(57)【要約】【課題】構造的に電気的な配線が困難な超伝導磁束量子ビットのエネルギーを制御する。【解決手段】超伝導磁束量子ビット制御装置は、ジョセフソン接合３０１を含む超伝導ループ回路３００と、超伝導ループ回路３００と近接配置された周波数可変共振器１と、周波数可変共振器１にマイクロ波を印加するマイクロ波発生装置２と、超伝導ループ回路３００および周波数可変共振器１に対して磁場を印加する磁場発生装置４とを備える。超伝導ループ回路３００は超伝導磁束量子ビット３を構成する。周波数可変共振器１は、ジョセフソン接合１０１を含む超伝導ループ回路１００からなる超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）１０と、超伝導ループ回路１００と接続された共振回路１１とから構成される。【選択図】  図１
2019036625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のジョセフソン接合を含む第１の超伝導ループ回路と、
この第１の超伝導ループ回路と近接配置された周波数可変共振器と、
この周波数可変共振器にマイクロ波を印加するマイクロ波発生装置と、
前記第１の超伝導ループ回路および前記周波数可変共振器に対して磁場を印加する磁場発生装置とを備え、
前記第１の超伝導ループ回路は超伝導磁束量子ビットを構成し、この超伝導磁束量子ビットのエネルギーを前記マイクロ波で制御することを特徴とする超伝導磁束量子ビット制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の超伝導磁束量子ビット制御装置において、
前記周波数可変共振器は、
第２のジョセフソン接合を含む第２の超伝導ループ回路と、
この第２の超伝導ループ回路と接続された集中定数型の共振回路とから構成されることを特徴とする超伝導磁束量子ビット制御装置。
【請求項３】
請求項１記載の超伝導磁束量子ビット制御装置において、
前記周波数可変共振器は、
第２のジョセフソン接合を含む第２の超伝導ループ回路と、
この第２の超伝導ループ回路と接続された分布定数型の共振回路とから構成されることを特徴とする超伝導磁束量子ビット制御装置。
【請求項４】
請求項２記載の超伝導磁束量子ビット制御装置において、
前記マイクロ波発生装置は、前記周波数可変共振器に前記マイクロ波を照射することを特徴とする超伝導磁束量子ビット制御装置。
【請求項５】
請求項３記載の超伝導磁束量子ビット制御装置において、
前記マイクロ波発生装置は、前記分布定数型の共振回路にマイクロ波電流を供給することにより、前記周波数可変共振器にマイクロ波を印加することを特徴とする超伝導磁束量子ビット制御装置。
【請求項６】
請求項２乃至５のいずれか１項に記載の超伝導磁束量子ビット制御装置において、
前記第１の超伝導ループ回路と前記第２の超伝導ループ回路とは、一部が一体化して形成されることを特徴とする超伝導磁束量子ビット制御装置。
【請求項７】
請求項２乃至６のいずれか１項に記載の超伝導磁束量子ビット制御装置において、
前記磁場発生装置から印加される磁場によって設定される前記超伝導磁束量子ビットの動作点付近で、前記第２の超伝導ループ回路を貫く磁束に対する前記周波数可変共振器の共鳴角周波数の傾きが０より大きくなるように、前記第１、第２の超伝導ループ回路の寸法が設定されていることを特徴とする超伝導磁束量子ビット制御装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の超伝導磁束量子ビット制御装置において、
前記超伝導磁束量子ビットのエネルギーギャップによって規定される状態のエネルギーに対する前記超伝導磁束量子ビットのエネルギー離調を、前記磁場発生装置から印加される磁場により正または負とすることを特徴とする超伝導磁束量子ビット制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導磁束量子ビットのエネルギー制御をマイクロ波印加で実現するものである。
【背景技術】
【０００２】
超伝導磁束量子ビットのエネルギーはループを貫く磁束により制御される。高速な制御の方法としては、超伝導磁束量子ビットと同一チップ上に広帯域の磁束印加用ラインを用意し、この磁束印加用ラインに流す電流によって磁場を生じさせる方法が多く使われる。
【０００３】
この方法では、オンチップの磁束印加用ラインを用いることから、チップと外部の制御系との間に配線を行うことが必須であり、３次元空洞共振器中に設置した超伝導磁束量子ビットなど、構造的に配線が困難な超伝導磁束量子ビットに対して適用することは困難であった。また、複数の超伝導磁束量子ビットの制御を行う場合には、超伝導磁束量子ビットと同数の磁束印加用ラインが必要になるという課題があった（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】F.G.Paauw，A.Fedorov，C.J.P.M Harmans，and J.E.Mooij，“Tuning the Gap of a Superconducting Flux Qubit”，PHYSICAL REVIEW LETTERS，102，090501，2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、構造的に電気的な配線が困難な超伝導磁束量子ビットに対しても高速にエネルギー制御を行うことが可能な制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の超伝導磁束量子ビット制御装置は、第１のジョセフソン接合を含む第１の超伝導ループ回路と、この第１の超伝導ループ回路と近接配置された周波数可変共振器と、この周波数可変共振器にマイクロ波を印加するマイクロ波発生装置と、前記第１の超伝導ループ回路および前記周波数可変共振器に対して磁場を印加する磁場発生装置とを備え、前記第１の超伝導ループ回路は超伝導磁束量子ビットを構成し、この超伝導磁束量子ビットのエネルギーを前記マイクロ波で制御することを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明の超伝導磁束量子ビット制御装置の１構成例において、前記周波数可変共振器は、第２のジョセフソン接合を含む第２の超伝導ループ回路と、この第２の超伝導ループ回路と接続された集中定数型の共振回路とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の超伝導磁束量子ビット制御装置の１構成例において、前記周波数可変共振器は、第２のジョセフソン接合を含む第２の超伝導ループ回路と、この第２の超伝導ループ回路と接続された分布定数型の共振回路とから構成されることを特徴とするものである。
また、本発明の超伝導磁束量子ビット制御装置の１構成例において、前記マイクロ波発生装置は、前記周波数可変共振器に前記マイクロ波を照射することを特徴とするものである。
また、本発明の超伝導磁束量子ビット制御装置の１構成例において、前記マイクロ波発生装置は、前記分布定数型の共振回路にマイクロ波電流を供給することにより、前記周波数可変共振器にマイクロ波を印加することを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の超伝導磁束量子ビット制御装置の１構成例において、前記第１の超伝導ループ回路と前記第２の超伝導ループ回路とは、一部が一体化して形成されることを特徴とするものである。
また、本発明の超伝導磁束量子ビット制御装置の１構成例は、前記磁場発生装置から印加される磁場によって設定される前記超伝導磁束量子ビットの動作点付近で、前記第２の超伝導ループ回路を貫く磁束に対する前記周波数可変共振器の共鳴角周波数の傾きが０より大きくなるように、前記第１、第２の超伝導ループ回路の寸法が設定されていることを特徴とするものである。
また、本発明の超伝導磁束量子ビット制御装置の１構成例は、前記超伝導磁束量子ビットのエネルギーギャップによって規定される状態のエネルギーに対する前記超伝導磁束量子ビットのエネルギー離調を、前記磁場発生装置から印加される磁場により正または負とすることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、超伝導磁束量子ビットを構成する第１の超伝導ループ回路と周波数可変共振器とを近接配置して、第１の超伝導ループ回路と周波数可変共振器との相互インダクタンスを大きくし、周波数可変共振器にマイクロ波を印加することで、超伝導磁束量子ビットと周波数可変共振器の相互作用により超伝導磁束量子ビットのエネルギー制御を行う。これにより、本発明では、構造的に電気的な配線が困難な超伝導磁束量子ビットに対しても高速にエネルギー制御を行うことが可能となる。また、本発明では、個々の超伝導磁束量子ビットに制御線を配線した場合に問題となるクロストークやノイズの流入によるデコヒーレンスを抑えたエネルギー制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の超伝導磁束量子ビット制御装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、本発明の超伝導磁束量子ビットのエネルギーの磁束依存性を示す図である。
【図３】図３は、超伝導量子干渉素子を貫く磁束に対する本発明の周波数可変共振器の共鳴周波数の変化を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施例に係る超伝導磁束量子ビット制御装置の構成を示す図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施例において周波数可変共振器に照射するマイクロ波の周波数に対する超伝導磁束量子ビットのエネルギーの変化を示す図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施例において周波数可変共振器に照射するマイクロ波の強度に対する超伝導磁束量子ビットのエネルギーの変化を示す図である。
【図７】図７は、本発明の第１の実施例に係る超伝導磁束量子ビット制御装置の別の構成を示す図である。
【図８】図８は、本発明の第２の実施例に係る超伝導磁束量子ビット制御装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［本発明の特徴と従来の技術との差異］
図１に示すように、本発明の超伝導磁束量子ビット制御装置は、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting QUantum Interference Device）１０および共振回路１１を含む周波数可変共振器１と、周波数可変共振器１にマイクロ波を印加するマイクロ波発生装置２と、被制御対象の超伝導磁束量子ビット３と、超伝導磁束量子ビット３および周波数可変共振器１に対して磁場を印加する磁場発生装置４とから構成されている。
【００１２】
本発明では、被制御対象である超伝導磁束量子ビット３を構成する超伝導ループ回路３００（第１の超伝導ループ回路）と、ＳＱＵＩＤ１０を構成する超伝導ループ回路１００（第２の超伝導ループ回路）との相互インダクタンスＭを大きくし、ＳＱＵＩＤ１０を含む周波数可変共振器１にマイクロ波を照射することで、超伝導磁束量子ビット３と周波数可変共振器１の相互作用により超伝導磁束量子ビット３のエネルギー制御を行う。ここで重要な点は直接的に超伝導磁束量子ビット３の超伝導ループ回路３００を貫く磁束の制御を行わずにエネルギー制御を行えるという点である。
【００１３】
被制御対象の超伝導磁束量子ビット３を構成する超伝導ループ回路３００は、ループ状の超伝導体に例えば３つのジョセフソン接合３０１（第１のジョセフソン接合）を有するものである。この超伝導ループ回路３００では、ループを貫く磁束の大きさを変えることでエネルギー離調が変化する。従来技術では、同一チップ上に設置した磁束印加用ラインに電流を流し磁場を発生させることでループを貫く磁束を変化させエネルギー離調の制御を行う。超伝導磁束量子ビット３のハミルトニアンＨqは、次式のように書ける。
【００１４】
【数１】
2019036625.tif 000003
【００１５】
ここで、εはエネルギー離調を表し、Δはエネルギーギャップを表す。σx，σzはパウリ演算子である。エネルギー離調εは、超伝導ループ回路３００を貫く磁束Φqと以下のような関係がある。
【００１６】
【数２】
2019036625.tif 000004
【００１７】
ここで、Ｉpは超伝導磁束量子ビット３の永久電流を表し、Φ0＝ｈ／２ｅは磁束量子を表す。ｎは任意の整数である。また、ｈはプランク定数、ｅは電気素量である。このハミルトニアンから超伝導磁束量子ビット３のエネルギーＥqを求めると、次式のようになる。
【００１８】
【数３】
2019036625.tif 000005
【００１９】
図２は超伝導磁束量子ビット３のエネルギーの磁束依存性を示す図である。図２の横軸は超伝導磁束量子ビット３（超伝導ループ回路３００）を貫く磁束、縦軸は超伝導磁束量子ビット３の周波数（エネルギーＥqをプランク定数ｈで割った値）である。式（３）より、磁束の印加で超伝導磁束量子ビット３のエネルギーが制御可能なことが分かる。
【００２０】
上記のとおり、周波数可変共振器１は、ＳＱＵＩＤ１０と、ＳＱＵＩＤ１０と接続された共振回路１１とから構成される。ＳＱＵＩＤ１０を構成する超伝導ループ回路１００は、ループ状の超伝導体に例えば２つのジョセフソン接合１０１（第２のジョセフソン接合）を有するものである。共振回路１１は、インダクタやキャパシタ等の回路要素からなる集中定数型または分布定数型の共振回路から構成される。ＳＱＵＩＤ１０のインダクタンスＬsは、ＳＱＵＩＤ１０を構成する超伝導ループ回路１００を貫く磁束Φsに対し以下のように変化する。
【００２１】
【数４】
2019036625.tif 000006
【００２２】
ここで、ＩcはＳＱＵＩＤ１０を構成するジョセフソン接合１０１の臨界電流である。そのため、ＳＱＵＩＤ１０を含む共振器は、外部から印加する磁束により制御可能な周波数可変共振器１として働く。図３は周波数可変共振器１の共鳴周波数が、ＳＱＵＩＤ１０（超伝導ループ回路１００）を貫く磁束に対してどのように変化するかを示す図である。ＳＱＵＩＤ１０を含む周波数可変共振器１のハミルトニアンＨrは、次式のように記述することができる。
【００２３】
【数５】
2019036625.tif 000007
【００２４】
ここで、ｈ’＝ｈ／２πである。ω（Φs）は超伝導ループ回路１００を貫く磁束により制御される周波数可変共振器１の中心角周波数である。ａ，ａ†はそれぞれ周波数可変共振器１中の光子の消滅演算子、生成演算子である。超伝導磁束量子ビット３とＳＱＵＩＤ１０を含む周波数可変共振器１とから構成される系全体のハミルトニアンＨを書き下すと以下のようになる。
【００２５】
【数６】
2019036625.tif 000008
【００２６】
ここで、式（６）の右辺第１項は超伝導磁束量子ビット３のハミルトニアン、右辺第２項はＳＱＵＩＤ１０を含む周波数可変共振器１のハミルトニアンである。超伝導磁束量子ビット３の量子状態は、超伝導ループ回路３００を左（右）向きに流れる電流状態｜Ｌ（Ｒ）＞によって構成される。超伝導磁束量子ビット３を構成する超伝導ループ回路３００と周波数可変共振器１のＳＱＵＩＤ１０を構成する超伝導ループ回路１００とは相互インダクタンスＭを持つため、超伝導ループ回路３００を流れる電流は超伝導ループ回路１００を貫く磁束ΦSを変化させる。そのため、超伝導磁束量子ビット３の量子状態に対応して、周波数可変共振器１の中心周波数は変化する。この場合の磁束の変化ΔΦsは以下のように記述できる。
【００２７】
【数７】
2019036625.tif 000009
【００２８】
通常の場合、周波数可変共振器１の制御には磁束量子Φ0程度の大きさの磁束を用いるが、超伝導磁束量子ビット３の制御には磁束量子Φ0の１／１０００程度の磁束を用いる。そのため、本発明の目的である超伝導磁束量子ビット３のエネルギー制御を行う範囲内では、周波数可変共振器１の周波数変化は線形と見なしてよく、系全体のハミルトニアンを１次までの範囲で展開することで以下のように変形することができる。
【００２９】
【数８】
2019036625.tif 000010
【００３０】
ここで、Φs0は超伝導磁束量子ビット３からの影響がない場合にＳＱＵＩＤ１０の超伝導ループ回路１００を貫く磁束であり、２ｈ’ＭＩp（ｄω／ｄΦs）＝δεとした。この式から分かるように、超伝導磁束量子ビット３の永久電流Ｉpの値、超伝導磁束量子ビット３とＳＱＵＩＤ１０との相互インダクタンスＭおよび周波数可変共振器１の共鳴角周波数の傾きｄω／ｄΦsを変えることによって、エネルギー離調の光子数ａ†ａに対する感度を変えることができる。
【００３１】
また、超伝導磁束量子ビット３はΦ0（ｎ＋１／２）付近の磁束が動作点となるが、本発明の手法でエネルギー制御を行うためにはその動作点付近で周波数可変共振器１の共鳴角周波数の傾きｄω／ｄΦsが大きくなるように素子を設計する。具体的には、磁場発生装置４から印加される外部磁場によって設定される超伝導磁束量子ビット３の動作点付近で、超伝導ループ回路１００を貫く磁束Φsに対する周波数可変共振器１の共鳴角周波数の傾きｄω／ｄΦsが０より大きくなるように、超伝導ループ回路１００，３００の寸法（面積）を設定すればよい。
上記のハミルトニアンから超伝導磁束量子ビット３のエネルギー固有値Ｅを求めると、次式のようになる。
【００３２】
【数９】
2019036625.tif 000011
【００３３】
ここで、演算子ａ†ａの期待値＜ａ†ａ＞は周波数可変共振器１中の光子の数である。エネルギー離調εとδεが同符号の場合、周波数可変共振器１内の光子数が増加するに従い、超伝導磁束量子ビット３のエネルギー離調は増加する。反対に、エネルギー離調εとδεが異符号の場合、周波数可変共振器１内の光子数が減少するに従い、超伝導磁束量子ビット３のエネルギー離調は減少する。
【００３４】
また、式（９）で｜ε｜≫Δの条件が成り立つ場合には、超伝導磁束量子ビット３のエネルギー固有値Ｅは、周波数可変共振器１内の光子数に対して線形に増加する。周波数可変共振器１内の光子数は、マイクロ波照射量を制御することで調整することができる。
【００３５】
以上のように本発明を用いることで、周波数可変共振器１へのマイクロ波照射量を制御し、周波数可変共振器１内の光子数を制御することで、超伝導磁束量子ビット３のエネルギー制御が可能となる。そのため、従来技術で用いられていた磁束印加用ラインを用いず、マイクロ波を空間を通じて伝搬させるのみでエネルギー制御が行える。この特徴を利用することで、構造的に配線を行うことの難しい超伝導磁束量子ビットに対しても高速エネルギー制御を行うことが可能となる。
【００３６】
また、従来技術ではエネルギー制御のために個々の超伝導磁束量子ビットに制御線が必要であったのに対し、本発明では異なる共鳴周波数の周波数可変共振器１を個々の超伝導磁束量子ビット３に結合することで、周波数空間での制御対象となる超伝導磁束量子ビット３のアドレスが可能となる。これにより、マイクロ波照射の周波数を変えることで複数の超伝導磁束量子ビット３の制御が可能となる。
【００３７】
従来技術として、周波数可変でない共振器によるＡＣシュタルクシフトを用いて超伝導磁束量子ビットのエネルギー制御を行う方法が知られている（文献「Alexandre Blais，Ren-Shou Huang，Andreas Wallraff，S.M.Girvin，and R.J.Schoelkopf，“Cavity quantum electrodynamics for superconducting electrical circuits:An architecture for quantum computation”，PHYSICAL REVIEW A 69，062320，2004」）。この手法は、共振器と超伝導磁束量子ビットの共鳴周波数が比較的近い（周波数差が結合定数ｇの数倍から数十倍程度）場合に有効である。周波数非可変共振器と超伝導磁束量子ビットの結合系のハミルトニアンは、次式で記述される。
【００３８】
【数１０】
2019036625.tif 000012
【００３９】
ここで、ωqは超伝導磁束量子ビットの共鳴角周波数、ωrは周波数非可変共振器の共鳴周波数、σ+，σ-は超伝導磁束量子ビットの昇降演算子である。このとき、周波数非可変共振器と超伝導磁束量子ビットのエネルギー差ωq−ωrが結合定数ｇに比べて十分に大きい場合には、以下に示す分散型近似ハミルトニアンが得られる。
【００４０】
【数１１】
2019036625.tif 000013
【００４１】
そのため、マイクロ波照射により周波数非可変共振器内にマイクロ波光子を送り込むことで、超伝導磁束量子ビットの周波数をωqからωq＋２｛ｇ2／（ωq−ωr）｝＜ａ†ａ＞に変化させることができる。ここで＜ａ†ａ＞は周波数非可変共振器内のマイクロ波光子の数である。しかしながら、従来技術では、ｇ＜ａ†ａ＞が周波数非可変共振器と超伝導磁束量子ビットの間のエネルギー差ωq−ωrよりも大きくなると、上で述べた分散型近似が破れてしまい、ＡＣシュタルクシフトによるエネルギー調整を行うことができない。このため、従来技術ではマイクロ波印加によるエネルギーの調整は数ＭＨｚから数十ＭＨｚのオーダーでしか行うことができなかった。
【００４２】
これに対し、本発明には従来技術の分散型近似に起因する制約がないため、マイクロ波印加を用いてＧＨｚオーダーで超伝導磁束量子ビット３の周波数制御を行うことが可能である。
【００４３】
［第１の実施例］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図４は本発明の第１の実施例に係る超伝導磁束量子ビット制御装置の構成を示す図である。本実施例では、ＳＱＵＩＤを含む集中定数型ＬＣ共振器を用い、超伝導磁束量子ビットのエネルギー制御を行う例を示す。本実施例の超伝導磁束量子ビット制御装置は、ＳＱＵＩＤ１０ａおよび共振回路１１ａを含む周波数可変共振器１ａと、マイクロ波発生装置２ａと、超伝導磁束量子ビット３ａと、磁場発生装置４とから構成されている。
【００４４】
ＳＱＵＩＤ１０ａを構成する超伝導ループ回路１００と超伝導磁束量子ビット３ａを構成する超伝導ループ回路３００とは、同一の基板上に形成されている。図４の例では、超伝導ループ回路１００と同一の面内に、超伝導ループ回路３００が超伝導ループ回路１００の内側に位置するように形成されている。図１と同様に、ＳＱＵＩＤ１０ａを構成する超伝導ループ回路１００は、ループ状の超伝導体に例えば２つのジョセフソン接合１０１を有する。超伝導磁束量子ビット３ａを構成する超伝導ループ回路３００は、ループ状の超伝導体に例えば３つのジョセフソン接合３０１を有する。
【００４５】
共振回路１１ａは、インダクタＬとキャパシタＣの直列回路からなる集中定数型のＬＣ共振回路である。周波数可変共振器１ａは、インダクタＬとキャパシタＣとに直列にＳＱＵＩＤ１０ａを挿入することで構成される。すなわち、共振回路１１ａの一端（図４の例ではキャパシタＣの端子）が超伝導ループ回路１００の一点に接続され、共振回路１１ａの他端（図４の例ではインダクタＬの端子）が超伝導ループ回路１００の別の一点に接続されている。
【００４６】
本実施例のマイクロ波発生装置２ａは、周波数可変共振器１ａにマイクロ波を照射するマイクロ波照射アンテナ２００と、マイクロ波照射アンテナ２００にマイクロ波電流を供給する電源（不図示）とから構成される。
【００４７】
周波数可変共振器１ａおよび超伝導磁束量子ビット３ａに対して磁場発生装置４から一定の磁場が印加される。ここで、磁場発生装置４から印加する外部磁場によりエネルギー離調εを正とした条件（超伝導ループ回路３００を貫く磁束Φq＝０．５０２５）の下で、マイクロ波発生装置２ａから周波数可変共振器１ａに対してマイクロ波を照射した場合の超伝導磁束量子ビット３ａのエネルギーを図５（Ａ）に示す。また、磁場発生装置４から印加する外部磁場によりエネルギー離調εを負とした条件（超伝導ループ回路３００を貫く磁束Φq＝０．４９７５）の下で、マイクロ波発生装置２ａから周波数可変共振器１ａに対してマイクロ波を照射した場合の超伝導磁束量子ビット３ａのエネルギーを図５（Ｂ）に示す。図５（Ａ）、図５（Ｂ）の横軸は周波数可変共振器１ａに照射するマイクロ波の周波数、縦軸は超伝導磁束量子ビット３ａの周波数（エネルギーＥqをプランク定数ｈで割った値）である。
【００４８】
図５（Ａ）では、周波数可変共振器１ａに印加するマイクロ波が周波数可変共振器１ａに共鳴する（〜３．５ＧＨｚ）、すなわち周波数可変共振器１ａ中のマイクロ波光子数が増加すると、超伝導磁束量子ビット３ａの共鳴周波数が〜５．３ＧＨｚから増加している様子が分かる。また、図５（Ｂ）では、周波数可変共振器１ａ中のマイクロ波光子数が増加すると、超伝導磁束量子ビット３ａの共鳴周波数が〜５．２ＧＨｚから減少している様子が分かる。すなわち、エネルギー離調εの正負により、超伝導磁束量子ビット３ａのエネルギーを正または負の方向に制御できることが分かる。
【００４９】
上記と同様に、磁場発生装置４から印加する外部磁場によりエネルギー離調εを正とした条件（磁束Φq＝０．５０２５）の下で、マイクロ波発生装置２ａから周波数可変共振器１ａに対して照射するマイクロ波の強度を調節することにより周波数可変共振器１ａ内の光子数を制御した場合の超伝導磁束量子ビット３ａのエネルギーを図６（Ａ）に示す。また、磁場発生装置４から印加する外部磁場によりエネルギー離調εを負とした条件（磁束Φq＝０．４９７５）の下で、マイクロ波発生装置２ａから周波数可変共振器１ａに対して照射するマイクロ波の強度を調節することにより周波数可変共振器１ａ内の光子数を制御した場合の超伝導磁束量子ビット３ａのエネルギーを図６（Ｂ）に示す。図６（Ａ）、図６（Ｂ）の横軸は周波数可変共振器１ａに照射するマイクロ波の強度、縦軸は超伝導磁束量子ビット３ａの周波数（エネルギーＥqをプランク定数ｈで割った値）である。
【００５０】
図６（Ａ）、図６（Ｂ）によれば、エネルギーギャップΔに対してエネルギー離調εが十分大きい領域（例えばエネルギーギャップΔに対してエネルギー離調εが３倍以上）では、周波数可変共振器１ａ内の光子数に対して線形に超伝導磁束量子ビット３ａのエネルギーを制御できることが分かる。また、従来型のＡＣシュタルクシフトを用いた手法とは異なり、超伝導磁束量子ビット３ａのエネルギーを１ＧＨｚ以上変化させることが可能であることも分かる。
【００５１】
なお、本実施例では、ＳＱＵＩＤ１０ａを構成する超伝導ループ回路１００と超伝導磁束量子ビット３ａを構成する超伝導ループ回路３００とが別体に形成される例を説明したが、これに限るものではなく、図７に示すように超伝導ループ回路１００と超伝導ループ回路３００の一部を一体化してもよい。一体化する箇所は、ジョセフソン接合１０１，３０１が形成されていない箇所であれば、どこでも構わない。超伝導ループ回路１００と超伝導ループ回路３００の一部を一体化することで、超伝導ループ回路１００と超伝導ループ回路３００の相互インダクタンスＭを増加させることができる。
【００５２】
［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図８は本発明の第２の実施例に係る超伝導磁束量子ビット制御装置の構成を示す図である。本実施例では、ＳＱＵＩＤを含む分布定数型伝送線路共振器を用い、超伝導磁束量子ビットのエネルギー制御を行う例を示す。本実施例の超伝導磁束量子ビット制御装置は、ＳＱＵＩＤ１０ｂおよび共振回路１１ｂを含む周波数可変共振器１ｂと、マイクロ波発生装置２ｂと、超伝導磁束量子ビット３ｂと、磁場発生装置４とから構成されている。
【００５３】
ＳＱＵＩＤ１０ｂを構成する超伝導ループ回路１００と超伝導磁束量子ビット３ｂを構成する超伝導ループ回路３００とは、同一の基板上に形成されている。図４と同様に、図８の例では、超伝導ループ回路１００と同一の面内に、超伝導ループ回路３００が超伝導ループ回路１００の内側の位置するように形成されている。
【００５４】
共振回路１１ｂは、インダクタとなる１／４波長のコプレーナ導波路ＣＰＷと、複数の分布定数線路をインターデジタル型に配置して構成されたキャパシタＣ２からなる分布定数型の伝送線路共振回路である。周波数可変共振器１ｂは、コプレーナ導波路ＣＰＷとキャパシタＣ２とに直列にＳＱＵＩＤ１０ｂを挿入することで構成される。共振回路１１ｂの一端（図８の例ではコプレーナ導波路ＣＰＷの一端）が超伝導ループ回路１００の一点に接続され、共振回路１１ｂの他端（図８の例ではキャパシタＣ２の端子）がマイクロ波発生装置２ｂに接続されている。また、超伝導ループ回路１００の別の一点が接地されている。
【００５５】
本実施例のマイクロ波発生装置２ｂは、共振回路１１ｂの他端にマイクロ波電流を供給することで、周波数可変共振器１ｂにマイクロ波を印加する。
【００５６】
相互インダクタンスＭ等の素子のパラメータは設計により様々に変化させることができるが、第１の実施例と同等のパラメータを用いた場合、周波数可変共振器１ｂにマイクロ波を印加した場合の超伝導磁束量子ビット３ｂの挙動は第１の実施例と同じになる（図５（Ａ）、図５（Ｂ）、図６（Ａ）、図６（Ｂ））。したがって、分布定数型の共振回路１１ｂを用いた場合にも超伝導磁束量子ビット３ｂのエネルギーを１ＧＨｚ以上変化させることが可能となる。
【００５７】
本実施例においても、第１の実施例と同様に、ＳＱＵＩＤ１０ｂを構成する超伝導ループ回路１００と超伝導磁束量子ビット３ｂを構成する超伝導ループ回路３００の一部を一体化して、超伝導ループ回路１００と超伝導ループ回路３００の相互インダクタンスＭを増加させるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、超伝導磁束量子ビットのエネルギーを制御する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１，１ａ，１ｂ…周波数可変共振器、２，２ａ，２ｂ…マイクロ波発生装置、３，３ａ，３ｂ…超伝導磁束量子ビット、４…磁場発生装置、１０，１０ａ，１０ｂ…超伝導量子干渉素子、１１，１１ａ，１１ｂ…共振回路、１００，３００…超伝導ループ回路、１０１，３０１…ジョセフソン接合、２００…マイクロ波照射アンテナ、Ｌ…インダクタ、Ｃ，Ｃ２…キャパシタ、ＣＰＷ…コプレーナ導波路。
【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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【図７】
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【図８】
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