に備え、該超伝導位相−電荷キュビットにバイアスをかけるための機構が、前記超伝導位相−電荷キュビットに誘電結合又は容量結合される
ことを特徴とする、請求項１に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項２１】
前記バイアスをかけるための機構が、前記超伝導位相−電荷キュビットに誘電結合され、それにより、磁界を前記超伝導位相−電荷キュビットに誘電結合させる
ことを特徴とする、請求項２０に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項２２】
前記バイアスをかけるための機構が、ゼロ磁束量子（０Φ0）から５磁束量子（５Φ0）の間の大きさを持つ磁束を、前記超伝導位相−電荷キュビットに加えるように構成される
ことを特徴とする、請求項２０に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項２３】
前記超伝導ループの内周が、０．０５μｍ2から２５００００μｍ2の間の面積を定める
ことを特徴とする、請求項１に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項２４】
前記超伝導ループの内周が、０．１μｍ2から２５００００μｍ2の間の面積を定める
ことを特徴とする、請求項１に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項２５】
前記超伝導ループの内周が、１μｍ2の面積を定める
ことを特徴とする、請求項１に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項２６】
複数の超伝導位相−電荷キュビット
を備え、前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの全て、又は一部の各々が、少なくとも２つのアイランドを有する超伝導ループを備え、前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの少なくとも２つの超伝導位相−電荷キュビットが、互いに容量結合され、かつ、
前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの全て、又は一部の超伝導位相−電荷キュビットの各々が、対応する第一の機構を持ち、
それぞれの第一の機構の各々が、
（i）該対応する超伝導位相−電荷キュビット内の超伝導ループの少なくとも２つのアイランドのうちの第一のアイランドの電荷を調整するように構成され、かつ
（ii）該対応する超伝導位相−電荷キュビットを、前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの他の超伝導位相−電荷キュビットに結合させるように構成される
ことを特徴とする量子コンピューティング構造。
【請求項２７】
前記複数の超伝導位相−電荷キュビットが、線形連鎖を形成する
ことを特徴とする、請求項２６に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項２８】
互いに容量結合された前記少なくとも２つの超伝導位相−電荷キュビットが、前記線形連鎖内で、互いに隣り合っている
ことを特徴とする、請求項２７に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項２９】
互いに容量結合された前記少なくとも２つの超伝導位相−電荷キュビットが、前記線形連鎖内で、互いに隣り合っていない
ことを特徴とする、請求項２７に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項３０】
互いに容量結合された前記少なくとも２つの超伝導位相−電荷キュビットが、１ｚFから１００ナノファラド（ｎＦ）の間の値を持つ結合キャパシタンスを有する
ことを特徴とする、請求項２６に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項３１】
前記第一の機構の各々が、ゲート電荷を備える
ことを特徴とする、請求項２６に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項３２】
前記ゲート電荷が、１ピコボルトから１ボルトの間の大きさを持つ
ことを特徴とする、請求項３１に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項３３】
前記それぞれの第一の機構の各々が、該それぞれの第一の機構と前記複数の超伝導位相−電荷キュビットのうちの対応する超伝導位相−電荷キュビットとの間に、ゲートキャパシタンスを備える
ことを特徴とする、請求項２６に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項３４】
前記複数の超伝導位相−電荷キュビットのうちの超伝導位相−電荷キュビットの電荷を測定するための第二の機構、
をさらに備えることを特徴とする、請求項２６に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項３５】
前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの各超伝導位相−電荷キュビットの電荷を測定するための第二の機構、
をさらに備えることを特徴とする、請求項２６に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項３６】
前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの全部、或いは一部の超伝導位相−電荷キュビットの各超伝導位相−電荷キュビットにバイアスをかけるための機構、
をさらに備えることを特徴とする、請求項２６に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項３７】
前記バイアスをかけるための機構が、前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの全部、或いは前記一部の超伝導位相−電荷キュビットの各超伝導位相−電荷キュビットに、ゼロ磁束量子（０Φ0）から５磁束量子（５Φ0）の間の大きさを持つ磁束を加えるように構成された
ことを特徴とする、請求項３６に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項３８】
前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの超伝導位相−電荷キュビットの超伝導ループ内の前記少なくとも２つのアイランドのうちのアイランドが、該超伝導ループ内の第一のジョセフソン接合、及び第二のジョセフソン接合で定められる
ことを特徴とする、請求項２６に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項３９】
前記各超伝導ループの内周が、０．０５μｍ2から２５００００μｍ2の間の面積を定める
ことを特徴とする、請求項２６に記載の量子コンピューティング構造。
【請求項４０】
前記各超伝導ループの内周が、０．１μｍ2から２５００００μｍ2の間の面積を定める
ことを特徴とする、請求項２６に記載の構造。
【請求項４１】
前記各超伝導ループの内周が、１μｍ2の面積を定める
ことを特徴とする、請求項２６に記載の構造。
【請求項４２】
超伝導位相−電荷キュビットの電荷状態を測定するための方法であって、
前記超伝導位相−電荷キュビット内の複数のアイランドのうちの第一のアイランドの電荷を調整するステップ
を含み、前記超伝導位相−電荷キュビットは超伝導ループを備え、前記超伝導ループ内の複数のジョセフソン接合が、前記超伝導ループ内の複数のアイランドを定め、及び、
前記超伝導位相−電荷キュビットの電荷を検出するステップ
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項４３】
前記検出するステップが、前記第一のアイランドの電荷を検出することを含む
ことを特徴とする、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記検出するステップは、前記複数のアイランドのうちの前記第一のアイランドとは異なるアイランドの電荷を検出することを含む
ことを特徴とする、請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
前記第一のアイランドの電荷を調整するステップは、該第一のアイランドにゲート電荷を加えることを含む
ことを特徴とする、請求項４２に記載の方法。
【請求項４６】
前記ゲート電荷は、１ピコボルトから１ボルトの間の大きさを持つ
ことを特徴とする、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記超伝導位相−電荷キュビットの電荷が、該超伝導位相−電荷キュビットの第一の基底状態、或いは第二の基底状態の一方に対応する
ことを特徴とする、請求項４２に記載の方法。
【請求項４８】
超伝導位相−電荷キュビットへのキュビット動作を実現するための方法であって、
継続時間Δｔの間、前記超伝導位相−電荷キュビットの第一のアイランドの電荷を調整するステップ
を含み、前記超伝導位相−電荷キュビットは超伝導ループを備え、かつ
前記超伝導ループ内の複数のジョセフソン接合は、該超伝導ループ内に、前記第一のアイランドを含む複数のアイランドを定める
ことを特徴とする方法。
【請求項４９】
前記調整するステップは、前記超伝導位相−電荷キュビットにゲート電荷を加えることを含む
ことを特徴とする、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記ゲート電荷が、直流信号成分、及び交流信号成分を含む
ことを特徴とする、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記ゲート電荷の大きさは、１ピコボルトから１ボルトの間である
ことを特徴とする、請求項４９に記載の方法。
【請求項５２】
前記交流信号成分はゼロである
ことを特徴とする、請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
前記交流信号成分は、４００メガヘルツから５０ギガヘルツの間の周波数を持つ
ことを特徴とする、請求項５０に記載の方法。
【請求項５４】
前記継続時間Δｔが、０．１ピコ秒から５００ナノ秒の間である
ことを特徴とする、請求項４８に記載の方法。
【請求項５５】
複数の超伝導位相−電荷キュビットをもつれさせるための方法であって、
前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの全部、或いは一部の各超伝導位相−電荷キュビットが、複数のジョセフソン接合によって遮断されるそれぞれの超伝導ループを備え、これにより、該それぞれの超伝導ループ内に複数のアイランドを形成し、及び
前記複数のアイランドの各々が、第一及び第二のアイランドを含むことを特徴とし、
二又はそれ以上の第一のアイランドの各々に、バスアイランドを容量結合させるステップ、及び
該容量結合された二又はそれ以上の第一のアイランドの電荷を、継続時間Δｔの間調整するステップ
を含むことを特徴とする方法。
【請求項５６】
二又はそれ以上の第二のアイランドに容量結合された読み取りゲート電荷を調整すること
をさらに含むことを特徴とする、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記二又はそれ以上の第二のアイランドに容量結合される前記読み取りゲート電荷を調整するステップは、ゲート電荷を前記二又はそれ以上の第二のアイランドに加えることを含む
ことを特徴とする、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記ゲート電荷の大きさは、１ピコボルトから１ボルトの間である
ことを特徴とする、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記継続時間Δｔは、１０ピコ秒から１０マイクロ秒の間である
ことを特徴とする、請求項５５に記載の方法。
【請求項６０】
前記継続時間Δｔは、１ナノ秒から５００ナノ秒の間である
ことを特徴とする、請求項５５に記載の方法。
【請求項６１】
複数の超伝導位相−電荷キュビットの各超伝導位相−電荷キュビットの量子状態を読み取るための方法であって、
前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの全部、或いは一部の各超伝導位相−電荷キュビットは、複数のジョセフソン接合によって遮断されるそれぞれの超伝導ループを備え、それにより、前記それぞれの超伝導ループ内に複数のアイランドを集合的に形成することを特徴とし、
前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの全部、或いは一部の各超伝導位相−電荷キュビット内の第一のアイランドに、読み取りデバイスを容量結合させ、
前記容量結合された第一のアイランドの各々の電荷を調整し、かつ、
前記容量結合された第一のアイランドの各々の上の電荷を読み取る
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項６２】
ゲート電荷を調整すること
をさらに含み、前記ゲート電荷が、前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの全部、或いは一部の各超伝導位相−電荷キュビット内のアイランドに容量結合される
ことを特徴とする、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
前記ゲート電荷が、前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの全部、或いは前記一部の各超伝導位相−電荷キュビット内の前記第一のアイランドに容量結合される
ことを特徴とする、請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
前記ゲート電荷が、前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの各超伝導位相−電荷キュビット内の、前記第一のアイランド以外のアイランドに容量結合される
ことを特徴とする、請求項６２に記載の方法。
【請求項６５】
前記調整するステップは、前記複数の超伝導位相−電荷キュビット内の、前記容量結合された第一のアイランドの各々にゲート電荷を加えることを含む
ことを特徴とする、請求項６２に記載の方法。
【請求項６６】
前記ゲート電荷の大きさは、１ピコボルトから１ボルトの間である
ことを特徴とする、請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記読み取るステップは、前記容量結合された第一のアイランドの各々の電荷を検出することを含む
ことを特徴とする、請求項６２に記載の方法。
【請求項６８】
継続時間Δｔの間、第一の超伝導位相−電荷キュビットの第一のアイランドの電荷を調整するステップ
を含み、前記第一の超伝導位相−電荷キュビットが超伝導ループを備え、かつ、前記超伝導ループを遮断する複数のジョセフソン接合が、該超伝導ループ内に、前記第一のアイランドを含む複数のアイランドを集合的に定めることを特徴とし、
前記第一の超伝導位相−電荷キュビットの計算操作の点の中心から離れたところにある該第一の超伝導位相−電荷キュビットの動作点に、バイアスをかけるステップ、
前記バイアスをかけるステップの間、前記第一の超伝導位相−電荷キュビットにゲート電荷を加えるステップ、及び
前記第一の超伝導位相−電荷キュビットの前記第一のアイランド、及び第二の超伝導位相−電荷キュビットの第一のアイランドが各々電荷基底にある時、前記第一の超伝導位相−電荷キュビットを、前記第二の超伝導位相−電荷キュビットの第二のアイランドに容量結合させるステップ
を含むことを特徴とする、量子コンピューティングの方法。
【請求項６９】
前記調整するステップは、前記第一の超伝導位相−電荷キュビットにσ2ゲート動作を加える
ことを特徴とする、請求項６８に記載の方法。
【請求項７０】
前記ゲート電荷は、直流信号成分、及び交流信号成分を含む
ことを特徴とする、請求項６８に記載の方法。
【請求項７１】
前記交流信号成分は、約４００メガヘルツ（ＭＨｚ）から約５０ギガヘルツ（ＧＨｚ）の間の範囲の周波数を持つ
ことを特徴とする、請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
前記ゲート電荷は、前記第一の超伝導位相−電荷キュビットにσyパウリ行列を加える
ことを特徴とする、請求項６８に記載の方法。
【請求項７３】
第一の超伝導位相−電荷キュビット、及び第二の超伝導位相−電荷キュビットを使った量子コンピューティングの方法であって、
継続時間ｔ1の間、前記第一の超伝導位相−電荷キュビットのアイランド上に第一のゲート電荷を加え、
継続時間ｔ2の間、前記第二の超伝導位相−電荷キュビットのアイランド上に第二のゲート電荷を加え、及び
継続時間ｔ3の間、前記第一の超伝導位相−電荷キュビットの前記アイランドを、前記第二の超伝導位相−電荷キュビットの前記アイランドに容量結合させる
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項７４】
前記継続時間ｔ1の全部又は一部が、前記継続時間ｔ2の全部又は一部と重なるように、前記第一の加えるステップ、及び前記第二の加えるステップを同時に実施する
ことを特徴とする、請求項７３に記載の方法。
【請求項７５】
前記継続時間ｔ1の全部又は一部が、前記継続時間ｔ3の全部又は一部と重なるように、前記第一の加えるステップ、及び前記容量結合させるステップを同時に実施する
ことを特徴とする、請求項７３に記載の方法。
【請求項７６】
前記継続時間ｔ2の全て又は一部が、前記継続時間ｔ3の全て又は一部が重なるように、前記第二の加えるステップ、及び前記容量結合させるステップを同時に実施する
ことを特徴とする、請求項７３に記載の方法。
【請求項７７】
前記継続時間ｔ1、前記継続時間ｔ2、及び前記継続時間ｔ3の各々の全て、又は一部が互いに重なるように、前記第一の加えるステップ、前記第二の加えるステップ、及び前記容量結合させるステップを同時に実施する
ことを特徴とする、請求項７３に記載の方法。
【請求項７８】
第一の超伝導位相−電荷キュビット、及び第二の超伝導位相−電荷キュビットを使った量子コンピューティングの方法であって、
前記第一の超伝導位相―キュビットの第二のアイランドが位相基底にとどまっている間、継続時間ｔ1の間、前記第一の超伝導位相−電荷キュビットの第一のアイランド上に第一のゲート電荷を加え、
前記第二の超伝導位相−電荷キュビットの第二のアイランドが位相基底にとどまっている間、継続時間ｔ2の間、前記第二の超伝導位相−電荷キュビットの第一のアイランド上に第二のゲート電荷を加え、及び
継続時間ｔ3の間、前記第一の超伝導位相−電荷キュビットの前記第一のアイランドを、前記第二の超伝導位相−電荷キュビットの前記第一のアイランドに容量結合させる
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項７９】
前記第一の超伝導位相−電荷キュビットの状態を読み取ること
をさらに含むことを特徴とする、請求項７８に記載の方法。
【請求項８０】
前記読み取りの間、前記第一の電荷を、前記第一の超伝導位相−電荷キュビットの前記第一のアイランドから取り除き、
前記読み取りの間、前記第二の電荷を、前記第二の超伝導位相−電荷キュビットの前記第一のアイランドから取り除く
ことを特徴とする、請求項７９に記載の方法。
【請求項８１】
超伝導ループ、及び
複数のジョセフソン接合
を備え、該複数のジョセフソン接合の各ジョセフソン接合は、ジョセフソンエネルギーを持ち、前記超伝導ループを遮断し、
複数の中間視的アイランド
をさらに備え、該複数の中間視的アイランドの各中間視的アイランドは、前記複数のジョセフソン接合の中の隣接するジョセフソン接合によって定められる前記超伝導ループの一部であり、及び
前記超伝導ループは、前記複数のジョセフソン接合の中で最大のジョセフソン接合のジョセフソンエネルギーの１／８から８倍の間である充電エネルギーを有する
ことを特徴とする超伝導位相−電荷キュビット。
【請求項８２】
前記超伝導ループが、前記複数のジョセフソン接合の中で最大のジョセフソン接合のジョセフソンエネルギーの１／４から４倍の間である充電エネルギーを持つ
ことを特徴とする、請求項８１に記載の超伝導位相−電荷キュビット。
【請求項８３】
前記超伝導ループが、前記複数のジョセフソン接合の中で最大のジョセフソン接合のジョセフソンエネルギーの１／２から２倍の間である充電エネルギーを持つ
ことを特徴とする、請求項８１に記載の超伝導位相−電荷キュビット。
【請求項８４】
前記複数の中間視的アイランドの中の第一の中間視的アイランドに容量結合された電圧源、
をさらに備えることを特徴とする、請求項８１に記載の超伝導位相−電荷キュビット。
【請求項８５】
前記複数の中間視的アイランドの中の第二のアイランドを直流電気的にグラウンドに結合させる、超伝導物質の領域
をさらに備えることを特徴とする、請求項８１に記載の超伝導位相−電荷キュビット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子コンピューティングの技術分野、及び超伝導デバイスの技術分野に関するものである。
【０００２】
（関連出願）
本出願は、２００４年３月２９日に出願された「電荷−位相キュビット」という名称の米国仮特許出願第６０／５５７，７４９号の３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）、２００３年１１月６日に出願された「位相キュビットの電荷制御」という名称の第６０／５１８，８０１号、２００３年１０月２４日に出願された「位相キュビットの電荷制御」という名称の第６０／５１４，１３２号、及び２００３年９月５日に出願された「位相キュビットの電荷制御」という名称の第６０／５００，９６１号、に基づく優先権を主張するものであり、それらの各々は、その全体が引用により本出願に組み入れられる。
【背景技術】
【０００３】
現在、量子コンピューティングと呼ばれているものの研究について、Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｆｅｙｎｍａｎが言及した。引用によりその全体が本出願に組み入れられる、Ｆｅｙｎｍａｎ著，１９８２，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ２１，ｐｐ.４６７−４８８を参照せよ。量子システムは、本質的に、従来のコンピュータでシミュレートすることは困難であるが、類似の量子システムの進化を観測することは、システムの数学的モデルを解くための指数関数的により高速な方法を提供することができるであろうということに、Ｆｅｙｎｍａｎは気付いた。特に、量子システムの挙動のモデルを解くことは、一般的に、量子システムのハミルトン関数に関連した微分方程式を解くことを含む。Ｄａｖｉｄ  Ｄｅｕｔｓｃｈは、量子システムを使って、時間の節約をもたらすことができることに気付き、これは後に、特定の計算においては、指数関数的な時間の節約を含むことが示された。ある問題が、量子システムのハミルトン関数を表す方程式の形でモデル化された場合には、システムの挙動が、その方程式の解に関する情報を提供することができるであろう。引用によりその全体が本出願に組み入れられる、Ｄｅｕｔｓｃｈ著,  １９８５,  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｒｏｙａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｌｏｎｄｏｎ  Ａ  ４００,  ｐｐ．９７−１１７を参照せよ。
【０００４】
量子コンピューティング分野における一つの制限は、量子計算をサポートすることのできるシステムの特定である。以下の節で詳述するように、従来のデジタルコンピュータの「ビット」と似ているキュビットは、量子計算を実施するための基底として働く。しかしながら、そのような量子計算を実施するために、キュビットは、量子計算を実施するのに充分長く、量子の挙動を保持できなければならない。量子挙動の損失は、デコヒーレンスと呼ばれる。さらに、量子計算の結果を特定するために、キュビットの状態を読み取るための手法が必要とされる。理想的には、そのような読み取り機構は、量子コンピューティングシステムに、デコヒーレンス源を生じさせない。
【０００５】
量子デバイスのコンピューティング能力は、量子コンピュータのビルディングブロックであるキュビットが、一つのキュビットの量子状態がそれに結合されるキュビットの各々の量子状態に影響を及ぼすような方法で一つに結合される時、増大する。この形の結合は、もつれと呼ばれる。量子コンピューティング分野におけるもう一つの制限は、それを使って、かなり大きなデコヒーレンス源を生じさせることなく、キュビットの状態を制御可能にもつれさせることのできる方法の特定である。
【０００６】
２．１  キュビット
従来のバイナリビットが従来のコンピュータのビルディングブロックであるのと同じ様に、量子ビット又は「キュビット」が、量子コンピュータのビルディングブロックである。従来のバイナリビットは、「０」又は「１」の値を採用し、それらを、従来のバイナリビットの「状態」と呼ぶことができる。「基底状態」と呼ばれる状態を取り入れることができるという点で、キュビットは、従来のバイナリビットと似ている。キュビットの基底状態は、｜０＞、及び｜１＞基底状態と呼ばれる。量子計算の間、キュビットの状態は、｜０＞、及び｜１＞基底状態の重ね合わせと定義される。これは、キュビットの状態が、｜０＞基底状態を占めるゼロでない確率、及び｜１＞基底状態を占めるゼロでない確率を同時に持つことを意味する。第一の基底状態｜０＞を占めるゼロでないの確率、及び第二の基底状態｜１＞を占めるゼロでない確率を持つことのできるキュビットの能力は、常に０又は１の値を持つ従来のビットとは異なる。
【０００７】
性質上、基底状態の重ね合わせは、キュビットが、同時に｜０＞基底状態、及び｜１＞基底状態の両方に存在し得ることを意味している。数学的には、基底状態の重ね合わせは、｜Ψ＞で示されるキュビットの全状態が、｜Ψ＞＝ａ｜０＞＋ｂ｜１＞の形を有することを意味し、ここで、ａ及びｂはそれぞれ、確率振幅｜ａ｜2及び｜ｂ｜2に対応する係数である。係数ａ及びｂは各々、実数及び虚数の成分を有し、それは、キュビットの位相をモデル化することを可能にする。キュビットの量子的性質は、基底状態のコヒーレントな重ね合わせに存在できるキュビットの能力、及びキュビットの状態が位相を持つことができる能力から、おおむね引き出される。キュビットが、デコヒーレンス源から充分隔離される時、キュビットは、基底状態のコヒーレントな重ね合わせとして存在できるこの能力を保持するであろう。
【０００８】
キュビットを使って計算を完了するためには、キュビットの状態を測定しなければならない（例えば、読み取る）。キュビットの状態を測定する時、キュビットの量子的性質は一時的に失われ、基底状態の重ね合わせは、｜０＞基底状態、又は｜１＞基底状態のいずれかに折り畳まれ、従って、従来のビットとのその類似性を取り戻す。折り畳まれた後のキュビットの実際の状態は、読み取り動作の直前の確率振幅｜ａ｜2、及び｜ｂ｜2に依存する。
【０００９】
２．２  一般的な超伝導キュビット
キュビットの重要な種類は、超伝導のキュビットである。超伝導キュビットは、一般的には、位相キュビット、及び電荷キュビットの２つのカテゴリに分類される。位相キュビットは、デバイスの位相状態で情報を格納、及び操作するキュビットである。電荷キュビットは、デバイスの電荷状態で情報を格納、及び操作する。超伝導体において、位相は、超伝導縮合物の特性であり、電気素量は、クーパ対と呼ばれる電子の対によって表される。そのようなデバイスの２つの種類への分類は、Ｍａｋｈｌｉｎ他著,  ２００１,  Ｒｅｖｉｅｗｓ  ｏｆ  Ｍｏｄｅｒｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ７３：３５７,  ｐｐ.３５７−４０１の「ジョセフソン接合デバイスで設計する量子状態」で概略が述べられており、これは、引用によりその全体が本出願に組み入れられている。
【００１０】
位相、及び電荷は、超伝導体における関連値であり、量子効果が支配するエネルギー規模においては、ハイゼンベルグの不確定性原理が、位相の確実性が電荷の不確定性につながり、逆に、電荷の確実性がシステムの位相の不確定性につながるということを規定している。超伝導位相キュビットは、位相領域で動作し、そこでは、基底状態の各々が、少数の別個の位相状態、又は多数の電荷状態のいずれかで構成される。量子力学、及び量子情報の周知の原理に従って、これらの基底状態を使用して、有用な計算を実施することができる。
【００１１】
位相、及び電荷キュビットは、それぞれのキュビットの様々なエネルギーの比率によって分類することができる。しばしば充電及びジョセフソンエネルギーであるこれらのエネルギーは、それぞれのキュビットの物理パラメータに依存する。キュビット接合のような超伝導構造の充電エネルギーＥCは、ｅ2／（２Ｃ）と定義され、ここで、Ｃは超伝導構造のキャパシタンスである。ジョセフソン接合のジョセフソンエネルギーＥJは、超伝導構造の臨界電流と関連付けられる。例えば、ジョセフソン接合のＥJは臨界電流ＩCに比例し、
2007504655.tif 000003
であり、ここで、
2007504655.tif 000004
はプランク定数を２πで割ったものであり、ｅは電気素量である。超伝導キュビットでは、これら２つのエネルギーの比率が、キュビットが電荷であるか、又は位相であるかについての表示を与える。計量Γ＝４ＥC/ＥJは、キュビットが、位相キュビットであるか、又は電荷キュビットであるかを示すことができる。Γが１よりずっと大きい時、キュビットは電荷キュビットである。１より大きいことが何を意味するかについては、この技術分野において何の合意もない。幾つかのキュビットの例では、Γが１００より大きい時、そのキュビットは電荷キュビットであるとみなされる。他のキュビットの例では、Γが３０より大きい時、そのキュビットが電荷キュビットであるとみなされる。さらに他のキュビットの例では、Γが１０より大きい時、そのキュビットが電荷キュビットであるとみなされる。Γが１よりずっと小さい時、そのキュビットは位相キュビットであるとみなされる。キュビットの幾つかのキュビットの例では、Γが１／１０より小さい時、そのキュビットは位相キュビットであるとみなされる。他のキュビットの例では、Γが１／３０より小さい時、そのキュビットは位相キュビットであるとみなされる。さらに他のキュビットの例では、Γが１／１００より小さい時、そのキュビットは位相キュビットであるとみなされる。
【００１２】
キュビットとしての超伝導デバイスの試験的な実現が、Ｎａｋａｍｕｒａ他著,  １９９９，  Ｎａｔｕｒｅ  ３９８，  ｐ．７８６で成されており、その全体が引用により本出願に組み入れられる。Ｎａｋａｍｕｒａ他は、少ない（短い）デコヒーレンス時間で、かつ制御パラメータについての厳しい要件はあるものの、キュビットの基本動作要件を実証する電荷キュビットを開発した。
【００１３】
超伝導キュビットは、２つの動作モードが、外部環境と結合することと関連付けられる。キュビットが初期化、又は測定された時、そのキュビットは、それを初期化又は読み取ることのできる一又はそれ以上のデバイスと結合される。従って、超伝導キュビットの第一の動作モードは、キュビットが外部環境に結合される際のキュビット状態の準備、及びキュビット状態の測定を含む。超伝導キュビットの第二の動作モードは、環境雑音によるデコヒーレンスが最小限に抑えられるように、キュビットが環境から切り離される際の量子計算を含む。従って、超伝導キュビットコンピューティングデバイスは、初期化及び測定の間、キュビットを環境に結合し、かつ量子計算の間、キュビットを環境から切り離す機構を提供する。これらの両方のモードの効率的な機能性、及び特に、それらの間の遷移は、既知の技術において解決されていない課題である。
【００１４】
２．３  複合キュビット
最近、位相及び電荷の両方を使って、情報を格納、操作、及び読み取るように動作する超伝導複合電荷−位相キュビットが提案され、実装された。複合キュビットは、従来の電荷キュビットと同様な構造を持つので、位相基底において一つの自由度を持ち、電荷基底においてもう一つの自由度を持つ。読み取りは、複合電荷−位相キュビットの位相を測定することを含むが、計算は、電荷又は位相のいずれかの自由度との相互作用を含むことができる。その全体が本出願に引用により組み入れられる、Ｖｉｏｎ他著，  ２００２，  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２９６，  ｐ．８８６を参照せよ。複合電荷−位相キュビットのアイランドは、中間視的なアイランドであるのに対して、それに接続されるの大量の超伝導体は中間視的ではない。超伝導複合電荷−位相キュビットは、上記の両方のモードで動作する見込みを実証したが、しかしながら、電荷の自由度の結果として、超伝導複合キュビットは、計算の間、有害な電荷雑音に苦しむ。この電荷雑音は、特に、一以上の電荷−位相キュビットを含むレジスタ内に含まれる時、望ましくないデコヒーレンス源である。従って、Ｖｉｏｎ他の複合電荷−位相キュビットの提案は、量子計算において満足のゆくものではない。
【００１５】
計量Γ＝４ＥC/ＥJは、キュビットが複合キュビットであるかどうかを示すことができる。Γが約１のとき、キュビットは複合キュビットである。複合キュビットに関して、１が何を意味するかについて、この技術分野において何の合意もない。幾つかのキュビットの例では、Γが１／８と８の間である時、キュビットは複合キュビットである。他のキュビットの例では、Γが１／４と４の間である時、キュビットは複合キュビットである。さらに他のキュビットの例では、Γが１／２と２の間である時、キュビットは複合キュビットである。
【００１６】
２．４  超伝導位相キュビット
超伝導位相キュビットはよく知られており、長いコヒーレンス時間実証されて、それを拡張性のある量子コンピューティングの候補にした。例えば、それらの全体が引用により本出願に組み入れられる、Ｏｒｌａｎｄｏ他著，  １９９９，  Ｐｈｙｓ  Ｒｅｖ．  Ｂ,  ６０,  １５３９８、及びＩｌ'ｉｃｈｅｖ他著,  ２００３,  「ジョセフソン磁束キュビットにおけるラビ発振の継続的な監視」,  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ９１,  ｐｐ.０９７９０６−１〜０９７９０６−４  を参照せよ。幾つかの他の形式の位相キュビットは、３以上又は３以下のジョセフソン接合を有する超伝導ループを備える。例えば、それらの全体が引用により本出願に組み入れられる、Ｂｌａｔｔｅｒ他著,  ２００１,  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ.  Ｂ６３,１７４５１１、及びＦｒｉｅｄｍａｎ他著,  ２０００,  Ｎａｔｕｒｅ  ４０６,  ｐ.４３  を参照せよ。位相キュビットはまた、電荷基底において、超伝導キュビットシステムにおける最も大きいデコヒーレンス源のうちの一つと考えられる揺らぎ又は雑音に影響されないので、電荷キュビットの提案を超える利点を持つ。
【００１７】
図１は、超伝導位相キュビットを示している。位相キュビットは、ジョセフソン接合１０１−１、１０１−２、及び１０１−３によって遮断される、超伝導体のループ１０３を備える。ジョセフソン接合は、典型的には、標準の製造プロセスを使って形成され、一般的には、材料堆積、及びリソグラフィ段階を含む。例えば、その全体が引用により本出願に組み入れられる、Ｙｕｄａ他著,  Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ２６,  Ｌ１６６−１６８,  １９８７  を参照せよ。ジョセフソン接合を作るための方法は、よく知られており、例えば、Ｒａｍｏｓ他著,  ２００１,  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ.  Ａｐｐ.  Ｓｕｐ.,  １１,  ９９８で説明されており、これは、その全体が引用により本出願に組み入れられる。一般的な基板は、例えば、シリコン、シリコン酸化膜、又はサファイアを含む。ジョセフソン接合はまた、例えば酸化アルミニウムのような絶縁材料も含むことができる。超伝導ループ１０３を形成するのに有用な超伝導体の例は、アルミニウム、及びニオブである。ジョセフソン接合は、約１０ナノメートル（ｎｍ）×１０ｎｍ〜約１０マイクロメートル（μｍ）×１０μｍの範囲のサイズを有する。一又はそれ以上のジョセフソン接合１０１は、キュビット内の他のジョセフソン接合とは異なる、接合のサイズ、接合の表面積、ジョセフソンエネルギー又は充電エネルギーのようなパラメータを持つ。位相キュビット内の任意の２つのジョセフソン接合間の差異は、αと称される係数で特徴付けられ、これは典型的には、約０．５〜約１．３の範囲である。幾つかの例では、位相キュビットにおけるジョセフソン接合のペアにおける項αは、それぞれのジョセフソン接合の臨界電流の比である。ジョセフソン接合の臨界電流は、もはやＤＣ超伝導電流を運搬しない接合を通る電流である。従って、例えば、接合１０１−１、及び１０１−２についての項αは、接合１０１−１の臨界電流と接合１０１−２の臨界電流との間の比と定義される。
【００１８】
図１Ａを参照すると、バイアス源１１０は、位相キュビット１０１に誘導結合される。バイアス源１１０を使用して、位相キュビット１０１を貫通するように磁束ΦXを通して、位相キュビットの状態の制御を提供する。幾つかの例では、位相キュビット１０１は、約０．２・Φ0と約０．８・Φ0の間の大きさを持つ磁束バイアスΦXで作動し、ここで、Φ0＝ｈｃ／（２ｅ）は磁束量子である。
【００１９】
位相キュビット１０１は、ジョセフソン接合１０１−１、１０１−２、及び１０１−３間の位相について、三次元の電位を有する。幾つかの例では、位相キュビット１０１は,磁束ΦXでバイアスされ、それにより、三次元電位特性はエネルギー局所極小点を含み、そこでは、エネルギー局所極小点は、小さなエネルギー障壁によって互いに分離され、かつ大きいエネルギー障壁によって他の領域と分離されており、これは、ジョセフソン接合１０１−１、１０１−２、及び１０１−３間の位相について、結局、実質上二次元の電位ということになる。幾つかの例では、この二次元電位は、各々が図１Ａの位相キュビット１０１内で時計回り及び反時計回りに循環する超伝導電流１０２を表している、左の井戸１６０−０、及び右の井戸１６０−１を含む二重井戸電位１００Ｂ（図１Ｂ）である。例えば、左の井戸１６０−０は、時計回りに循環する超伝導電流１０２−０を表し、右の井戸１６０−１は、反時計回りに循環する超伝導電流１０２−１を表すことができる。そのかわりに、左の井戸１６０−０が、反時計回りに循環する超伝導電流１０２−１を表し、右の井戸１６０−１が、時計回りに循環する超伝導電流１０２−０を表すこともできる。
【００２０】
幾つかの場合、キュビット１０１のループ１０３の内周で定められる面積は、０．０５μｍ2から２５０，０００μｍ2の間である。幾つかの場合、キュビット１０１のループ１０３の内周で定められる面積は、０．１μｍ2から２５０，０００μｍ2の間である。幾つかの場合、キュビット１０１のループ１０１の内周で定められる面積は、０．５μｍ2から１５０μｍ2の間である。幾つかの場合、キュビット２０１のループ１０３の内周で定められる面積は、０．５μｍ2から２．２５μｍ2の間である。一つの場合、キュビット１０１のループ１０３の内周で定められる面積は、１μｍ2である。幾つかの場合、キュビット１０１のループ１０３の内周で定められる面積は、ニオブ又はアルミニウムの臨界磁界によって特定される下限を有する。
【００２１】
図１Ｂに示すように、井戸１６０−０及び１６０−１が、それらが同じ、あるいはほぼ同じエネルギー電位であることを意味する縮退、あるいはほぼ縮退である時、位相キュビット１０１の量子状態は、基底状態のコヒーレントな重ね合わせとなり、デバイスを位相キュビットとして動作させることができる。縮退点、又は縮退に近い点を、本出願では、位相キュビットの計算動作の点と呼ぶ。位相キュビットの計算動作の間、キュビット内に格納される情報が、数個の位相状態にわたって配置され、かつ多くの電荷状態から離されるように、電荷及び位相の自由度が釣り合っている。次に、制御可能な量子効果を使って、量子コンピューティングの規則によって、それらの位相状態に格納される情報を処理することができる。これは、位相キュビットを、電荷雑音によって実質的に影響されない状態のままにし、それにより、キュビットを基底状態のコヒーレントな重ね合わせの状態に維持することができる時間を延ばす。
【００２２】
その全体が引用により本出願に組み入れられるＯｒｌａｎｄｏ他著、  １９９９、  Ｐｈｙｓ  Ｒｅｖ.  Ｂ，  ６０,１５３９８は、超伝導ループ、３つのジョセフソン接合、及び２つの容量結合された電圧源から構成される位相キュビットを説明する。Ｏｒｌａｎｄｏ他著では、容量結合された電圧源を使用して、位相キュビットのパラメータがゲート電圧によって影響されないことを実証している。Ｏｒｌａｎｄｏ他はまた、キュビットのペアに誘導結合するループを提供することから構成される、位相キュビットを結合するための方法も提案している。Ｏｒｌａｎｄｏ他の位相キュビット結合手法についての重大な制限は、結合が制御可能ではないということである。その全体が引用により本出願に組み入れられる、Ｉｌ'ｉｃｈｅｖ他著,  ２００３,  Ｐｈｙｓ.  Ｒｅｖ.  Ｌｅｔｔ.  ９１,０９７９０６は、高品質のタンク回路に結合された３−ジョセフソン接合磁束キュビットを使って、ラビ発振を継続的に観測する。
【００２３】
３つのジョセフソン接合、及び３つのアイランドを含む位相キュビットへの参照が与えられているが、その一方で、位相キュビットが、３以上又は３以下のジョセフソン接合、及び３以上又は３以下のアイランドを有することができることもわかるであろう。例えば、位相キュビットは、超伝導ループが４つのジョセフソン接合によって遮断され、それゆえ、４つのアイランドを持つこともできる。もう一つの例では、位相キュビットは、超伝導ループが５つのジョセフソン接合によって遮断され、それゆえ、５つのアイランドを持つこともできる。例えば、位相キュビットは、超伝導ループが１つのジョセフソン接合によって遮断され、それゆえ、１つのアイランドを持つこともできる。位相キュビットが、超伝導ループを２、６、７、８、９、１０、又はそれ以上のジョセフソン接合によって遮断される他の例も、位相キュビットの定義の範囲内である。
【００２４】
２．５  位相キュビット読み取り機構
位相キュビットが最も有望な超伝導キュビットの提案の一つであるという事実に関わらず、この技術分野には、満足のゆく位相キュビット読み取り方式が全く存在しない。例えば、上で説明したＯｒｌａｎｄ他、及びＩｌ'ｉｃｈｅｖ他は、それら自身重要な成果ではあるが、とはいえ、どちらの参考文献も、大きなデコヒーレンス源を生じさせることなく、位相キュビットにおける量子計算の結果を位測定することができる、満足のゆく位相キュビット読み取り機構を提供していない。
【００２５】
位相キュビット内に格納された情報は、ループ１０３内で循環する超伝導電流の方向（図１Ａ）と関連付けられるので、Ｏｒｌａｎｄｏ他は、巨視的に観測可能なループ内の磁束の検出を使って、キュビットの状態を検出する。位相キュビット内の磁束の検出は、直流電流超伝導量子干渉デバイス（ＤＣ−ＳＱＵＩＤｓ）のような、磁場に敏感なデバイスを必要とする。しかしながら、ＤＣ−ＳＱＵＩＤｓのようなデバイスの存在は、大きなデコヒーレンス源を生じさせる。さらに、位相キュビット間の誘導遮蔽は困難であり、それゆえ、位相キュビットは。他のキュビットとの不要な結合、従って制御可能なもつれ動作について、大きな拡張性問題に直面する。
【００２６】
２．６  中間視的システム
中間視的という語は、微視的と巨視的との間の中くらいのサイズの大きさの範囲を指している。凝縮物質に関して使用されるとき、この語は、しばしば、システムと組み合わせて使用される。中間視的システムは、単一粒子手法が知覚され得る結果を保持、及び与える、システムの部類である。中間視的システムにおいて単一粒子効果が顕著であると言うことも、同時に妥当である。中間視的システムでは、充分低い温度（ほぼケルビン以下）において、準粒子（「電子」）の位相コヒーレンス長がシステムのサイズを超えるので、量子干渉は重要である。これは、電子が中間視的システムを通り抜ける時、その「個性」を保持することを意味する。対象のサイズ規模は、バルク固体内に存在しない新しい物理現象の出現によって特定され、厳密な定義は全くないが、しかしながら、研究されているシステムは、通常、１００ナノメートルから１０００ｎｍの範囲である。その全体が引用により本出願に組み入れられる、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ  Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ,  ｖｏｌ.１０,  ｐ.７２２（８thｅｄ.  １９９７）を参照せよ。中間視的アイランドのような中間視的システムはまた、古典力学原理ではなく量子力学原理によって支配されるのに充分小さい如何なるシステムとも考えることができる。例えば、中間視的アイランドは、量子力学原理によって支配されるのに充分小さい一塊の超伝導体（例えば、ジョセフソン接合を境界とする超伝導ループの一部）とすることができる。一般的には、アイランドが中間視的であるためには、それは、低いマイクロメートルのレンジ、或いはそれより小さい大きさを持たなければならない。例示の中間視的アイランドは、０.２ミクロン或いはそれ以下の幅、１．０ミクロン或いはそれ以下の長さ、及び０．２ミクロン或いはそれ以下の厚さを持つ。
【００２７】
２．７  最新技術
上記の背景から、大きなデコヒーレンス源を生じさせることなく、キュビットの状態を読むことのできる拡張可能な読取機構の改良の必要性が存在する。さらに、キュビットの量子状態を制御可能にもつれさせるための方法の必要性も、この技術分野には存在する。
【００２８】
図面の幾つかの図の全体にわたって、同じ参照番号は、一致する部分を参照している。
【００２９】
（本発明の要約）
本発明は、従来技術で見出された制限に対処するものである。第一に、本発明は、大きなデコヒーレンス源を生じさせることなくキュビットの状態を読み取るための、拡張性のある読み取り機構を提供する。第二に、本発明は、制御可能な方法でキュビットの状態をもつれさせるためのシステム及び方法を提供する。
【００３０】
本発明の第一の側面は、超伝導位相−電荷キュビットを備える超伝導量子コンピューティング構造を提供する。超伝導位相−電荷キュビットは、少なくとも１つのアイランドを備える。超伝導量子コンピューティング構造は、さらに、位相−電荷キュビットの電荷を制御するための第一の機構、及び位相−電荷キュビットの電荷を検出するための第二の機構を備える。第一の機構、及び第二の機構は、各々、超伝導位相−電荷キュビットに容量接続されている。幾つかの実施形態では、第一の機構はゲート電荷を備える。幾つかの例では、このゲート電荷は、交流信号（ＡＣ）、及び直流信号（ＤＣ）成分を含む。幾つかの例では、ゲート電荷は、１ピコボルトから１ボルトの間の大きさを持つ電圧を、超伝導位相−電荷キュビットに加える。幾つかの実施形態では、第一の機構は、超伝導位相−電荷キュビットに結合されたゲートキャパシタンスを備える。幾つかの場合、このゲートキャパシタンスは、１ゼプトファラド（ｚＦ）から１００ピコファラド（ｐＦ）の間である。幾つかの実施形態では、第二の機構は、１ｚＦから１００ｐＦの間のキャパシタンスを持つ電位計（例えば、無線周波数信号電子トランジスタ）を備える。
【００３１】
本発明の第一の側面による幾つかの実施形態では、超伝導位相―電荷キュビットは、少なくとも１つのジョセフソン接合によって遮断される超伝導ループを備える。一例では、少なくとも３つのジョセフソン接合が存在し、そのうちの１つは、他とは異なる特性（例えば、臨界ジョセフソン電流）を持つ。他の例では、ループ内に３つのジョセフソン接合が存在し、各接合が異なる結合エネルギーを有する。幾つかの実施形態では、ループを作成するのに使用される超伝導体は、アルミニウム、ニオブ、それらの合金、或いはそれらの任意の組み合わせである。幾つかの実施形態では、ループ内のジョセフソン接合は絶縁層を含む。
【００３２】
本発明の第一の側面による幾つかの実施形態では、超伝導位相−電荷キュビットは、複数のジョセフソン接合によって遮断される超伝導ループを備える。複数のジョセフソン接合のうちの隣接する各ジョセフソン接合のペアは、超伝導位相−キュビットの少なくとの１つのアイランドの中のあるアイランドを定める。一例では、第一の機構が、位相−電荷キュビットの第一のアイランドに結合されており、第二の機構が、超伝導位相−電荷キュビットの異なるアイランドに結合される。
【００３３】
本発明の第一の側面による幾つかの実施形態は、さらに、その超伝導位相−電荷キュビットにバイアスをかけるための機構が超伝導位相−電荷キュビットに誘電結合されるように、超伝導位相−電荷キュビットにバイアスをかけるための機構を備える。幾つかの例では、このバイアスをかけるための機構は、超伝導位相−電荷キュビットに誘電結合され、それにより、磁界を超伝導位相−電荷キュビットに誘電結合させる。幾つかの例では、バイアスをかけるための機構は、０・Φ0から５・Φ0の間の大きさを持つ磁束を超伝導位相−電荷キュビットに加えることができ、ここでΦ0は磁束量子である。
【００３４】
本発明の第二の側面は、（ｉ）そのうちの少なくとも２つの位相−電荷キュビットが結合キャパシタンスを共有するような、複数の超伝導位相−電荷キュビット、及び（ｉｉ）前記少なくとも２つの超伝導位相−電荷キュビットの電荷を制御するための複数の第一の機構、を備える超伝導量子コンピューティング構造を提供し、ここで、前記複数の第一の機構は、前記少なくとも２つの超伝導位相−電荷キュビットの対応するキュビットと容量結合される。幾つかの実施形態では、前記少なくとも２つの超伝導位相−電荷キュビットが線形鎖を形成する。幾つかの実施形態では、前記結合キャパシタンスが、隣接する位相−電荷キュビット間で共有される。幾つかの例では、前記結合キャパシタンスが、１ｚＦから１００ナノファラド（ｎＦ）の間の値を持つ。
【００３５】
本発明の前記第二の側面による幾つかの実施形態では、前記第一の機構が、前記少なくとも２つの超伝導位相−電荷キュビットの各々に結合される（ｉ）ゲート電荷、或いは（ｉｉ）ゲートキャパシタンスを備える。幾つかの例では、前記ゲート電荷は、１ピコボルトから１ボルトの間の大きさを持つ電圧を、前記少なくとも２つの超伝導位相−電荷キュビットに加える。幾つかの実施形態は、さらに、前記少なくとも２つの超伝導位相−電荷キュビットの少なくとも一方の電荷を測定するための第二の機構を備える。
【００３６】
幾つかの実施形態はさらに、前記少なくとも２つの超伝導位相−電荷キュビットの各々にバイアスをかけるための機構を備える。このバイアスをかけるための機構は、前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの各々に、０Φ0から５Φ0の間の大きさを持つ磁束を加えることができる。
【００３７】
本発明の第三の側面は、（ｉ）超伝導位相―電荷キュビットの第一のアイランドの電荷を調整するステップ、及び（ｉｉ）前記超伝導位相−電荷キュビットの電荷を検出するステップを含む、前記超伝導位相−電荷キュビットの状態を測定するための方法を提供する。幾つかの例では、前記超伝導位相−電荷キュビットの電荷を検出するステップは、前記第一のアイランドの電荷を検出することを含む。幾つかの例では、前記超伝導位相−電荷キュビットの電荷を検出するステップは、前記第一のアイランド以外の、前記超伝導位相−電荷キュビットのアイランドの電荷を検出することを含む。幾つかの実施形態では、前記第一のアイランドの電荷を調整するステップは、（例えば、１ピコボルトから１ボルトの間の大きさを持つ）ゲート電荷を前記第一のアイランドに加えることを含む。
【００３８】
本発明の第四の側面は、超伝導位相−電荷キュビットのアイランドの電荷を継続時間Δｔ（例えば、０．１ピコ秒から５００ナノ秒の間）の間調整する、超伝導位相−電荷キュビットへのキュビット動作を実現するための方法を提供する。幾つかの実施形態では、この調整は、前記超伝導位相−電荷キュビットに、（例えば、１ピコボルトから１ボルトの間の大きさを持つ）ゲート電荷を加えることを含む。幾つかの例では、前記ゲート電荷は、直流信号成分、及び交流信号成分を含む。幾つかの実施形態では、前記交流信号成分はゼロの振幅を持ち、また幾つかの実施形態では、前記交流信号成分が、４００メガヘルツから５０ギガヘルツの間の周波数を持つ。
【００３９】
本発明の第五の側面は、キュビットに外部磁界が加えられる際の、超伝導位相−電荷キュビットへのキュビット動作を実現するための方法を提供する。幾つかの実施形態では、特定の形式の動作を実現するために、前記外部磁界が、特定の周波数を持つ時間の間変化する。前記磁界の周波数は、該磁界が加えられたキュビットの特性周波数に匹敵し得るものとすることができる。従って、本発明の実施形態は、所定の周波数で変化する前記磁界を前記キュビットに加えることを含むσX動作を提供する。前記可変磁界を加えるのと同時に、外部定磁界が、前記超伝導位相−電荷キュビットに、バイアスの半分の磁束量子（Φ0／２）を加える。前記σX動作が生じることを可能にする強さで、かつそれを可能にする時間の間、前記可変磁界を加える。
【００４０】
本発明のもう一つの実施形態では、σZ動作を、超伝導位相−電荷キュビットに加える。この動作を遂行するために、キュビットの状態が非縮退であるように、定外部磁界を、Φ0／２とは異なる値にセットする。可変磁界は全く加えない。σZ動作が生じることを可能にするのに充分な時間の間、定外部磁界を加える。σZ動作を遂行するのに必要な時間の合計は、Φ0／２からどれほど離れて超伝導位相−電荷キュビットが磁束バイアスされるか、の関数である。
【００４１】
本発明の更なる側面は、超伝導位相−電荷キュビットへのキュビット動作を実現するための方法を提供する。前記方法では、超伝導位相−電荷キュビットの第一のアイランドの電荷を、継続時間Δｔの間調整する。本発明のこの側面による典型的な実施形態では、超伝導位相−電荷キュビットは超伝導ループを備え、そこでは、該超伝導ループ内の複数のジョセフソン接合が、該超伝導ループ内で複数のアイランドを定める。前記複数のアイランドは、前述の第一のアイランドを含む。幾つかの実施形態では、前記調整するステップは、前記超伝導位相−電荷キュビットにゲート電荷を加えることを含む。このゲート電荷は、直流信号成分、及び交流信号成分を持つことができる。幾つかの例では、ゲート電荷は、直流信号成分を持ち、交流信号成分を全く持たない。幾つかの実施形態では、そのゲート電荷の大きさは、１ピコボルトから１ボルトの間である。幾つかの実施形態では、交流信号成分が、４００メガヘルツから５０ギガヘルツの間の周波数を持つ。幾つかの実施形態では、継続時間Δｔは、０．１ピコ秒から５００ナノ秒の間である。
【００４２】
本発明の更なる側面は、複数の超伝導位相−電荷キュビットをもつれさせるための方法を提供する。前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの全部、又は一部の各超伝導位相−電荷キュビットは、複数のジョセフソン接合によって遮断されるそれぞれの超伝導ループを備え、それにより、それぞれの超伝導ループ内に複数のアイランドを形成する。さらに、前記複数のアイランドの各々は、第一のアイランド、及び第二のアイランドを含む。本方法では、バスアイランドが、二又はそれ以上の第一のアイランドの各々に容量結合している。さらに、前記容量結合された二又はそれ以上の第一のアイランドの電荷は、継続時間Δｔの間調整される。幾つかの実施形態では、本方法はさらに、二又はそれ以上の第二のアイランドに容量結合された、読み取られるゲート電荷を調整することを含む。幾つかの実施形態では、第二のアイランドの調整は、ゲート電荷を前記二又はそれ以上の第二のアイランドに加えることを含む。幾つかの実施形態では、このゲート電荷の大きさは、１ピコボルトから１ボルトの間である。幾つかの実施形態では、継続時間Δｔは、１０ピコ秒から１０マイクロ秒の間、又は１ナノ秒から５００ナノ秒の間である。
【００４３】
本発明のまた更なる側面は、複数の超伝導位相−電荷キュビットの各超伝導位相−電荷キュビットの量子状態を読み取るための方法を提供する。本発明のこの側面において、前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの全部、又は一部の各超伝導位相−電荷キュビットは、複数のジョセフソン接合によって遮断されるそれぞれの超伝導ループを備え、それにより、それぞれの超伝導ループ内で複数のアイランドを集合的に形成する。本方法では、前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの全部、又は一部の各超伝導位相−電荷キュビット内の第一のアイランドに、読取装置が容量結合される。次に、前記容量結合された第一のアイランドの各々の電荷を調整する。次に、前記容量結合された第一のアイランドの各々上の電荷を読み取る。幾つかの実施形態では、本方法はさらに、前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの全部、又は一部の各超伝導位相−電荷キュビット内のアイランドに容量結合されたゲート電荷を調整することを含む。幾つかの実施形態では、前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの全部、又は一部の各超伝導位相−電荷キュビット内の第一のアイランドに、ゲート電荷が容量結合される。他の実施形態では、前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの各超伝導位相−電荷キュビット内の前記第一のアイランド以外のアイランドに、ゲート電荷が容量結合される。幾つかの実施形態では、前記調整するステップは、前記複数の超伝導位相−電荷キュビットの前記各第一のアイランドにゲート電荷を加えることを含む。幾つかの実施形態では、前記ゲート電荷の大きさは、１ピコボルトから１ボルトの間である。幾つかの実施形態では、前記読み取るステップは、前記各容量結合された第一のアイランド上の電荷を検出することを含む。
【００４４】
本発明の更なる側面は、量子コンピューティングの方法を提供する。本方法では、第一の超伝導位相−電荷キュビットの第一のアイランドの電荷は、継続時間Δｔの間調整される。前記第一の超伝導位相−電荷キュビットは超伝導ループを備え、そこでは、該超伝導ループを遮断する複数のジョセフソン接合が、集合的に、該超伝導ループ内で複数のアイランドを定める。前記複数のアイランドは、第一のアイランドを含む。前記第一の超伝導位相−電荷キュビットの動作点は、前記第一の超伝導位相−電荷キュビットの計算動作の点の中心から離れてバイアスされる。バイアスをかける間、前記第一の超伝導位相−電荷キュビットにゲート電荷を加える。前記第一の超伝導位相−電荷キュビットのアイランド、及び前記第二の超伝導位相−電荷キュビットの第一のアイランドが、各々電荷基底の状態にある時、前記第一の超伝導位相−電荷キュビットが、第二の超伝導位相−電荷キュビットの第二のアイランドに容量結合される。幾つかの実施形態では、前記調整するステップは、σZゲート動作を前記第一の超伝導位相−電荷キュビットに加える。幾つかの実施形態では、前記ゲート電荷は、直流信号成分、及び交流信号成分を含む。幾つかの実施形態では、前記交流信号成分は、約４００メガヘルツ（ＭＨｚ）から約５０ギガヘルツ（ＧＨｚ）の間の範囲の周波数を持つ。幾つかの実施形態では、ゲート電荷は、第一の超伝導位相−電荷キュビットに、σyパウリ行列を加える。
【００４５】
本発明の更なる側面は、第一の超伝導位相−電荷キュビット、及び第二の超伝導位相−電荷キュビットを使った量子コンピューティングの方法を提供する。本発明のこの側面において、継続時間ｔ1の間、第一の超伝導位相−電荷キュビットのアイランドに、第一のゲート電荷を加える。継続時間ｔ2の間、前記第二の超伝導位相-電荷キュビットのアイランド上に第二のゲート電荷を加える。前記第一の超伝導位相-電荷キュビットのアイランドは、継続時間ｔ3の間、前記第二の超伝導位相-電荷キュビットのアイランドに容量結合される。幾つかの実施形態では、前記継続時間ｔ1の全部又は一部が、前記継続時間ｔ2の全部又は一部と重なるように、前記第一の加えるステップ、及び前記第二の加えるステップが同時に実施される。幾つかの実施形態では、前記継続時間ｔ1の全部又は一部が前記継続時間ｔ3の全部又は一部と重なるように、前記第一の加えるステップ、及び前記容量結合するステップが同時に実施される。幾つかの実施形態では、前記継続時間ｔ2の全部又は一部が前記継続時間ｔ3の全部又は一部と重なるように、前記第二の加えるステップ、及び前記容量結合するステップは、同時に実施される。幾つかの実施形態では、前記継続時間ｔ1、前記継続時間ｔ2、及び前記継続時間ｔ3の各々の全部又は一部が互いに重なるように、前記第一の加えるステップ、前記第二の加えるステップ、及び前記容量結合するステップが、同時に実施される。
【００４６】
本発明の更なる側面は、第一の超伝導位相-電荷キュビット、及び第二の超伝導位相-電荷キュビットを使った量子コンピューティングの方法を提供する。本方法は、
（ｉ）前記第一の超伝導位相-キュビットの第二のアイランドが、位相基底の状態にとどまっている間に、継続時間ｔ1の間、前記第一の超伝導位相-電荷キュビットの第一のアイランド上に、第一のゲート電荷を加えるステップ、
（ｉｉ）前記第二の超伝導位相-キュビットの第二のアイランドが位相基底の状態にとどまっている間に、継続時間ｔ2の間、前記第二の超伝導位相-電荷キュビットの第一のアイランド上に、第二のゲート電荷を加えるステップ、及び
（ｉｉｉ）継続時間ｔ3の間、前記第一の超伝導位相-電荷キュビットの第一のアイランドを、前記第二の超伝導位相-電荷キュビットの第一のアイランドに容量結合させるステップを含む。本発明のこの側面による幾つかの実施形態では、本方法はさらに、前記第一の超伝導位相-電荷キュビットの状態を読み取ることを含む。幾つかの実施形態では、前記読み取りの間、前記第一の超伝導位相-電荷キュビットの第一のアイランドから、第一の電荷を取り除き、かつ前記読み取りの間、前記第二の超伝導位相−電荷キュビットの前記第一のアイランドから、第二の電荷を取り除く。
本発明のまた更なる側面は、超伝導ループを備える超伝導位相−電荷キュビットを提供する。本発明のこの側面において、複数のジョセフソン接合の各ジョセフソン接合が、超伝導ループを遮断する。前記複数のジョセフソン接合の各ジョセフソン接合は、ジョセフソンエネルギーを持つ。
さらに、前記超伝導ループは、複数の中間視的アイランドを備える。前記複数の中間視的アイランドの各中間視的アイランドは、前記複数のジョセフソン接合の隣接するジョセフソン接合によって定められる、前記超伝導ループの一部である。前記複数のジョセフソン接合のうちの最小のジョセフソン接合は、前記複数のジョセフソン接合のうちの最大のジョセフソン接合のジョセフソンエネルギーの１／４のジョセフソンエネルギーを持つ。超伝導ループは、前記複数のジョセフソン接合のうちの最大のジョセフソン接合のジョセフソンエネルギーの１／８から８倍の間の充電エネルギーを持つ。幾つかの実施形態では、超伝導ループは、前記複数のジョセフソン接合のうちの最大のジョセフソン接合のジョセフソンエネルギーの１／４から４倍の間の充電エネルギーを持つ。幾つかの実施形態では、超伝導ループは、前記複数のジョセフソン接合のうちの最大のジョセフソン接合のジョセフソンエネルギーの１／２から２倍の間の充電エネルギーを持つ。幾つかの実施形態では、超伝導位相−電荷はさらに、前記複数の中間視的アイランドのうちの第一の中間視的アイランドに容量結合された電圧源を備える。いくつかの実施形態では、超伝導位相―電荷は、さらに前記複数の中間視的アイランドのうちの第二のアイランドをグランドに直流電気結合させる超伝導体の領域を備える。
【００４７】
５．詳細な説明
本発明により、位相−電荷キュビットの状態を位相基底、或いは電荷基底に制御可能に配置することのできる、超伝導位相−電荷キュビットの量子状態を検出、及び制御するための構造及び方法を説明する。本発明の幾つかの実施形態では、電荷基底における配置は、それを使用して位相−電荷キュビットの状態を測定することのできる、検出可能な量を提供する。特に、前記検出可能な量は、位相−電荷キュビットのアイランドの電荷である。さらに、電荷基底における配置を使用して、様々なキュビットの状態を、制御可能な方法でもつれさせることができる。本発明の位相−電荷キュビットは、Ｖｉｏｎ他の複合位相−電荷キュビットとは異なる。Ｖｉｏｎ他の複合電荷−位相キュビットは、実際には、電荷又は位相の領域で動作することのできる電荷キュビット構造である。その全体が引用により本出願に組み入れられる、Ｖｉｏｎ他著,  ２００２,  Ｓｃｉｅｎｃｅ，  ２９６,８８６を参照せよ。これに対して、本発明の位相−電荷キュビットは、電荷又は位相領域で動作することのできる位相キュビット構造である。本発明の実施形態は、量子効果が支配することを可能にするのに充分低い温度で動作する。例えば、本発明の幾つかの実施形態では、量子回路は、２００ミリケルビン又はそれ以下、１００ミリケルビン又はそれ以下、或いは５０ミリケルビン又はそれ以下で動作する。
【００４８】
本発明により、位相−電荷キュビットの測定、及び制御を実施するための、拡張性のある構造及び方法が提案されている。本発明の幾つかの実施形態は、超伝導体の超伝導凝縮物の位相−電荷不安定性を利用することにより、位相−電荷キュビットのシングルショット読み取りを実施するための構造、及び方法を提供する。本発明の幾つかの実施形態は、位相−電荷キュビットを制御可能にもつれさせるための構造、及び方法を提供する。
【００４９】
図１Ａを参照すると、位相キュビットの計算動作の間、位相キュビット内の量子情報は、位相状態の重ね合わせとして格納される。検出可能な位相状態は、典型的には、ループ１０３内で循環する時計回り１０２−０、及び反時計回りの１０２−１の超伝導電流で表される。時計回り１０２−０、及び反時計回り１０２−１の超伝導電流は、それぞれ、図１Ｂの基底状態（位相状態）１０２−０、及び１０２−１を表している。
【００５０】
位相基底において格納された量子情報に、有用な量子動作を実施することができる。位相キュビットのアイランドに電荷を加えることができ、それは、電荷基底に対するキュビットの感度を増大させ、キュビットの状態に対する電荷制御を可能にする。次に、本発明により、位相キュビット内に格納された情報を制御および測定するために、位相キュビットの電荷の操作及び測定を使用する。位相キュビットのアイランドが、第一及び第二のジョセフソン接合１０１を境界とするループ１０３の一部分であることを、図１Ａを使って図示している。例えば、位相キュビット１０１のアイランドを、ジョセフソン接合１０１−１、及び１０１−２の両方を境界とするループ１０３の一部分、と定義することができる。
【００５１】
図２は、位相−電荷キュビットの電荷を制御し、読み取りを実施するためのシステム２００を示している。システム２００は、３つのジョセフソン接合２０１を持つ位相−電荷キュビット２０１を備える。システム２００は、ゲート電荷２２０−１を位相−電荷キュビット２０１のアイランド２０１−Ｉに提供するために、そのアイランドに結合された電荷制御装置２２０をさらに含む。ここで、アイランド２０１−Ｉは、ジョセフソン接合２０１−１及び２０１−３の両方を境界とする、位相−電荷キュビット２０１の一部分と定義される。一実施形態では、位相−電荷キュビット２０１のアイランド２０１−Ｉに結合されたゲートコンデンサ２２０−２を使って、ゲート電荷２２０−１を容量性の方法で加える。コンデンサ２２０−２は、約１ゼプトファラド（ｚＦ）から約１ピコファラド（ｐＦ）の範囲のキャパシタンスを持つことができる。システム２００はさらに、位相−電荷キュビット２０１に誘電結合されるバイアス源１１０を含む。バイアス源１１０を使用して、位相−電荷キュビット２０１を貫通するように磁束Φxを通して、位相−電荷キュビットの状態の制御を提供する。本発明の幾つかの実施形態では、位相電荷キュビット内の一又はそれ以上のアイランドが、中間視的なサイズである。
【００５２】
電荷制御装置２２０は、位相−電荷キュビット２０１の電荷を調整することができ、アイランド２０１−Ｉ上の電荷Ｑを、コンデンサ２３０−２を通してアイランド２０１−Ｉに容量結合される読み取り装置２３０によって検出することができる。本発明の幾つかの実施形態では、電荷制御装置２２０、及び読み取り装置２３０は同じである。言い換えると、読み取り装置を使用して、位相−電荷キュビット２０１の動作点を制御し、必要に応じて、位相−電荷キュビット２０１のアイランド２０１−Ｉ上の電荷Ｑを選択的に検出する。本発明のこの側面による幾つかの実施形態では、読み取り装置２３０は、その装置２３０の動作点を調整するためのゲート電荷を含む。結果として、ゲート電荷は、装置２３０の電荷を制御する。この装置２３０上の電荷は、装置２３０のゲート電荷を調整することがアイランド２０１−Ｉの電荷を調整するような方法で、アイランド２０１−Ｉに容量結合されることができる。従って、そのような実施形態では、アイランド２０１−Ｉの電荷を読み取り装置２３０によって直接制御することができ、別個の電荷制御装置２２０を必要としない。本発明の幾つかの実施形態では、読み取り装置２３０と位相−電荷キュビット２０１のアイランド２０１−Ｉとの間の容量結合は、約１ｚＦから約１ｐＦの範囲である。
【００５３】
本発明の幾つかの実施形態では、キュビット量子状態の読み取りの間、電荷を検出することに加えて、或いは電荷を検出するのではなく、電圧を測定する。本発明の幾つかの実施形態では、コンデンサ２３０−２間の電圧を測定することにより、アイランド２０１−Ｉ上の電荷Ｑを検出する。如何なる特定の理論に限定されない一方で、コンデンサ２３０−２間の電圧を測定することにより、電荷の期待値が測定されると信じられている。電荷の期待値が、コンデンサ２３０−２のキャパシタンスによって電圧に関連付けられるので、電圧を測定することによってアイランド２０１−Ｉのようなキュビットの一部上の電荷の検出は、電荷を検出することと一致している。本発明の幾つかの実施形態では、キュビットのその部分上の電荷＜Ｑ＞＝ＣΣＶ  を検出する時、キュビットの全体のキャパシタンスが明らかにされ、ここで、Ｖはキャパシタ間の電圧であり、ＣΣは、キュビットの電荷が常駐する部分の有効キャパシタンスであり、かつ＜Ｑ＞は電荷の期待値である。
【００５４】
本発明の幾つかの実施形態では、電荷を操作又は制御するのと等価なステップとして、キュビットの一部分（例えば、アイランド）に電圧を加える。本発明の幾つかの実施形態では、コンデンサ間に電圧を加えることにより、アイランド２０１−Ｉ上の電荷Ｑを操作する。キュビットの一部の電荷への容量結合電圧が有する効果は、キュビットを電圧に結合させる機構のキャパシタンスに依存する。幾つかの実施形態では、結合機構は、コンデンサ２３０−２である。Ｖ＝ｅ／（２Ｃ）の電圧を加えることにより、一つの単位電荷を、キュビットの一部（例えば、アイランド）上に誘導することができ、ここで、Ｃは結合機構のキャパシタンスである。本発明の幾つかの実施形態では、その一部分上の電荷を検出した時、キュビットの全体のキャパシタンスが明らかにされ、ここで、Ｖ＝ｅ／（２ＣΣ）であり、ここでＣΣは、キュビットの電荷が常駐する部分の有効キャパシタンスであり、ｅは電気素量である。
【００５５】
本発明により、位相−電荷キュビットの計算動作の間、基底状態の重ね合わせとして情報を格納する。位相−電荷キュビットの基底状態は、典型的には、時計回り、及び反時計回りに循環する永久電流によって表され、それらはそれぞれ、｜Ｌ＞、及び｜Ｒ＞と示される。本出願では位相−電荷キュビットのエネルギー状態と呼ばれる、位相−電荷キュビットの重ね合わせ状態は、（｜Ｌ＞−｜Ｒ＞）／√２、及び（｜Ｌ＞＋｜Ｒ＞）／√２と示される。本発明の幾つかの実施形態では、電荷基底における位相−電荷キュビットの測定は、位相−電荷キュビットのエネルギー状態についての情報をもたらす。
【００５６】
本発明の実施形態により、位相−電荷キュビット２０１の電荷状態を検出するための方法は、ゲート電荷２２０−１を位相−電荷キュビット２０１のアイランド２０１−Ｉに加えるように、ゲート電荷２２０−１を第一のレベルに調整し、アイランド２０１−Ｉの電荷Ｑを検出することを含む。ゲート電荷２２０−１がアイランド２０１−Ｉの電荷をゼロから隔てて調整するとき、位相−電荷キュビット２０１のアイランド２０１−Ｉ上の電荷Ｑは、位相−電荷キュビットのエネルギー状態に依存するであろう。例えば、ゲート電荷２２０−１の付加の直前のキュビット２０１の位相が、完全にキュビット２０１の第一のエネルギー状態（例えば、（｜Ｌ＞−｜Ｒ＞）／√２）にあった場合を考える。ゲート電荷２２０−１の付加時、キュビット２０１のアイランド２０１−Ｉは、この第一のエネルギー状態に特有な第一の電荷状態を採択するであろう。これに対して、ゲート電荷２２０−１の付加の直前のキュビット２０１の位相は、完全にキュビット２０１の第二のエネルギー状態（例えば、（｜Ｌ＞＋｜Ｒ＞）／√２）にある場合には、電荷２２０−１の付加時、キュビット２０１のアイランド２０１−Ｉは、第二のエネルギー状態に特有な第二の電荷状態を採択するであろう。第一及び第二の電荷状態は、前もって知られており、任意に、又はシステムのモデル化により、或いは量子プロセス断層撮影によって、特徴付けることができる。量子プロセス断層撮影の例として、Ｄ’Ａｒｉａｎｏ及びＬｏ  Ｐｒｅｓｔｉ著,  ２００１,  Ｐｈｙｓ.Ｒｅｖ.Ｌｅｔｔ.８６,ｐｐ.４１９５−４１９８、Ｍａｒｔｉｎｉ他著,  ２００２,  ａｒＸｉｖ：ｑｕａｎｔ−ｐｈ／０２１０２１０  ｖｌ、及びＢｏｕｌａｎｔ他著,  ２００２,  ａｒＸｉｖ：ｑｕａｎｔ−ｐｈ／０２１１０４６  ｖ１を参照せよ、これらは全て引用により本出願に組み入れられる。
【００５７】
このように、アイランド２０１−Ｉ上の電荷が、アイランド２０１−Ｉ上のクーパ対電荷の異なる平均数によりキュビットのエネルギー状態を表現する、情報状態の基底を表している。幾つかの実施形態では、位相−電荷キュビットは、ゲート電荷２２０−１の付加の直前には、エネルギー状態の重ね合わせの状態である。そのような実施形態では、キュビット２０１のアイランド２０１−Ｉの測定は、その重ね合わせを、それぞれのエネルギー状態の確率振幅に従って、２つの可能なエネルギー状態の一方に折り畳むであろう。例えば、位相−電荷キュビットが、読み取り時に、その位相−電荷キュビットが第一のエネルギー状態に折り畳まれる確率が７３％あり、その位相−電荷キュビットが第二のエネルギー状態に折り畳まれる確率が対応する２７％存在するようなエネルギー状態の重ね合わせの状態にある場合を考える。キュビット２０１のアイランド２０１−Ｉの測定は、その基底状態の重ね合わせを、（７３％の確率で）第一のエネルギー状態、或いは（２７％の確率で）第二のエネルギー状態のいずれかに折り畳むであろう。従って、本発明の装置及び方法を使って、量子計算を実行することができ、次に、その結果を電荷状態として読み取るが、ここで、各電荷状態は、対応するキュビットの波動関数の、２つのエネルギー状態の一方への折り畳みを表している。このように、本装置及び方法を使って、量子計算の結果を読み取ることができる。量子測定、及び量子計算についてのより多くの詳細を、Ｎｉｅｌｓｅｎ及びＣｈｕａｎｇ著,  ２０００,「量子計算及び量子情報」,  Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ,  Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ,ｐｐ.８３−９４で見つけることができ、これは、その全体として引用により本出願に組み入れられる。
【００５８】
より詳細には、位相−電荷キュビット２０１に結合されたゲート電荷２２０−１が、準電荷、又は有効電荷Ｑg＝ＣgＶgを持ち、ここで、Ｑgはゲート電荷であり、Ｃgはゲートコンデンサ、及びＶgはゲート電圧である。本発明の幾つかの実施形態では、位相−電荷キュビット２０１のアイランド２０１−Ｉ上の電荷Ｑqは、ゲート電荷についての位相−電荷キュビット２０１のエネルギーの微分に依存する。
2007504655.tif 000005
ここで、ＣΣ＝Ｃ1＋Ｃg＋［Ｃ2-1＋（Ｃ3＋Ｃg）-1］-1は有効キャパシタンスであり、Ｃiは、ジョセフソン接合２０１−１,２０１−２,及び２０１−３のそれぞれのキャパシタンスである。本発明の幾つかの実施形態では、ゲート電荷Ｑg＝０,Ｍｏｄ（２ｅ）であるとき、エネルギー微分はゼロであり、ここで、ｅは電子の電荷である。Ｑg＝ｅ／２において、最大差分は、第一の励起状態の電荷Ｑ1と磁束キュビット２０１のグラウンド状態の電荷Ｑ0との間に存在する。それゆえ、本発明により、位相−電荷キュビットの位相状態を、位相−電荷キュビットの電荷と関連付けることができ、かつ、ゲート電荷を調整し、位相−電荷キュビットの電荷Ｑを検出することにより、直接測定することができる。
【００５９】
本発明の幾つかの実施形態では、位相−電荷キュビット内のジョセフソン接合の充電エネルギーＥCは、その接合のジョセフソンエネルギーＥJに匹敵するものである。ジョセフソン接合の充電エネルギーは、ｅ2／（２Ｃ）と定義され、ここでＣは、位相−電荷キュビット内の最大ジョセフソン接合のキャパシタンスである。その接合が位相領域又は電荷領域のどちらで動作しているかどうかを特定する、ジョセフソン接合の充電エネルギーＥCとジョセフソンエネルギーＥJとの間の比率は、約０．０１から約１０の間の範囲とすることができる。幾つかの実施形態では、ＥC／ＥJは、約０．０５から約０．５の間の範囲である。より低い比率は、その接合がよりいっそう位相領域内にあることを示している。本発明の幾つかの実施形態では、位相−電荷キュビット内のジョセフソン接合のジョセフソンエネルギーは、０．６μｅＶから６６０μｅＶの間、６０μｅＶから４００μｅＶの間、又は１００μｅＶから５００μｅＶの間である。本発明の幾つかの実施形態では、位相−電荷キュビット内のジョセフソン接合のジョセフソンエネルギーＥJは、１１２μｅＶである。
【００６０】
本発明の幾つかの実施形態では、係数αはもはや、それぞれのジョセフソン接合の臨界電流の比率を表現するのに充分ではない。位相−電荷キュビット内の各ジョセフソン接合は、異なる値を持つであろう。ジョセフソン接合の臨界電流は、もはやＤＣ超伝導電流を運搬しない接合を通る電流である。本発明の幾つかの実施形態では、各接合の臨界電流、そのためジョセフソンエネルギー
2007504655.tif 000006
は一意の値を持つことができる、或いは、同じ位相−電荷キュビット内の他のジョセフソン接合と等価な値を持つことができる。本発明の幾つかの実施形態では、二又はそれ以上のジョセフソン接合の臨界電流は同じである。本発明の幾つかの実施形態では、三又はそれ以上のジョセフソン接合の臨界電流が同じである。本発明の幾つかの実施形態では、一つのジョセフソン接合を除く、全てのジョセフソン接合の臨界電流が同じである。本発明の幾つかの実施形態では、全てのジョセフソン接合の臨界電流が同じである。
【００６１】
本発明の幾つかの実施形態では、係数αを使用して、位相−電荷キュビット内のジョセフソン接合のジョセフソンエネルギーを、キュビット内の他の全てのジョセフソン接合、キュビット内の他の幾つかのジョセフソン接合、又はキュビット内の他のジョセフソン接合の一つのジョセフソンエネルギーを基準にして特徴付ける。従って、例えば、項αは、接合２０１−１の臨界電流と接合２０１−３の臨界電流との間の比率である。幾つかの実施形態では、複数の係数αp、qを割り当てなければならず、ここで、ｐ、ｑは適当に選択された添え字である。
【００６２】
本発明の実施形態では、係数αを如何なる値とも仮定することができる。本発明の実施形態では、係数αは、限定された範囲に制限されて、計算、及び位相−電荷キュビットの設計を単純化する。幾つかの実施形態では、αは、０．０４から２５の範囲である。幾つかの実施形態では、αは、０．０５から１８の範囲である。幾つかの実施形態では、αは、０．０６から１５の範囲である。幾つかの実施形態では、αは、０．２５から４の範囲である。幾つかの実施形態では、０．５から２の範囲である。幾つかの実施形態では、αは０．７１である。幾つかの実施形態では、αは０．９である。
【００６３】
本発明の幾つかの実施形態では、各キュビット２０１の内周で定められる面積は、０．０５μｍ2から２５０，０００μｍ2の間である。本発明の幾つかの実施形態では、各キュビット２０１の内周で定められる面積は、０．１μｍ2から２５０，０００μｍ2の間である。本発明の幾つかの実施形態では、各キュビット２０１の内周で定められる面積は、０．５μｍ2から１５０μｍ2の間である。本発明の幾つかの実施形態では、各キュビット２０１の内周で定められる面積は、０．５μｍ2から２．２５μｍ2の間である。本発明の実施形態では、キュビット２０１の内周で定められる面積は１μｍ2である。本発明の幾つかの実施形態では、各キュビット２０１の内周で定められる面積は、ニオブ、又はアルミニウムの臨界磁界によって特定される下限を持つ。
【００６４】
本発明の実施形態により、電位計装置を使って、位相−電荷キュビットの電荷を検出する。電位計は、無線周波単一電子トランジスタ（ｒｆ−ＳＥＴ）、又は超伝導ＳＥＴ或いはＳＳＥＴを含む他の形式のＳＥＴを含む。本発明の実施形態に役立つ電位計は、１×１０-6ｅ／√Ｈｚから１×１０-2ｅ／√Ｈｚの範囲の感度を持つことができる。これらの要件を満たす電位計は、この技術分野でよく知られており、電荷キュビットの状態を測定するために使用されている。例えば、それらの全体が引用により本出願に組み入れられる、Ｐａｓｈｋｉｎ他著,  ２００３,  Ｎａｔｕｒｅ  ４２１,８２３、Ｌｅｈｎｅｒｔ他著,  ２００３,  ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ  ９０,０２７００２、及びＡｓｔａｆｉｅｖ他著,  ２００４,「ジョセフソン電荷キュビットのシングルショット測定」,  ＬＡＮＬ  ｐｒｅｐｒｉｎｔ  ｓｅｒｖｅｒ,  ｃｏｎｄ−ｍａｔ／０４０２６１９を参照せよ。
【００６５】
図３は、電荷制御装置２２０が（ジョセフソン接合２０１−１、及び２０１−３で定められる）アイランド２０１−Ｉ−１に接続され、かつ読み取り装置２３０が（ジョセフソン接合２０１−１、及び２０１−２で定められる）異なるアイランド２０１−Ｉ−２に接続された本発明の実施形態３００を示している。本発明により、位相−電荷キュビットのアイランドのいずれか１つにゲート電荷を加える時、位相−電荷キュビットのアイランド２０１−Ｉ−１，２０１−Ｉ−２，又は２０１−Ｉ−３のうちの一又はそれ以上のアイランドの電荷は、位相状態に依存する。図３に示すように、位相−電荷キュビット２０１が、アイランド２０１−Ｉ−１，２０１−Ｉ−２．及び２０１−Ｉ−３を含む。アイランド２０１−Ｉ−１にゲート電荷２２０−１を加えることができ、読み取り装置２３０を使って、第二のアイランド（例えば、２０１−Ｉ−２）の電荷を測定することができる。本発明の幾つかの実施形態では、電荷制御装置２２０、及び読み取り装置２３０は、位相−電荷キュビット２０１のいずれかのアイランドに接続する。従って、本発明は、電荷制御装置２２０、及び読み取り装置２３０が同じアイランドに接続される実施形態に限定されない。実際には、幾つかの実施形態では、電荷制御装置２２０、及び読み取り装置２３０が、異なるアイランドに接続される。
【００６６】
位相−電荷キュビットの実施形態の例
位相−電荷キュビットが、位相領域か、或いは電荷領域のいずれかで動作することができるということを除いて、位相−電荷キュビットは、位相キュビットと同様である。位相−電荷キュビットは、ジョセフソン接合の遮断がそのループ内のアイランドを切り離すような、二又はそれ以上のジョセフソン接合によって遮断される超伝導ループを備える。量子情報は、そのようなキュビットの位相基底、及び電荷基底において制御される。基板を作成するために使用される材料、及びそのような位相−電荷キュビットの超伝導ループ及びジョセフソン接合を作成するために使用される材料を含む、位相−電荷キュビットを作成するために使用される材料、及び製造方法は、図１と組み合わせて上で示した位相キュビットを作成するために使用される材料と同じである。さらに、特に示されない限り、このような位相−電荷キュビットの超伝導ループ、及びジョセフソン接合の大きさ、及び仕様は、図１と組み合わせて上で示した位相キュビットの対応する要素の大きさ、及び仕様と同じである。
【００６７】
幾つかの実施形態では、位相−電荷キュビットは、超伝導ループを二又はそれ以上のジョセフソン接合によって遮断され、それにより、超伝導ループ内に二又はそれ以上のアイランドを定める。位相−電荷キュビットの量子状態を制御するために、かつ、他の位相−電荷キュビットの量子状態ともつれさせるために、アイランドの一つ（制御アイランド）を使用する。もう一つのアイランドを接地する。幾つかの実施形態では、制御アイランドは、ゲート電荷と接続する。ゲート電荷は、キュビット状態を読み取ることのできる任意の機構である。制御アイランドはまた、電荷基底において他の位相−電荷キュビットに結合するための機構とも接続する。
【００６８】
図７Ａは、位相−電荷キュビット７１２を備えるシステム７００を概略的に示している。キュビット７１２は、２つのジョセフソン接合７６０によって遮断されて、アイランド７０１−Ｉ１及び７０１−Ｉ２を形成する超伝導ループ７５０を備える。アイランド７０１−Ｉ２は、グラウンドに容量接続される。アイランド７０１−Ｉ１は、リード線７０５−１、７０５−２、及び７０５−３に容量接続される。ゲート電荷を加える、位相−電荷キュビット７１２の状態を測定する、或いはバス又は量子レジスタ内の他の位相−電荷キュビットに結合させるような目的のために、或いは、そのような目的の任意の組み合わせのために、リード線７０５を使用することができる。幾つかの実施形態では、図７Ａに示されたリード線の数より多い、又は少ないリード線７０５が存在する。
【００６９】
図７Ｂを参照すると、本発明の幾つかの実施形態では、位相−電荷キュビット７２０を備えるシステム７８０が、ループ７５０内に４つのジョセフソン接合７６０を持ち、それにより、ループ７５０内に４つのアイランド７０１を形成する。量子状態を制御し、量子状態と相互作用するために、第一、第二、及び第三のアイランド７０１を使用するが、その一方で、第四のアイランド（７０１−Ｉ４）は接地される。図７Ｂを参照すると、幾つかの実施形態では、接地されたアイランドであるアイランド７０１−Ｉ２を、位相−電荷キュビット７０１の状態を測定するために使用し、また、ゲート電荷を加えるためにも使用することができる。位相−電荷キュビット７２０は、複数のキュビットを収容する量子レジスタの一部とすることができる。そのような量子レジスタにおいて、第一のリード線７０５−Ｉ１、及び第三のリード線７０５−３を使用して、位相−電荷キュビット７２０を他の位相−電荷キュビットと結合させることができる。リード線７０５は、前で説明した方法での結合構成であることに制限されず、むしろ、ゲート電荷、読み取り機構、又は結合機構のいずれか一つ、或いはそれらの任意の組み合わせに結合されることができる。例えば、幾つかの実施形態では、量子レジスタは、バス結合方式、或いは最近隣接結合方式を使用することができる。
【００７０】
位相−電荷キュビットは、超伝導ループを遮断する二又はそれ以上のジョセフソン接合を有することができる。超伝導ループが２つ（図７Ａ）、及び４つ（図７Ｂ）のジョセフソン接合を持つ位相−電荷キュビットの例を示した。図７に示されない他の実施形態では、各位相−電荷ジョセフソン接合は、超伝導ループを遮断する３、５、６、７、又は７以上のジョセフソン接合を持つ。位相−電荷キュビットの全てのそのような実施形態では、位相−電荷キュビットの一又はそれ以上のアイランドを、グラウンドに直接接続する。
【００７１】
電荷基底を使用して、位相−電荷キュビットを結合する
図４は、第一の位相−電荷キュビット２０１−１及び第二の位相−電荷キュビット２０１−２、ならびに、それぞれ位相−電荷キュビット２０１−１及び２０１−２の読み取り装置２３０−１及び２３０−２を制御可能に結合するための構造４００を示している。構造４００は、位相−電荷キュビット２０１−１に容量接続された第一の電荷制御装置２２０−１及び第二の電荷制御装置２２０−２、加えて、位相−電荷キュビット２０１−２に容量接続された第三の電荷制御装置２２０−３及び第四の電荷制御装置２２０−４を備える。構造４００は、磁束バイアスをキュビット２０１−１に加えるためのバイアス源１１０−１、及び磁束バイアスをキュビット２０１−２に加えるためのバイアス源１１０−２を持つ。
【００７２】
位相−電荷キュビット２０１−１及び２０１−２は、コンデンサ４４０によって、互いに容量接続される。第一と第二の位相−電荷キュビット間の容量接続にもかかわらず、位相−電荷キュビット２０１のうちの一つの位相基底において格納された量子情報は、位相−電荷キュビットの各々におけるアイランド上にゲート電荷が導入されない限り、他の位相−電荷キュビット２０１の位相基底において格納された量子情報に影響を及ぼさない、或いはそれらともつれるようにはならないであろう。アイランド上へのゲート電荷の導入は、そのアイランドを電荷基底に置く。
【００７３】
電荷制御装置２２０−１−１及び２２０−２−１は、位相−電荷キュビット２０１−１のアイランド２０１−１−Ｉ−１及びアイランド２０１−１−Ｉ−２の電荷を、それぞれ調整することができる。システム４００はさらに、位相−電荷キュビット２０１−２のアイランド２０１−２−Ｉ−１及びアイランド２０１−２−Ｉ−２の電荷をそれぞれ調整することのできる、電荷制御装置２２０−３−１及び２２０−４−１を含む。位相−電荷キュビット２０１の電荷を変化させることは、その位相−電荷キュビット上に、その位相−電荷キュビットのエネルギー状態の関数として電荷を誘導し、それゆえ、位相−電荷キュビット２０１で格納された量子情報を電荷基底に影響されやすくなるようにする。
【００７４】
本発明により、位相−電荷キュビット２０１間の容量接続４４０は、その位相−電荷キュビットのアイランド２０１−１−Ｉ−１と２０１−２−Ｉ−１の間で電荷が相互作用することを可能にする。位相−電荷キュビット２０１内の量子情報を、制御可能に電荷基底に調整することができる。電荷基底にある時、位相−電荷キュビット２０１の一つの中の電荷は、他の位相−電荷キュビット２０１内の電荷に影響を及ぼし、それにより、２つの位相−電荷キュビット間の量子情報をもつれさせるであろう。位相−電荷キュビット２０１間の容量接続４４０は、位相−電荷キュビット２０１の位相が相互作用することを妨げるが、位相−電荷キュビットの電荷が相互作用することを可能にする。次に、電荷制御装置２２０−１−１及び２２０−３−１は、電荷感度を取り除き、それにより、位相−電荷キュビット２０１のアイランド２０１−１−Ｉ−１及び２０１−２−Ｉ−１から電荷を取り除き、かつそれにより、位相−電荷キュビット２０１内の量子情報を位相基底に戻す（すなわち、アイランド２０１−１−Ｉ−１及び２０１−２−Ｉ−１を位相基底に戻す）ことができるが、それらの量子状態はもつれたままである。本発明の幾つかの実施形態では、位相−電荷キュビット２０１は、キュビットが電荷基底にある時でさえも、その２つのキュビットのどちらに閉じ込められた磁束も他方のキュビット内の量子状態に影響を及ぼさないように、充分離して置かれる。以下でより詳細に説明する他の実施形態では、一つのキュビット内に閉じ込められた磁束は、隣接した位相−電荷キュビットが電荷基底にある時、実際には、その隣接した位相−電荷キュビットの量子状態に誘導的に影響を及ぼす。
【００７５】
本発明の実施形態において、結合コンデンサ４４０は、ゲート２２０が第一の位相−電荷キュビット２０１に加えられるが、第二の位相−電荷キュビットには加えられない時、その第二の位相−電荷キュビットが影響されないような値を持つ。本発明の幾つかの実施形態では、結合コンデンサ４４０は、約１ｚＦから約１００ナノファラド（ｎＦ）の範囲である。
【００７６】
ここで、図４と組み合わせて、第一の位相−電荷キュビット２０１−１及び第二の位相−電荷キュビット２０１−２を制御可能に結合させるための構造を説明したが、位相−電荷キュビット２０１−１及び第二の位相−電荷キュビット２０１−２を制御可能にもつれさせ、次に、その位相−電荷キュビットの各々の量子状態を選択的に読み取るための方法を、表１で与えるタイミングダイヤグラムと組み合わせて説明する。
表１  位相−電荷キュビットの選択的なもつれ、及び読み取りのための
タイミングダイヤグラム
2007504655.tif 000007
【００７７】
時間ステップＴ0では、位相−電荷キュビット２０１−１及び２０１−２内のアイランドの各々は、ゲート電荷を全く加えられない。それゆえ、それらは位相基底にあると説明することができる。このように、２つの位相−電荷キュビットは、互いに独立して進化する。言い換えると、時間ステップＴ0の間、キュビット２０１−１及び２０１−２の量子状態はもつれない。
【００７８】
もつれのステップである時間ステップＴ1では、ゲート電荷２２０−１−１を、アイランド２０１−１−Ｉ−１の電荷がアイランド２０１−１−Ｉ−１のエネルギー状態に依存するような値に調整する。言い換えると、アイランド２０１−１−Ｉ−１が電荷基底に遷移するように、ゲート電荷２２０−１−１を調整する。さらに、ゲート電荷２２０−３−１を、アイランド２０１−２−Ｉ−１の電荷がアイランド２０１−２−Ｉ−１のエネルギー状態に依存するように調整する。言い換えると、アイランド２０１−２−Ｉ−１が電荷基底に遷移するように、ゲート電荷２２０−３−１を調整する。ゲート電圧２２０−１−１及び２２０−３−１は、ある期間維持される。これは、アイランド２０１−１−Ｉ−１及び２０１−２−Ｉ−１を電荷基底にとどまらせ、それにより、それらの量子状態をもつれさせる。時間ステップＴ1の間のゲート電圧２２０−１−１及び２２０−３−１の大きさは、デバイス依存であるが、１ピコボルトから１ボルトの範囲とすることができる。本発明の幾つかの実施形態では、時間ステップＴ1（もつれステップ）の継続時間が、１０ピコ秒（ｐｓ）から１０マイクロ秒（μｓ）の間である。本発明の幾つかの実施形態では、時間ステップＴ1の継続時間は、１ナノ秒（ｎｓ）から５００ｎｓの間である。時間ステップＴ1の間、アイランド２０１−１−Ｉ−２及び２０１−２−Ｉ−２は、表１に示すように、位相基底に保たれる。これは、時間ステップＴ1の間、位相−電荷キュビット２０１が読み取られることを妨げ、それゆえ、位相−電荷キュビットのデコヒーレンスを制限する。本発明の実施形態では、アイランド２０１−１−Ｉ−１及びアイランド２０１−２−Ｉ−１上のゲート電荷が各々、それぞれ無次元ゲート電荷の約１／４である時、最大もつれが生じる。これは、明示的に、ｎI＝ｎ2＝１／４  と表現することができ、ここで、ｎ1及びｎ2は、アイランド２０１−１−Ｉ−１及び２０１−２−Ｉ−１上のゲート電荷である。ここで、ｎ1,2＝Ｖ1g、2gＣ1g、2g／２ｅであり、このとき、ｅは電気素量であり、Ｖ1g、2gはアイランド２０１−１−Ｉ−１及び２０１−２−Ｉ−１に加えられた電圧であり、及びＣ1g、2gはアイランド２０１−１−Ｉ−１及び２０１−２−Ｉ−１に対するキャパシタンスである。
【００７９】
任意の時間ステップＴ2において、読み取り装置は、キュビットをもつれさせるために使用されないアイランドに接続される。例えば、図４に示すように、読み取り装置２３０−１をアイランド２０１−１−Ｉ−２に接続することができ、読み取り装置２３０−２をアイランド２０１−２−Ｉ−２に接続することができる。キュビット２０１−１を読み取るために、ゲート電荷２２０−２−１（図４の左下角）を使用して、アイランド２０１−１−Ｉ−２を電荷基底に調整する。一旦、アイランド２０１−１−Ｉ−２が電荷基底になると、読み取り装置２３０−１を使用して、アイランド２０１−１−Ｉ−２上の状態依存の電荷を測定することができる。同様に、キュビット２０１−２を読み取るために、ゲート電荷２２０−４−１を使用して、アイランド２０１−２−Ｉ−２を電荷基底に調整する。一旦、アイランド２０１−２−Ｉ−２が電荷基底になると、読み取り装置２３０−２を使用して、アイランド２０１−２−Ｉ−２上の状態依存の電荷を測定することができる。ステップＴ2の間、ゲート電圧２２０−１−１及び２２０−３−１を使用して、アイランド２０１−１−Ｉ−１及び２０１−２−Ｉ−１のそれぞれの電荷状態を、読み取りの間にこれらのアイランド間でもつれが生じないように、位相基底に調整することができる。時間ステップＴ0、Ｔ1、及び任意のＴ2が完了すると、その装置を使用して、望むような後続の計算を実施することができる。例えば、時間ステップＴ0、Ｔ1及び任意のＴ2のうちの任意の一又はそれ以上を繰り返すこともできる。さらに、これらのステップの順番を変えることもでき、単一キュビット動作のような他の動作も、これらの時間ステップの間で実施することができる。
【００８０】
複数の位相−電荷キュビットを結合する
図５は、複数の位相−電荷キュビット２０１を制御可能に結合し、読み取るための構造５００を示している。構造５００は、２０１−１から２０１−Ｎと名付けられた複数のキュビットＮを備える。幾つかの実施形態では、Ｎは２より大きい。幾つかの実施形態では、Ｎは２から１０，０００の間である。幾つかの実施形態では、Ｎは、１０，０００以下、１５，０００以下、或いは２０，０００以下の数である。
【００８１】
各位相−電荷キュビット２０１は、一つのアイランドがバスアイランド５５０に容量結合され、もう一つのアイランドが読み取り装置２３０に容量結合される。構造５００はさらに、対応するキュビットの読み取られるアイランド上の電荷を制御するゲート電圧２２０−（２ｉ−１）、及び対応するキュビットの結合アイランド上の電荷を制御するゲート電荷２２０−２ｉを備え、ここでｉは１からＮまでの範囲内のキュビットのラベルである。図５では示していないが、本発明の幾つかの実施形態では、位相−電荷キュビット２０１−１〜２０１−Ｎはさらに、図１〜４においてバイアス１１０と示される磁束バイアス装置を含む。
【００８２】
本発明の実施形態により、第一の位相−電荷キュビット２０１−Ｌ、及び第二の位相−電荷キュビット２０１−Ｍ（もつれるキュビット）の状態をもつれさせるための方法は、もつれるキュビット（キュビット２０１−Ｌ、及び２０１−Ｍ）上の結合するアイランドの電荷がキュビット２０１−Ｌ及び２０１−Ｍに収容される位相情報に依存するように、キュビット２０１−Ｌ及び２０１−Ｍに対応するゲート電圧２２０−２Ｌ及び２２０−２Ｍ（もつれるゲート電圧）を調整することを含み、ここで、Ｌ及びＭは、１及びＮを含む１からＮの間の独立した変数であり、かつ連続した整数である必要はなく、これはキュビット２０１−Ｌ及び２０１−Ｍが隣接している必要は全くないことを意味している。言い換えると、ゲート電圧２２０−２Ｌ及び２２０−２Ｍを使用して、キュビット２０１−Ｌ及び２０１−Ｍ上の結合するアイランドを、位相領域から電荷領域へ遷移させる。これらのゲート電圧は、キュビット２０１−Ｌ及び２０１−Ｍの量子状態をもつれさせるのに充分な期間、維持される。本発明の幾つかの実施形態では、もつれていないキュビットにおけるゲート電圧２２０−Ｊは、そのもつれていないキュビット内の結合するアイランド上の有効電荷が、そのもつれていないキュビットがバスアイランド５５０と相互作用するのを防ぐのに充分小さいように調整され、ここで、Ｊは、整数２Ｌ及び２Ｍ以外の１から２Ｎの間の各整数を表している。本発明の幾つかの実施形態では、上で説明した方法を使って、二又はそれ以上の位相−電荷キュビット２０１が同時に、バスアイランド５５０に結合される。
【００８３】
本発明の実施形態により、キュビットのもつれの間、読み取りが生じるのを妨げるために、ゲート電圧２２０−（２Ｌ−１）及び２２０−（２Ｍ−１）を、状態依存の電荷がそれぞれの読み取り装置２３０によって検出可能であることを防ぐように調整する。実際には、これは、そのような実施形態におけるもつれ時間の間、キュビット２０１−Ｌ及び２０１−Ｍ上のアイランドが両方とも、それぞれゲート電圧２２０−（２Ｌ−１）及び２２０−（２Ｍ−１）、及び測定装置２３０（読み取りアイランド）に結合されるように、ゲート電圧２２０−（２Ｌ−１）及び２２０−（２Ｍ−１）を調整し、位相領域に遷移させることを意味している。
【００８４】
本発明の実施形態により、数Ｍ個の位相−電荷キュビット２０１の状態を並列して読み取るための方法は、ゲート電荷２２０−（２ｉ−１）を調整することを含み、従って、Ｍ個のキュビット上の読み取りアイランドの読み取られるべき電荷を作ることは、その中に含まれるエネルギー状態に依存し、ここで、ｉはキュビットのラベルであり、１からＮまでの範囲である。言い換えると、これらの読み取りアイランドは、電荷領域に遷移する。電荷基底へ遷移すると、読み取り装置２３０を使って、Ｍ個のキュビット上の読み取りアイランドを読み取る。読み取りプロセスの間の望ましくない結合を抑えるために、Ｍ個の位相−電荷キュビットの結合するアイランド上のゲート電荷２２０−ｉを、状態依存の電荷がバスアイランド５５０に結合するのを妨げるように調整する。言い換えると、ゲート電荷２２０−ｉを使用して、結合するアイランドを位相領域へ遷移させる。
【００８５】
一般的な量子コンピューティング
本発明の実施形態により、位相―電荷キュビットは、一般的な量子計算を実施することができる。一般的な量子計算は、如何なる量子ロジックもその動作のセットから生成することができるような、基本キュビット動作の最小セットを必要とする。一般的な量子コンピューティングについての要求は既知であり、典型的には、制御可能な２−キュビットゲート、及び、例えばσZ、σX又はσYパウリ行列群におけるような、２つの単一キュビット動作のセットを含む。キュビットを含む２つの量子状態システムの場合、パウリ演算子は、
2007504655.tif 000008
2007504655.tif 000009
及び
2007504655.tif 000010
である。例えば、Ｎｉｅｌｓｅｎ及びＣｈｕａｎｇ著,  量子計算及び量子情報，  Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ（２０００）,  ｐ.６５を参照せよ。また、ＤｉＶｉｎｃｅｎｚｏ  ｉｎ  Ｂｒａｕｎｓｔｅｉｎ及びＬｏ,  拡張性のある量子コンピュータ,  第一版,  ２００１,  Ｗｉｌｅｙ−ＶＣＨ  Ｖｅｒｌａｇ  ＧｍｂＨ,  Ｂｅｒｌｉｎ,  ＦｅｄｅｒａｌＲｅｐｕｂｌｉｃ  ｏｆ  Ｇｅｒｍａｎｙも参照せよ、これらの各々は、その全体が引用により本出願に組み入れられる。
【００８６】
位相―電荷キュビット２０１に、そのような位相―電荷キュビットに誘導結合される磁界（誘導結合磁界）を使って、単一キュビット動作を実装することができる。幾つかの実施形態では、そのような磁界は、直流信号成分（ＤＣ）、及び交流信号（ＡＣ）成分を持つ。幾つかの例では、ＡＣ成分の振幅はゼロとすることができる。言い換えると、ＡＣ成分の振幅がゼロである例では、直流信号（ＤＣ）だけを使って、単一キュビット動作を実装する。誘導結合磁界を使って、時間Δｔ2の間、ＤＣバイアスを変化させることにより、σZ動作を実装することができる。同様に、ある期間Δｔxの間、高周波ＡＣバイアス加えることにより、σX動作を実装することができ、ここでは、ＡＣバイアスは、位相−電荷キュビットの微量なエネルギーΔと一致する周波数を持つ。磁界を使った位相−電荷キュビットへのこのような単一キュビット操作は、この技術分野で既知であり、その全体が引用により本出願に組み入れられるＯｒｌａｎｄｏ他著,  １９９９,  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ,６０,１５３９８、及びＩｌ’ｉｃｈｅｖ他著,  ２００３,  ＬＡＮＬ  自薦プリントサーバ,  ｃｏｎｄ−ｍａｔ／０３０３４３３で説明されている。
【００８７】
本発明により、位相−電荷キュビットについて単一、及び二−キュビット動作を実現するための方法及び構造を提供する。本発明の幾つかの実施形態では、電荷制御装置２２０、及び／又は読み取り装置２３０を使って、位相−電荷キュビットの電荷を操作することは、位相−電荷キュビット２０１内に格納された情報についての単一キュビットσXゲート動作を実現する。本発明の幾つかの実施形態では、位相−電荷キュビット２０１のハミルトン演算子、及び電荷制御装置２２０は、  Ｈ＝ε（ｆ）・σz＋Δ（ｎg）・σx  で説明することができ、ここで、σz及びσxはパウリ行列であり、ε（ｆ）は位相−電荷キュビット磁束バイアス、Δ（ｎg）はシステムの状態間のエネルギースプリッティングであり、かつ、ｎg＝ＣgＶg／２ｅは無次元ゲート電荷である。
【００８８】
本発明の実施形態により、位相−電荷キュビットへの単一キュビット動作を実装することは、電荷制御装置２２０、及び／又は読み取り装置２３０のゲート電荷ｎgを、時間Δｔの間、ゼロでない値にセットすることを含む。本発明の幾つかの実施形態では、単一キュビット動作は、σ2ベースの単一キュビット動作である。本発明の幾つかの実施形態では、位相−電荷キュビットの演算操作は、電荷制御装置２２０及び／又は読み取り装置２３０のゲート電荷ｎgを制御して、単一−キュビット動作及び二−キュビット動作の両方を制御可能に実現することを含む。本発明の幾つかの実施形態では、位相−電荷キュビットへの単一キュビットσ2動作を実装することは、無次元ゲート電荷の大きさを０．０１から５の間の範囲に変えることを含む。さらに、その演算の継続時間Δｔは、０．１ピコ秒（ｐｓ）から５００ナノ秒（ｎｓ）の範囲に及ぶことができる。
【００８９】
幾つかの実施形態では、量子動作を実施することは、（例えば、バイアス源１１０を使って）、計算動作の点の中心から離れたところにある超伝導位相−電荷キュビットの動作点をバイアスすること、及びゲート電荷を加えることを含む。幾つかの実施形態では、ゲート電荷は、直流信号、及び交流信号の成分を含む。幾つかの実施形態では、位相−電荷キュビットは、演算動作の点の中心から±Δ離して、磁気バイアスされる。このように、位相−電荷キュビットがバイアスされる時、適当な周波数を持つ位相−電荷キュビットに交流信号成分を加えることができ、結果として、非対角信号キュビット動作が生じる。非対角信号キュビット動作の例は、σyパウリ行列に基づいている。本発明の幾つかの実施形態では、交流信号成分は、約４００メガヘルツ（ＭＨｚ）から約５０ギガヘルツ（ＧＨｚ）の間の範囲の周波数を持つ。本出願で使用される限り、「約」という語は、基準値の±５％を意味する。例えば、４００メガヘルツ（ＭＨｚ）±.０５×４００ＭＨｚである。
【００９０】
本発明により、（ｉ）σzゲート動作、(ｉI)非対角信号キュビット動作（例えば、σy）の組み合わせ、及び図４と組み合わせて上で説明したような制御可能な結合は、一般的な量子計算についての条件を満たす。幾つかの実施形態において、一般的な量子演算を満たすことは、本発明の制御可能な電荷結合と組み合わせて、誘導結合磁界を使って、単一キュビット動作を提供することを含む。
【００９１】
本発明の幾つかの実施形態では、典型的には、位相−電荷キュビットを動作点に保持するために使用される磁束バイアス（例えば、図２のバイアス源１１０）は、システム内の一又はそれ以上の位相−電荷キュビット上に磁束を加える。本発明により、単一キュビット動作は、位相−電荷キュビットの電荷制御を使って実現されるべきものであるので、磁束バイアスを使って単一キュビット制御を維持する必要はない。従って、各位相−電荷キュビットが対応する磁束バイアスを持つ前の提案とは対照的に、本発明の実施形態は、一般的な量子計算を実現する間もなお、位相−電荷キュビットが磁束バイアスを共有することを可能にする。
【００９２】
最近傍キュビット結合
図６を参照すると、本発明の実施形態により、複数の位相−電荷キュビットが、最近傍方式で、電荷基底において結合される。最近傍結合はバス結合の代替手法であり、一般的には、所定の如何なるキュビットもキュビットのレジスタ内の隣接するキュビットと結合される、ということを意味する。このような結合方式は、図５に示したバス結合方式のようなバス結合方式より一般的ではないが、バス結合方式の実装に関する制約を単純化し、従って、キュビットのレジスタが、バス結合方式を使った対応するキュビットのレジスタより製造されやすいであろう。最近傍結合の例として、その全体が引用により本出願に組み入れられるＢｒｅｎｎｅｎ他,  ２００３,  Ｐｈｙｓ.  Ｒｅｖ．  Ａ６３７，０５０３０２を参照せよ。
【００９３】
図６は、電荷基底における位相−電荷キュビット２０１の最近傍結合についての、本発明の実施形態を示している。システム６００は、位相−電荷キュビット２０１−１から２０１−Ｎまでの連鎖を示しており、ここで、容量結合６４０−１から６４０（Ｎ−１）までが各キュビット２０１を分離する。各位相−電荷キュビット２０１はさらに、ゲート電荷２２０、及び読み取りのための機構２３０を含む。幾つかの実施形態では、機構２３０は、その機構２３０が取り付けられた対応するキュビットアイランドの電荷を調整するためのゲート電荷を備える。幾つかの実施形態では、ゲート電荷２２０が読み取りのための機構を備え、機構２３０は存在しない。
【００９４】
本発明の幾つかの実施形態では、位相−電荷キュビットの連鎖６００内の第一と第二の位相−電荷キュビット２０１間のもつれ動作を実施することは、前記第一及び第二のキュビット状態が近接するまで、一連の一又はそれ以上の交換動作を実施し、時間ｔの長さの間、前記第一及び第二の位相−電荷キュビットを電荷領域に調整し、かつ任意で、同じ一連の一又はそれ以上の交換動作を実施して、前記第一及び第二の位相−電荷キュビット状態を、連鎖内のそれらの元の位置に戻すことを含む。幾つかの実施形態では、第一及び第二の位相−電荷キュビットの状態は、それらの元の位置に戻されない。もつれ動作を実施するための方法は、前で提案した。例えば、その全体が引用により本出願に組み入れられる、２００１年２月１３日に出願された「量子計算処理のための最適化方法」という名称の米国特許出願第０９／７８２,８８６号を参照せよ。
【００９５】
誘導及び容量キュビット結合
前の実施形態では、互いに結合されたアイランドが電荷状態に入る時、それらは容量結合するが誘導結合しない、という仮定が成された。しかしながら、本発明の幾つかの実施形態では、そうではない。そのような実施形態では、位相−電荷キュビット間の誘導結合及び容量結合の両方が実現される。これは、（ｉ）キュビット２０１のループが充分大きく、かつ（ｉｉ）電荷状態に入るアイランドが互いに非常に近い（例えば、図４に示す構成）時、可能である。そのような位相―電荷キュビット間の誘導結合は、オールウェイズ−オン結合という結果となり得る。これは、特定の量子コンピューティングの応用例において有利となり得る。例えば、隣接するキュビット間の結合機構が、電荷基底において提供される場合には（例えば、図４のコンデンサ４４０）、位相−電荷キュビット間のもつれの大きさは、（例えば、図４のデバイス１１０を使用することにより）電荷領域の結合を制御することによって変調することができる。
【００９６】
本発明の幾つかの実施形態では、量子レジスタ内の一又はそれ以上の位相−電荷キュビットを、誘電結合及び容量結合させることができる。電荷結合基底において、一又はそれ以上の位相−電荷キュビットを調整することによって、一又はそれ以上の位相−電荷キュビット間のもつれを調整する。図４では、例えば、デバイス２２０、１１０のいずれか一方、又はそれらの組み合わせによって、調整を行うことができるであろう。
【００９７】
幾つかの実施形態では、量子レジスタ内の一又はそれ以上の位相−電荷キュビットは、その量子レジスタ内の他の位相−電荷キュビットより大きいインダクタンスを持つ。位相−電荷キュビットにおけるより大きいインダクタンスは、より大きいループサイズを持つことにより実現される。幾つかの実施形態では、量子レジスタ内の一又はそれ以上の位相−電荷レジスタが、その量子レジスタ内の他のキュビット内の一又はそれ以上のループより、２〜１００倍大きいループサイズを持つ。幾つかの実施形態では、より大きいインダクタンスを持つ位相−電荷キュビットは、約５平方ミクロンから約３０平方ミクロンの範囲の超伝導ループのサイズを持つ。幾つかの実施形態では、より大きいインダクタンスを持つ一又はそれ以上の位相−電荷キュビットを持つことは、キュビット間のより大きい結合の強さを提供し、これは、幾つかの量子動作に有利となり得る。
【００９８】
（結論、及び引用された参考文献）
本出願で引用された全ての参考文献は、あたかも個々の各刊行物、又は特許、又は特許出願が、あらゆる目的のためにその全体が引用により組み入れられるように、具体的かつ個別に指示されているかのように、あらゆる目的のために同じ程度で、それらの全体が引用により本出願に組み入れられる。
【００９９】
特に示さない限り、本発明のデバイスを形成するために使用される基板は、図１と組み合わせて説明したのと同じものである。さらに、特に示さない限り、超伝導ループ、及びジョセフソン接合を製造するのに使用される材料は、図１と組み合わせて説明したものと同じである。さらに、特に示さない限り、本発明のデバイス内の超伝導ループの大きさ、及び本発明のデバイス内のジョセフソン接合の大きさ及び結合エネルギーは、図１と組み合わせて本出願で示したような構成要素についての範囲内に入る大きさを持つ。幾つかの実施形態では、本出願で説明した実施形態のいずれかにおける、各位相−電荷キュビットの一又はそれ以上のアイランドは、中間視的なサイズである。
【０１００】
当業者には明らかであるように、本発明の技術的範囲から逸れることなく、本発明の多くの変更及び変形を成すことができる。本出願で説明した具体的な実施形態は、例としてのみ提供され、本発明は、添付の特許請求の範囲の請求項の語句、加えてそのような請求項に権限が与えられたものの均等物の全範囲によってのみ限定されるべきものである。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１Ａ】従来技術による超伝導位相キュビットを示している。
【図１Ｂ】従来技術による位相キュビットにおける位相の関数としての、位置エネルギー図を示している。
【図２】超伝導位相−電荷キュビットの電荷を制御するための、本発明の実施形態を示している。
【図３】超伝導位相−電荷キュビットの電荷を制御するための、本発明のもう一つの実施形態を示している。
【図４】電荷基底において位相−電荷キュビットを結合させるための、本発明の実施形態を示している。
【図５】バス方式を使って電荷基底において位相−電荷キュビットを結合させるための、本発明の実施形態を示している。
【図６】電荷基底において超伝導位相−電荷キュビットを結合させるための、本発明の実施形態を概略的に示している。
【図７Ａ】本発明の実施形態による、２つのジョセフソン接合によって遮断されて、第一のアイランド及び第二のアイランドを形成する超伝導ループを備える位相電荷キュビットを、概略的に示している。
【図７Ｂ】本発明の実施形態による、位相−電荷キュビットが４つのジョセフソン接合を有して、４つのアイランドを形成する、本発明の実施形態を示している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【国際調査報告】
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