(57)【要約】  ソース量子ビットの古典状態をターゲット量子ビットにコピーするためのシステムおよび方法が提供される。これらの技術を用いて、量子ビットアレイの状態を読み出すことが可能である。
2008539480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の量子ビットの古典状態を第２の量子ビットにコピーする方法であって、
前記第２の量子ビットを初期古典状態に初期化するステップであって、前記第２の量子ビットが、第１のポテンシャル最小値を有する第１のポテンシャル井戸と、第２のポテンシャル最小値を有する第２のポテンシャル井戸とを含むポテンシャルエネルギ構成を有し、前記初期古典状態が、前記第１のポテンシャル井戸に位置しているステップと、
前記第１のポテンシャル井戸の前記第１のポテンシャル最小値を、前記第２のポテンシャル井戸の前記第２のポテンシャル最小値より高い第３のポテンシャル最小値に調節するステップと、
期間ｔの間、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットを結合するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記結合ステップが、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットを強磁性的に結合することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記結合ステップが、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットを反強磁性的に結合することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の量子ビットが、第１のトンネル障壁を含むポテンシャルエネルギ構成を有し、かつ前記第２の量子ビットの前記ポテンシャルエネルギ構成が、第２のトンネル障壁を含み、前記方法が、前記初期化ステップの前に、前記第１のトンネル障壁および前記第２のトンネル障壁の少なくとも１つを引き上げることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第３のポテンシャル最小値が、前記第２のトンネル障壁より少なくともわずかに低い、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記引き上げステップが、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットの少なくとも１つに横磁界を印加することを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記引き上げステップが、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットの少なくとも１つのジョセフソンエネルギを調整することを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記結合ステップの後に、前記第１のポテンシャル井戸を、前記第３のポテンシャル最小値から、およそ前記第１のポテンシャル最小値へ逆に調節することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記初期化ステップの前に、前記第１の量子ビットと、前記第１の量子ビットに結合された素子との間の結合強度を、ほぼゼロに低減することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記初期化ステップの前に、前記第２の量子ビットと、前記第２の量子ビットに結合された素子との間の結合強度を、ほぼゼロに低減することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１のポテンシャル最小値が、前記第２のポテンシャル最小値とほぼ等しい、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の量子ビットのポテンシャルエネルギ構成が、前記初期化、調節および結合ステップ中に、双安定ポテンシャルである、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記期間ｔが、約１μｓ〜１００μｓである、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記期間ｔが、約１ｎｓより大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記結合ステップが、前記第２の量子ビットの最終古典状態が前記第１の量子ビットの前記古典状態に一致することに帰着する、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記最終古典状態が、前記初期古典状態から前記最終古典状態へのトンネリングによって達せられる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の量子ビットが超伝導ループを含み、前記調節ステップが、前記超伝導ループを通して磁束バイアスを調整することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記第２の量子ビットが超伝導ループを含み、前記初期化ステップが、前記第２の量子ビットの状態が前記初期古典状態へトンネリングするように、超伝導ループを通して磁束を調整することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記結合ステップが、
前記第１の量子ビットと前記第２の量子ビットとの間の結合の結合強度を、最小値から所定値に増加させることと、
前記結合強度を、前記所定値からほぼ前記最小値に低減することと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記結合強度の前記最小値がほぼゼロであり、前記結合強度の前記所定値が、前記結合の最大結合強度である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記結合強度の前記所定値が、前記結合の最大結合強度の半分より大きい、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記結合強度を前記所定値に期間ｔの間、維持することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記結合ステップが、
前記第１の量子ビットと前記第２の量子ビットとの間の結合を、期間ｔの間ターンオンすることと、
前記結合をターンオフすることと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記結合ステップが、ｒｆ−ＳＱＵＩＤを用いて実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットが、それぞれ、ｒｆ−ＳＱＵＩＤを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットが、それぞれ、分割接合を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
第１の量子ビットの古典状態を第２の量子ビットにコピーする方法であって、前記第１の量子ビットが、第１のトンネル障壁を含むポテンシャルエネルギ構成を特徴とし、前記第２の量子ビットが、第２のトンネル障壁を含むポテンシャルエネルギ構成を特徴とし、前記方法が、
前記第２のトンネル障壁を引き下げるステップと、
期間ｔの間、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットを結合するステップと、
前記第２のトンネル障壁を引き上げるステップと、
を含む方法。
【請求項２８】
前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットのうち少なくとも１つの磁束バイアスが、前記引き下げ、結合および引き上げステップの少なくとも１つの間、磁束量子のほぼ半分に維持される、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記磁束バイアスが、前記第１の量子ビットから前記第２の量子ビットに結合される磁束の量にほぼ等しい許容誤差を有する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１の量子ビットの磁束バイアスが、前記引き下げ、結合および引き上げステップの少なくとも１つの間、前記第１の量子ビットのヒステリシス領域内にある、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記引き下げおよび引き上げステップの少なくとも１つが、断熱的に実行される、請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
前記結合ステップが、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットを強磁性的に結合することを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３３】
前記結合ステップが、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットを反強磁性的に結合することを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３４】
前記引き下げステップの前に、前記第１のトンネル障壁および前記第２のトンネル障壁の少なくとも１つを引き上げることをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３５】
前記引き下げステップの前に、前記第１の量子ビットと、前記第１の量子ビットに結合された素子との間の結合強度を、ほぼゼロに低減することをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３６】
前記引き下げステップの前に、前記第２の量子ビットと、前記第２の量子ビットに結合された素子との間の結合強度を、ほぼゼロに低減することをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３７】
前記第１の量子ビットの前記ポテンシャルエネルギ構成が、双安定ポテンシャルであり、前記第２の量子ビットの前記ポテンシャルエネルギ構成が、双安定ポテンシャルである、請求項２７に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットのうち少なくとも１つの前記双安定ポテンシャルが、２つのほとんど縮退しているエネルギレベルを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記引き上げステップが、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットの少なくとも１つに横磁界を印加することを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項４０】
前記第２の量子ビットが古典状態を有し、前記引き上げステップが、前記第２の量子ビットの古典状態のトンネリングを防ぐことを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項４１】
前記引き下げステップの時間期間ｔ２が、約１μｓより大きい、請求項２７に記載の方法。
【請求項４２】
前記引き下げステップの時間期間ｔ２が、約１００ｎｓ〜１ｍｓである、請求項２７に記載の方法。
【請求項４３】
前記第２の量子ビットが、前記引き下げステップおよび前記引き上げステップの少なくとも１つの間にトンネリングしない、請求項２７に記載の方法。
【請求項４４】
前記引き上げステップの時間期間ｔ３が、約１μｓよりも大きい、請求項２７に記載の方法。
【請求項４５】
前記引き上げステップの時間期間ｔ３が、約１００ｎｓ〜１ｍｓである、請求項２７に記載の方法。
【請求項４６】
前記第２の量子ビットが分割接合を含み、前記引き下げステップおよび前記引き上げステップが、それぞれ、分割接合において磁束を調整することを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項４７】
前記結合ステップが、
前記第１の量子ビットと前記第２の量子ビットとの間の結合の結合強度を、最小結合強度から所定の結合強度に増加させることと、
前記期間ｔの間、前記結合強度を前記所定の結合強度に維持することと、
前記結合強度を、前記所定の結合強度から前記最小結合強度に低減することと、
を含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項４８】
前記最小結合強度がほぼゼロであり、前記所定の結合強度が前記結合の最大結合強度である、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記所定の結合強度が、前記結合の最大結合強度の半分より大きい、請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
前記結合強度を前記所定の結合強度に期間ｔの間、維持することをさらに含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項５１】
前記結合ステップが、
前記第１の量子ビットと前記第２の量子ビットとの間の結合を、期間ｔの間ターンオンすることと、
前記結合をターンオフすることと、
を含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項５２】
前記結合ステップが、ｒｆ−ＳＱＵＩＤを用いて実行される、請求項２７に記載の方法。
【請求項５３】
前記期間ｔが、約１ｍｓ〜１００μｓである、請求項２７に記載の方法。
【請求項５４】
前記期間ｔが約１ｎｓより大きい、請求項２７に記載の方法。
【請求項５５】
前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットが、それぞれ、ｒｆ−ＳＱＵＩＤを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項５６】
前記結合ステップが、前記第２の量子ビットの最終古典状態が前記第１の量子ビットの前記古典状態と一致するように、前記第２のトンネル障壁を通るトンネリングを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項５７】
量子ビットアレイにおける量子ビットの古典状態を読み出すための方法であって、前記アレイが、複数の周辺量子ビットおよび複数の内部量子ビットを含み、前記方法が、
周辺量子ビットの古典状態を初期化するステップであって、前記周辺量子ビットが関連する読み出しデバイスを有するステップと、
内部量子ビットの古典状態を前記周辺量子ビットにコピーするステップと、
前記周辺量子ビットの前記古典状態を読み出すことによって、前記内部量子ビットの前記古典状態を読み出すステップと、
を含み、
前記周辺量子ビットが、最小結合強度と所定の結合強度との間で調節可能な結合強度を有する結合素子を介して、前記内部量子ビットに結合される方法。
【請求項５８】
前記最小結合強度がほぼゼロであり、前記所定の結合強度が前記結合の最大結合強度である、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記所定の結合強度が、前記結合の最大結合強度の半分より大きい、請求項５７に記載の方法。
【請求項６０】
複数の内部量子ビットのそれぞれのために、前記初期化、コピーおよび内部量子ビット読み出しステップを繰り返すことをさらに含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６１】
前記初期化ステップが、前記周辺量子ビットを任意の古典状態に初期化することを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６２】
前記周辺量子ビットが超伝導ループを含み、前記初期化ステップが、前記周辺量子ビットの状態が任意の古典状態へトンネリングするように、前記超伝導ループを通して磁束を調整することを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６３】
前記結合素子が、前記内部量子ビットを前記周辺量子ビットに強磁性的に結合し、前記コピーステップが、前記強磁性結合を介して、前記内部量子ビットの前記古典状態を前記周辺量子ビットにコピーすることを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６４】
前記結合素子が、前記内部量子ビットを前記周辺量子ビットに反強磁性的に結合し、前記コピーステップが、前記反強磁性結合を介して、前記内部量子ビットの前記古典状態を前記周辺量子ビットにコピーすることを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６５】
前記周辺量子ビットが、トンネル障壁を含むポテンシャルエネルギ構成を特徴とし、前記コピーステップが、
前記トンネル障壁を引き下げることと、
期間ｔの間、前記内部量子ビットおよび前記周辺量子ビットを結合することと、
前記トンネル障壁を引き上げることと、
を含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６６】
前記引き下げおよび前記引き上げステップの少なくとも１つが、断熱的に実行される、請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記コピーステップ中に、前記内部量子ビットおよび前記周辺量子ビットのうち少なくとも１つの磁束バイアスを磁束量子のほぼ半分に維持することをさらに含む、請求項６５に記載の方法。
【請求項６８】
前記周辺量子ビットが、前記内部量子ビットに隣接せず、前記コピーステップが、前記内部量子ビットの前記古典状態を、前記内部量子ビットと前記周辺量子ビットとの間に位置する少なくとも１つの中間量子ビットにコピーすることを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６９】
前記初期化、コピーおよび内部量子ビット読み出しステップが、２回以上実行される、請求項５７に記載の方法。
【請求項７０】
前記アレイが、磁束量子ビットの二次元アレイである、請求項５７に記載の方法。
【請求項７１】
前記結合素子が、前記内部量子ビットを前記周辺量子ビットに制御可能に強磁性的または反強磁性的に結合するように構成されている、請求項５７に記載の方法。
【請求項７２】
前記内部量子ビット、前記周辺量子ビットおよび前記結合素子の少なくとも１つが、ｒｆ−ＳＱＵＩＤを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項７３】
前記内部量子ビットおよび前記周辺量子ビットの少なくとも１つが、分割接合を含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項７４】
前記初期化ステップが、前記周辺量子ビットを初期古典状態に初期化することを含み、
前記周辺量子ビットが、第１のポテンシャル最小値を有する第１のポテンシャル井戸と、第２のポテンシャル最小値を有する第２のポテンシャル井戸とを含むポテンシャルエネルギ構成を特徴とし、
前記初期古典状態が、前記第１のポテンシャル井戸に位置し、
前記コピーステップが、
前記第１のポテンシャル最小値を、前記第２のポテンシャル最小値より高い第３のポテンシャル最小値に調節することと、
期間ｔの間、前記内部量子ビットおよび前記周辺量子ビットを結合することと、
を含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項７５】
第１の量子ビット手段の古典状態を第２の量子ビット手段にコピーする方法であって、
前記第１の量子ビット手段を前記第２の量子ビット手段に結合するための工程と、
前記第１の量子ビット手段のトンネル障壁および前記第２の量子ビット手段のトンネル障壁の少なくとも１つを調節するための工程と、
前記第１の量子ビット手段および前記第２の量子ビット手段のうち少なくとも１つのポテンシャルエネルギ構成の対称性を調節するための工程と、
を含む方法。
【請求項７６】
前記トンネル障壁を調節するための前記工程が、前記第１の量子ビット手段および前記第２の量子ビット手段のうち少なくとも１つのジョセフソンエネルギを調節するための工程を含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
前記トンネル障壁を調節するための前記工程が、前記第１の量子ビット手段および前記第２の量子ビット手段の少なくとも１つに対して横方向の磁界バイアスを調整するための工程を含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項７８】
前記ポテンシャルエネルギ構成の前記対称性を調節するための前記工程が、前記第１の量子ビット手段および前記第２の量子ビット手段の磁束バイアスを調整するための工程を含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項７９】
結合するための前記工程が、前記結合工程の結合強度を調整するための工程を含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項８０】
第１の量子ビットの古典状態を第２の量子ビットにコピーするためのシステムであって、前記第１の量子ビットが、第１のトンネル障壁を含むポテンシャルエネルギ構成を特徴とし、前記第２の量子ビットが、第２のトンネル障壁を含むポテンシャルエネルギ構成を特徴とし、前記システムが、
前記第２のトンネル障壁を引き下げるための命令を含む第１の障壁調節モジュールと、
前記第１の量子ビットを前記第２の量子ビットに結合するための命令を含む結合モジュールと、
前記第２のトンネル障壁を引き上げるための命令を含む第２の障壁調節モジュールと、
を含むシステム。
【請求項８１】
前記第１の障壁調節モジュールおよび前記第２の障壁調節モジュールが、単一モジュールを含む、請求項５７に記載のシステム。
【請求項８２】
前記コピープロセスの少なくとも一部の間に、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットのうち少なくとも１つの磁束バイアスを、磁束量子のほぼ半分に維持するための命令を含む磁束モジュールをさらに含む、請求項５７に記載のシステム。
【請求項８３】
第１の量子ビットを初期古典状態に初期化するステップであって、前記第１の量子ビットが、第１のポテンシャル最小値を有する第１のポテンシャル井戸と、前記第２のポテンシャル最小値を有する前記第２のポテンシャル井戸とを含むポテンシャルエネルギ構成を有し、前記初期古典状態が、前記第１のポテンシャル井戸に位置している、ステップと、
前記第１のポテンシャル井戸の前記第１のポテンシャル最小値を、前記第２のポテンシャル井戸の前記第２のポテンシャル最小値より高い第３のポテンシャル最小値に調節するステップと、
期間ｔの間、前記第１の量子ビットおよび第２の量子ビットを結合するステップと、
のための実行可能命令を格納するコンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００５年４月２６日出願の米国仮特許出願第６０／６７５，１３９号の利益を主張し、この仮特許出願の全体を参照により本明細書に援用する。
【０００２】
１．発明の分野
本方法およびシステムは、量子計算の分野、特に超伝導装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
２．背景
１９８２年に、リチャード・ファインマン（Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｆｅｙｎｍａｎ）は、制御可能な量子系を用いて、従来のコンピュータよりも効率的に他の量子系をシミュレート可能であることを提示した。ファインマン（Ｆｅｙｎｍａｎ）、１９８２年、「Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ」２１、４６７〜４８８頁を参照されたい。この制御可能な量子系は、今日では一般に量子コンピュータと呼ばれ、また量子系をシミュレートするためかまたは特別な量子アルゴリズムを実行するために利用できる汎用量子コンピュータの開発に、努力が払われてきた。特に、量子系の振る舞いのためのモデルの解明には、量子系のハミルトニアンに関係する微分方程式の解決が一般に含まれる。デービッド・ドイッチュ（Ｄａｖｉｄ  Ｄｅｕｔｓｃｈ）は、ある一定の計算において時間の節約（後になって指数関数的な時間の節約として示された）をもたらすために、量子系を利用可能なことを観測した。量子系のハミルトニアンを表わす方程式の形でモデル化された問題がある場合には、系の振る舞いから、方程式の解に関する情報を得ることが可能であろう。ドイッチュ（Ｄｅｕｔｓｃｈ）、１９８５年、「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  Ｒｏｙａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｌｏｎｄｏｎ」Ａ４００、９７〜１１７頁を参照されたい。
【０００４】
量子計算技術における１つの制約は、量子計算を支援できる系の識別である。以下のセクションで詳述するように、量子ビットは、古典的デジタルコンピュータの「ビット」に類似し、量子情報を格納するための基礎として働く。しかしながら、量子ビットは、量子計算を実行するのに十分なほど長く、コヒーレントな量子的振る舞いを維持できなければならない。コヒーレントな量子的振る舞いの喪失は、デコヒーレンスと呼ばれる。さらに、量子ビットの状態を読み出すための技術が、量子計算の結果を決定するために必要とされる。理想的には、かかる読み出し機構は、読み出し動作の前に、量子計算システムにデコヒーレンスを持ち込まない。
【０００５】
量子コンピュータの計算能力は、その基本構成ブロックである量子ビットが、次のような方法、すなわち、一量子ビットの量子状態が、その量子ビットが結合されている量子ビットそれぞれの量子状態に影響するような方法で共に結合されるときに、向上する。この結合形状には、エンタングルメント（entanglement）と呼ばれる効果が含まれる。量子計算技術における別の制約は、かなり大きなデコヒーレンス源を持ち込まずに、量子ビットの状態を制御可能に量子もつれ（entangle）させるために利用できる方法の識別である。
【０００６】
２．１  量子計算へのアプローチ
量子コンピュータの設計および動作へのいくつかの一般的なアプローチがある。「回路モデル量子計算」と呼ばれる一アプローチは、ビットによく似た量子ビットに論理ゲートが適用されるモデルに基づいており、量子論理を用いて計算を実行するようにプログラムすることができる。この量子計算モデルは、長いコヒーレンス時間を備えた量子ビットを必要とする。量子論理関数を実行できる強固な量子ビットを開発するために、努力が払われてきた。たとえば、ショル（Ｓｈｏｒ）、２００１年、ａｒＸｉｖ．ｏｒｇ：ｑｕａｎｔ−ｐｈ／０００５００３を参照されたい。しかしながら、量子系に格納された量子情報が破壊される前に多くの計算が実行されるポイントにまで、量子系における量子ビットデコヒーレンスを低減することは、当該技術分野において十分には達成されていない。
【０００７】
「熱アシスト断熱量子計算（thermally-assisted adiabatic quantum computing）」として周知の、量子計算への別のアプローチには、量子ビットアレイの最低エネルギ構成（the lowest energy configuration）を発見することが含まれる。このアプローチは、量子ゲートおよび回路を決定的には用いない。代わりに、それは、古典的効果および場合によっては量子効果を用い、既知の初期ハミルトニアンから開始する相互作用量子ビット系の状態を操作し、最終状態が、問題の物理系のハミルトニアンを表わすようにする。このプロセスでは、量子コヒーレンスは、量子ビットにとって厳密な要件ではない。この種のアプローチの例が、断熱量子計算である。たとえば、ファーリ（Ｆａｒｈｉ）ら、２００１年、「Ｓｃｉｅｎｃｅ」２９２、４７２〜４７６頁を参照されたい。
【０００８】
２．２  量子ビット
量子ビット（ｑｕａｎｔｕｍ  ｂｉｔまたはｑｕｂｉｔ）は、従来のデジタルビットの量子力学的な類似物である。ビットにおける「０」および「１」のように、２つの別個の状態の１つを単に符号化する代わりに、量子ビットは、０および１の重ね合わせ状態にも配置することができる。すなわち、量子ビットは、「０」および「１の」両方の状態に同時に存在でき、かくして、両方の状態で同時に量子計算を実行することができる。したがって、純粋に別個の状態（０または１）を保持する量子ビットは、古典状態にあると言われるのに対して、状態の重ね合わせを保持する量子ビットは、量子状態にあると言われる。一般に、Ｎ量子ビットは、２Ｎ状態の重ね合わせに存在することができる。量子アルゴリズムは、重ね合わせ特性を利用して、ある一定の計算を加速する。
【０００９】
標準的な表記法では、量子ビットの基底状態は、｜０＞および｜１＞状態と呼ばれる。量子計算中に、量子ビットの状態は、一般に、基底状態の重ね合わせであり、量子ビットが、｜０＞基底状態を占める非ゼロ確率、および同時に｜１＞基底状態を占める非ゼロ確率を有するようにする。数学的には、基底状態の重ね合わせは、｜Ψ＞と表わされる量子ビットの全体的状態が｜Ψ＞＝ａ｜０＞＋ｂ｜１＞の形式を有することを意味し、ここで、ａおよびｂは、それぞれ、測定において｜０＞または｜１＞を得る確率｜ａ｜２および｜ｂ｜２に対応する係数である。係数ａおよびｂは、それぞれ、実成分および虚数成分を有する。量子ビットの量子性は、大部分は、基底状態のコヒーレントな重ね合わせを形成するその能力に由来する。量子ビットは、係数ａおよびｂの振幅および位相が、外部環境によって影響されない限り、コヒーレントな重ね合わせにある。量子ビットは、量子ビットがデコヒーレンス源から十分に隔離されている場合には、基底状態のコヒーレント重ね合わせとして存在するこの能力を保持する。
【００１０】
量子ビットを用いて計算を完了するために、量子ビットの状態が測定される（たとえば、読み出される）。典型的には、量子ビットの測定が行なわれると、量子ビットの量子性が、一時的に失われ、基底状態の重ね合わせは、｜０＞基底状態または｜１＞基底状態へと崩壊し、したがって、従来のビットとの類似性を取り戻す。崩壊した後の量子ビットの実際の状態は、読み出し動作直前の確率｜ａ｜２および｜ｂ｜２に依存する。量子ビットに関するより多くの情報のためには、一般に、ニールセン（Ｎｉｅｌｓｅｎ）およびチュアン（Ｃｈｕａｎｇ）、２０００年、「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ、３４４〜３４５頁を参照されたい。
【００１１】
２．３  超伝導量子ビット
量子コンピュータを構築するために利用できる多くの異なる技術がある。一実装では、超伝導材料が用いられる。超伝導量子ビットには、拡張性という利点がある。超伝導量子ビットを用いて大規模量子コンピュータを実現する可能性は、有望である。なぜなら、超伝導量子ビットの製造に関係する技術およびプロセスは、従来のシリコンベースのコンピュータのために用いられる技術およびプロセスと類似しており、それらに対して基盤および技術的ノウハウが既に存在しているからである。かかるコンピュータの実現に向けて、シュナーマン（Ｓｈｎｉｒｍａｎ）らは、１９９７年、「Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」７９、２３７１〜２３７４で、必要な量子効果を生むためにジョセフソン接合を用いる超伝導量子コンピュータを提案した。
【００１２】
超伝導量子ビットは、情報を符号化するために用いられる物理的特性に依存して、いくつかのカテゴリに分けることができる。量子ビットの一般的な分割では、マクリン（Ｍａｋｈｌｉｎ）ら、２００１年、「Ｒｅｖｉｅｗｓ  ｏｆ  Ｍｏｄｅｒｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ」７３、３５７〜４００頁に説明されているように、量子ビットを電荷および位相素子に分ける。
【００１３】
超伝導量子ビットは、典型的には、２つの異なるタイプのエネルギ、すなわち帯電エネルギＥＣおよびジョセフソンエネルギＥＪを特徴とする。所定の超伝導量子ビットにおけるこれらのエネルギタイプのそれぞれの大きさは、量子ビットの物理的パラメータに依存する。たとえば、超伝導量子ビットの帯電エネルギは、量子ビットの成分（たとえば量子ビット接合）の帯電エネルギの関数である。言い換えると、量子ビット接合の帯電エネルギが、ｅ２／（２Ｃ）として定義され、ここでＣは、接合の静電容量である。超伝導量子ビットのジョセフソンエネルギは、量子ビットの成分（たとえば量子ビット接合）のジョセフソンエネルギの関数である。言い換えると、量子ビット接合（たとえばジョセフソン接合）のジョセフソンエネルギは、量子ビット接合の臨界電流に関係する。具体的には、量子ビット接合のジョセフソンエネルギは、接合の臨界電流ＩＣに比例し、
【数１】
2008539480.tif 000003
という関係を満足させるが、ここで
【数２】
2008539480.tif 000004
は、２πで割られたプランク定数である。超伝導量子ビットの全体的なジョセフソンエネルギと全体的な帯電エネルギとの比率を用いて、超伝導量子ビットを分類することができる。たとえば、一分類方式では、所定の超伝導量子ビットの全体的な帯電エネルギが、量子ビットの全体的なジョセフソンエネルギよりはるかに大きな場合に、量子ビットは電荷量子ビットであると考えられる。また所定の超伝導量子ビットの全体的なジョセフソンエネルギが、量子ビットの全体的な帯電エネルギよりはるかに大きな場合には、量子ビットは、位相量子ビットであると考えられる。本明細書で用いられる限りでは、２つのエネルギ項を評価する文脈において、用語「はるかに大きい」は、１つめのエネルギ項が、第２のエネルギ項より２倍〜２０倍超大きいいかなる位置にあってもよいことを意味する。
【００１４】
量子ビットに基づいた量子系では、位相および電荷は、共役変数である。すなわち、位相の決定の精度がより高ければ、それは電荷におけるより大きな不確実性へとつながり、逆の場合も同様である。電荷量子ビットは、電荷の値がより局在化された電荷基準（または領域）で動作すると言われ、一方で、位相量子ビットは、位相の値がより局在化された位相基準で動作する。
【００１５】
電荷量子ビットは、素子の電荷状態に情報を格納し操作するが、この場合に、電気素量は、クーパー対と呼ばれる電子対からなる。クーパー対は、２ｅの電荷を有し（ここでｅは、電気素量である）、光子相互作用によって共に結合された２つの電子からなる。たとえば、ニールセン（Ｎｉｅｌｓｅｎ）およびチュアン（Ｃｈｕａｎｇ）、２０００年、「Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ、３４４〜３４５頁を参照されたい。
【００１６】
他方で、位相量子ビットは、量子ビットの位相または磁束状態に情報を格納する。位相量子ビットには、ジョセフソン接合によって分断された超伝導ループが含まれる。さらに、位相量子ビットを、磁束量子ビットまたは「位相オンリー」量子ビットとして、区別することができる。磁束量子ビットは、単位磁束Φ０＝ｈｃ／２ｅのオーダで大きな磁束を閉じ込めることができる比較的大きな超伝導ループを特徴とする。ボッコ（Ｂｏｃｋｏ）ら、１９９７年、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ、Ａｐｐｌ、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔ」７、３６３８を参照されたい。他方で「位相オンリー」量子ビットは、小さなインダクタンスを特徴とし、磁気的に不活性である。「位相オンリー」量子ビットは、超伝導ループを分断するジョセフソン接合を横切る位相降下の形状で情報を格納する。たとえば、ヨッフェ（Ｉｏｆｆｅ）ら、１９９９年、「Ｎａｔｕｒｅ」３９８、６７９を参照されたい。
【００１７】
別のタイプの量子ビットは、ハイブリッド量子ビットである。ハイブリッド量子ビットは、電荷および位相自由度の両方を用いて情報を制御する。ハイブリッド量子ビットのいくつかの例が、米国特許第６，８３８，６９４号明細書および米国特許公開第２００５−００８２５１９号明細書に説明され、またこれらの特許および出願は、参照により全体において本明細書に組み込まれている。
【００１８】
２．４  超伝導磁束量子ビット
超伝導量子ビットから量子コンピュータを構築するための一提案は、ボッコ（Ｂｏｃｋｏ）ら、１９９７年、「ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ」７、３６３８頁である。また、マクリン（Ｍａｋｈｌｉｎ）ら、２００１年、「Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｍｏｄｅｒｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ」７３、３５７〜４００頁を参照されたい。その時以来、多くの設計が導入された。かかる一設計は、永久電流量子ビットである。永久電流量子ビットは、磁束量子ビットの一形状であって、それが、単位磁束Φ０＝ｈｃ／２ｅのオーダで磁束を格納できる位相量子ビットであることを意味する。ムーイ（Ｍｏｏｉｊ）ら、１９９９年、「Ｓｃｉｅｎｃｅ」２８５、１０３６、およびオーランドー（Ｏｒｌａｎｄｏ）ら、１９９９年、「Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｖｉｅｗ」Ｂ６０、１５３９８を参照されたい。図６に示すように、永久電流量子ビットには、直列で３つの微小静電容量のジョセフソン接合（図では「×」として表示されている）によって分断された厚い超伝導材料のループが含まれる。超伝導ループは、印加された磁束ｆΦＯを閉じ込めることができ、ここでΦＯは、超伝導磁束量子ｈ／２ｅであり、ｈはプランク定数である。係数ｆの値は、外部の磁気バイアスによって制御でき、通常、０．５よりわずかに小さい値に維持される。図６ではａＥＪと表示された、一ジョセフソン接合の臨界電流値は、他の２つのジョセフソン接合の臨界電流値ＥＪより小さくなるように設計されており、またこれら他の２つのジョセフソン接合は、同じかまたは非常によく似た臨界電流（これらの値は、図６ではそれぞれＥＪとして表わされている）を有することが多い。典型的に、ａは、０＜ａ＜１の範囲にある。永久電流量子ビットは、超伝導材料のループが小面積（たとえば、１０ミクロンの２乗未満）を囲むように、構築することができる。
【００１９】
永久電流量子ビットは、周知であり、長いコヒーレンス時間を実証した。たとえば、オーランドー（Ｏｒｌａｎｄｏ）らおよびイリイチョフ（Ｉｌ’ｉｃｈｅｖ）ら、２００３年、「Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ」９１、０９７９０６を参照されたい。いくつかの他のタイプの磁束量子ビットには、３を超えるかまたは３未満のジョセフソン接合を有する超伝導ループが含まれる。たとえば、ブラッター（Ｂｌａｔｔｅｒ）ら、２００１年、「Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｖｉｅｗ」Ｂ６３、１７４５１１、およびフリードマン（Ｆｒｉｅｄｍａｎ）ら、２０００年、「Ｎａｔｕｒｅ」４０６、４３を参照されたい。
【００２０】
２つの超伝導磁束量子ビットの結合について説明しているハミルトニアン系では、結合相互作用の符号を、量子ビット結合タイプを分類する基礎として用いることができる。かかる分類方式によれば、強磁性および反強磁性の２つの結合タイプがある。
【００２１】
磁束量子ビットは、典型的には、それぞれの磁束を介して相互作用する。すなわち、第１の超伝導磁束量子ビットにおける磁束の変化が、第１の超伝導磁束量子ビットに結合された第２の超伝導磁束量子ビットにおける磁束の変化を引き起こす。強磁性結合では、第１の超伝導磁束量子ビットにおける磁束の変化が、第１の超伝導磁束量子ビットが結合された第２の超伝導磁束量子ビットの磁束に同様の変化をもたらすことが、エネルギ的に好都合である。たとえば、第１の量子ビットにおける磁束の増加は、２つの量子ビットが強磁性的に結合されている場合には、第２の量子ビットにおける磁束の増加を引き起こす。循環ループ電流が、磁束量子ビットの超伝導ループ内に磁束を生成するので、強磁性結合はまた、一量子ビットにおける循環電流が、別の量子ビットにおいて同じ方向に流れる電流を生成するということを意味する。
【００２２】
反強磁性の場合には、第１の超伝導磁束量子ビットにおける磁束の変化が、第１の超伝導磁束量子ビットが結合された第２の超伝導磁束量子ビットの磁束において、似ているが反対の変化（a similar but opposite change）をもたらすことが、エネルギ的に好都合である。たとえば、一量子ビットにおける磁束の増加は、反強磁性的に結合された素子における磁束の減少につながる。同様に、第１の磁束量子ビットにおける一方向の循環電流は、第１の量子ビットに反強磁性的に結合された磁束量子ビットにおける反対方向の電流を引き起こす。なぜなら、それが、エネルギ的により好都合だからである。エネルギ的により好都合であるということにより、結合された量子ビットを含む系は、特定の結合構成にあるほうが好ましいということが意味されている（なぜなら、結合された系の全体的なエネルギは、他の構成よりも、特定の構成においてより低いからである）。
【００２３】
共に結合された２つの磁束素子のハミルトニアンにおいて、
【数３】
2008539480.tif 000005
は、２つの素子間の「シグマｚ」結合を表わし、変数Ｊを結合の強さを示す前因子とする。Ｊ＞０の場合には、結合は反強磁性であり、より高いＪは、より強い反強磁性結合を意味する。Ｊ＜０の場合には、結合は強磁性であり、より低いＪは、より強い強磁性結合を意味する。Ｊ＝０の場合には、結合はない。したがって、Ｊの符号を切り替えることによって、強磁性から反強磁性へ、またはその逆に結合タイプを切り替える。
【００２４】
２．５  量子ビット用の測定技術
一般に、量子ビット測定は、量子ビットが量子状態にあることができるという仮定に基づいて、行なわれる。しかしながら、量子ビットは、古典状態のみを保持するように制限され、次に、この制限された状態にあるときに、測定することができる。測定される量子ビットが量子状態にあるという仮定か、またはそれらが古典状態に制限されたという仮定に、測定が、依存するかどうかにかかわらず、同じ回路において多数の量子ビットを測定できる当該技術分野における方法および構造が、欠如している。通常、一量子ビットのための読み出し機構は、機構を操作する少なくとも１つの制御線に加えて、ある量の回路基板スペースを必要とする。伝統的には、回路における全ての追加量子ビットに対して、少なくとも１つの追加制御線に加えて、その量子ビット用の追加読み出し機構が用いられる。これは、多数の量子ビットが存在する場合に、回路設計に問題をもたらす。なぜなら、スペース制約のために、回路における量子ビットの配置が非常に複雑になるからである。また、追加制御線の存在のために、回路において全てのワイヤの効率的なルーティングを見出すことについて問題が生じる。多数の量子ビットを備えたアレイでは、アレイ内部で量子ビットを読み出すことは、面積およびアレイ内部への配線経路の制限のために、困難になり得る。
【００２５】
上記で参照したイリイチョフ（Ｉｌ’ｉｃｈｅｖ）らは、磁束量子ビットをタンク回路に弱く結合することによって、磁束量子ビットの状態を読み出す方法を提案した。量子ビットについて測定の準備ができたときに、量子ビットの状態およびタンク回路の状態が結合するように、量子ビットは、タンク回路と共振される。次に、タンクは、量子ビットから切り離される。この方法は、読み出していない場合にタンク回路による量子ビットの散逸を低減するが、量子回路におけるより多くの量子ビットに対して拡張することができない。なぜなら、各量子ビットのために単一タンク回路を有することは、実現不可能だからである。
【００２６】
磁束量子ビットを測定する一方法は、磁束量子ビットに誘導結合された超伝導量子干渉素子、すなわちＳＱＵＩＤを用いることである。ＳＱＵＩＤには、少なくとも１つのジョセフソン接合によって分断された超伝導ループが含まれる。ＳＱＵＩＤのループを流れる電流は、いくつかの異なる方法でバイアスをかけることができる。バイアスがかけられる方法が異なるＳＱＵＩＤの２つの例が、ｄｃ−ＳＱＵＩＤおよびｒｆ−ＳＱＵＩＤである。磁束素子がそれらの磁束を介して相互作用するので、マイヤー（Ｍａｊｅｒ）ら、２００３年、ａｒＸｉｖ．ｏｒｇ：ｃｏｎｄ−ｍａｔ／０３０８１９２によって提案された方式のように、ＳＱＵＩＤタイプの素子を用いて、磁束量子ビットを共に結合することができる。磁束量子ビットの状態を測定するために用いられる場合には、ＳＱＵＩＤの超伝導電流が読み出される。なぜなら、この超伝導電流は、量子ビットの状態に依存するからである。かかるものとして、ＳＱＵＩＤ電流の測定によって、ＳＱＵＩＤが結合されている量子ビットの状態を決定することができる。しかしながら、ＳＱＵＩＤには、回路基板またはチップ上に相当量の表面積を占めるという欠点がある。より多くの量子ビットに関して、各量子ビットのためにＳＱＵＩＤを有することは、面倒で場所を取る。
【００２７】
パテルノストロ（Ｐａｔｅｒｎｏｓｔｒｏ）ら、２００５年、「Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ」Ａ７１、０４２３１１（以下では「パテルノストロ」）は、バスシステムを介し、多重量子ビット結合を通して、量子ビットの量子状態を転送する方法を開示している。パテルノストロは、量子光学装置およびＳＱＵＩＤを組み合わせて、量子演算を実行できるスピン鎖のネットワークを生成するようにする。しかしながら、全ての量子ビットを共に結合するためのバスを含むことは、システムに雑音障害の増加をもたらす可能性がある。
【００２８】
２．６  現行技術
上記の背景を鑑みて、アレイにおける量子ビット、特にアレイ内部における量子ビットの古典状態を効率的に読み出すシステムおよび方法を提供することが当該技術分野において必要とされている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２９】
４．発明の概要
一実施形態において、第１の量子ビットの古典状態を第２の量子ビットにコピーする方法が提供される。本方法には、第２の量子ビットを初期古典状態に初期化することが含まれる。第２の量子ビットは、第１のポテンシャル最小値を有する第１のポテンシャル井戸と、第２のポテンシャル最小値を有する第２のポテンシャル井戸とを含むポテンシャルエネルギ構成を有する。初期古典状態は、第１のポテンシャル井戸に位置する。本方法では、第１のポテンシャル井戸の第１のポテンシャル最小値は、第２のポテンシャル井戸の第２のポテンシャル最小値より高い第３のポテンシャル最小値へ調節される。本方法には、第１の量子ビットおよび第２の量子ビットを期間ｔの間、結合することがさらに含まれる。
【００３０】
別の実施形態において、第１の量子ビットの古典状態を第２の量子ビットにコピーする方法が提供される。第１の量子ビットは、第１のトンネル障壁を含むポテンシャルエネルギ構成を特徴とし、第２の量子ビットは、第２のトンネル障壁を含むポテンシャルエネルギ構成を特徴とする。本方法には、第２のトンネル障壁を引き下げ、第１の量子ビットおよび第２の量子ビットを期間ｔの間、結合し、それから第２のトンネル障壁を引き上げることが含まれる。
【００３１】
さらに別の実施形態において、量子ビットアレイにおける量子ビットの古典状態を読み出す方法が提供される。アレイには、周辺量子ビットおよび内部量子ビットが含まれる。本方法には、関連する読み出しデバイス（readout device）を有する周辺量子ビットの古典状態を初期化することと、内部量子ビットの古典状態を周辺量子ビットにコピーすることと、周辺量子ビットの古典状態を読み出すことによって、内部量子ビットの古典状態を読み出すこととが含まれる。周辺量子ビットは、結合強度を有する結合素子を介して、内部量子ビットに結合される。さらに、結合強度は、最小結合強度と所定の結合の強度との間で調節可能である。
【００３２】
さらに別の実施形態において、第１の量子ビット手段の古典状態を第２の量子ビット手段にコピーする方法が提供される。本方法には、第１の量子ビット手段を第２の量子ビット手段に結合するための工程と、第１の量子ビット手段のトンネル障壁および第２の量子ビット手段のトンネル障壁の少なくとも１つを調節するための工程と、第１の量子ビット手段および第２の量子ビット手段の少なくとも１つのポテンシャルエネルギ構成の対称性を調節するための工程とが含まれる。
【００３３】
さらに別の実施形態において、第１の量子ビットの古典状態を第２の量子ビットにコピーするためのシステムが提供される。第１の量子ビットは、第１のトンネル障壁を含むポテンシャルエネルギ構成を特徴とし、第２の量子ビットは、第２のトンネル障壁を含むポテンシャルエネルギ構成を特徴とする。本システムには、第１の障壁調節モジュール、結合モジュール、および第２の障壁調節モジュールが含まれる。第１の障壁調節モジュールには、第２のトンネル障壁を引き下げるための命令が含まれる。結合モジュールには、第１の量子ビットを第２の量子ビットに結合するための命令が含まれる。第２の障壁調節モジュールには、第２のトンネル障壁を引き上げるための命令が含まれる。
【００３４】
さらに別の実施形態において、第１の量子ビットを初期古典状態に初期化するための実行可能命令を格納するコンピュータ可読媒体が提供される。この実施形態において、第１の量子ビットは、第１のポテンシャル最小値を有する第１のポテンシャル井戸および第２のポテンシャル最小値を有する第２のポテンシャル井戸を含むポテンシャルエネルギ構成を有し、初期古典状態が、第１のポテンシャル井戸に位置している。コンピュータ可読媒体は、第１のポテンシャル井戸の第１のポテンシャル最小値を、第２のポテンシャル井戸の第２のポテンシャル最小値より高い第３のポテンシャル最小値へ調節するための実行可能命令をさらに格納する。コンピュータ可読媒体は、第１の量子ビットおよび第２の量子ビットを期間ｔの間、結合するための実行可能命令をさらに格納する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
５．詳細な説明
以下でさらに詳細に説明するように、本方法およびシステムは、第１の量子ビットの古典状態を第２の量子ビットにコピーすることに備える。いくつかの実施形態において、第１および第２の量子ビットは結合され、第２の量子ビットの脱出確率（the escape probability）が調整される。他の実施形態において、第１の量子ビットの状態をコピーするために、第２の量子ビットのトンネル障壁が、高い値に初期化され、それから引き下げられ、量子ビットが結合され、次に、第２の量子ビットのトンネル障壁が、引き上げられる。
【００３６】
本方法およびシステムはまた、量子ビットのアレイの状態を読み出すことを備えることが可能である。いくつかの実施形態において、アレイは二次元であってもよく、アレイの外周における量子ビットが、当該技術分野で周知の技術を用いて、読み出される。次に、周辺量子ビットに隣接する量子ビットの状態が、本方法およびシステムを用いて、アレイの外周における対応する隣接量子ビットへコピーされる。一旦コピーされると、状態は、当該技術分野で周知の技術を用いて読み出され、それによって、アレイ内部における量子ビットの状態を読み出すための機構が提供される。いくつかの例において、このプロセスは、アレイ全体が読み出されるまで、アレイ内部のいっそう深い量子ビットに対して継続する。アレイ内部における量子ビットの読み出しは、測定の精度を増加させるために、複数回行なってもよい。
【００３７】
磁束量子ビットなどの量子ビットは、二準位系として機能する。すなわち、量子ビットは、情報を保持する２つの別個の状態を有する。たとえば、磁束量子ビットとして用いることができるｒｆ−ＳＱＵＩＤ１００Ａを図１Ａに示す。ｒｆ−ＳＱＵＩＤ１００Ａには、ジョセフソン接合１０１によって分断された主超伝導ループ１０３が含まれる。ｒｆ−ＳＱＵＩＤ１００Ａの２つの別個の状態は、矢印１０２−０および１０２−１としてそれぞれ示された、ループを回る循環電流の２つの方向である。ｒｆ−ＳＱＵＩＤ１００Ａは、超伝導ループの一方向にのみ電流が流れる古典状態か、または超伝導ループの両方向に同時に電流が流れる量子重ね合わせ状態に存在することができる。図１Ｂは、ｒｆ−ＳＱＵＩＤ１００Ａのための対応するエネルギ図を示す。ポテンシャルエネルギ地形１００Ｂは、２つの最小値１６０−０および１６０−１ならびにエネルギ障壁１４０を備えた双安定ポテンシャルである。最小値１６０−０および１６０−１は、いくつかの例では、縮退している場合があるが、その意味は、それらが同じエネルギを有するということである。他の例では、最小値１６０−０および１６０−１は、縮退していない。最小値が縮退している場合に、エネルギ地形は、対称と呼ばれる。図１Ａにおける電流方向１０２−０および１０２−１は、それぞれ、図１Ｂの最小値におけるポテンシャル井戸１６０−０および１６０−１に対応する。しかしながら、この特定の対応は、任意である。この対応を用いて、図１Ａの電流１０２−０に対応する古典状態を有する量子ビットは、図１Ｂの左のポテンシャル井戸である井戸１６０−０に位置すると言われる。同様に図１Ａの電流１０２−１に対応する古典状態を有する量子ビットは、図１Ｂの右のポテンシャル井戸である井戸１６０−１に位置すると言われる。
【００３８】
量子ビット１００Ａの状態は、エネルギ障壁１４０を通って一方の最小値から他方の最小値へ量子力学的にトンネリングすることができる。このトンネリングの頻度は、障壁の高さに依存する。障壁が高い場合には、トンネリングの発生はより少ない。障壁が低い場合には、トンネリングは、より頻繁に発生する。トンネリングがほとんどまたは全く発生しない場合（高い障壁）には、量子ビットは古典領域にあると言われる。トンネリングレートが高い（低い障壁）場合には、量子ビットは、量子領域にあると言われる。量子ビットが古典状態を保持する場合には、量子ビットの状態が、１つの井戸に完全に局在化され、両方の井戸の重ね合わせにはないことが意味される。
【００３９】
エネルギ地形１００Ｂは、ｒｆ−ＳＱＵＩＤ１００Ａのバイアスパラメータを変更することによって、調整することができる。たとえば、量子ビットのジョセフソンエネルギを調整することによって、エネルギ障壁１４０の高さを変更することができる。接合１０１のジョセフソンエネルギを調整できるようにするために、分割接合（split junction）として周知の、小さなループにおける２つのジョセフソン接合が、単一の接合１０１に取って代わることができる。分割接合磁束量子ビット１００Ｃの例を、図１Ｃに示す。これには、主ループ１０３に加えて、小さな超伝導ループ１０４を形成する２つのジョセフソン接合１０１−１および１０１−２が含まれる。分割接合の小さなループ１０４における磁束を調整することによって、分割接合の有効ジョセフソンエネルギを変化させる。また、ジョセフソン接合１０１を通して横（面内）磁束（transverse(in-plane) magnetic flux）を印加することによって、接合１０１のジョセフソンエネルギを調整することができる。井戸１６０−０および１６０−１のポテンシャル最小値は、主ループ１０３に印加される磁束ΦＸの大きさを調節することによって、互いに対して変更することができる。かかる調節を行うために、磁界磁束を、量子ビット１００Ｃに隣接する誘導バイアスループ（図示せず）によって、印加することができる。主ループ１０３における循環電流によって生成される磁気モーメントの強さは、ジョセフソン接合１０１のジョセフソンエネルギを変化させることによって調整することができるが、これは、上記の方法などの方法を用いて行なわれる。これらの機構によって、ｒｆ−ＳＱＵＩＤ１００Ｃの振る舞いにおけるより大きな柔軟性が可能になる。
【００４０】
磁束量子ビットの初期化は、たとえば当該技術分野において周知の初期化方法を用いて、量子ビットを既知の状態に置くことを意味する。これは、通常、量子ビットに関する量子演算の開始前に行われる。図１Ａに示す１００Ａなどのｒｆ−ＳＱＵＩＤを古典状態に初期化するために、量子ビットの状態は、そのポテンシャル井戸の１つ（たとえば、井戸１６０−０または井戸１６０−１）に局在化される。これを達成する一方法は、エネルギ地形を、極めて非縮退的にすることである。たとえば、量子ビットがポテンシャル井戸１６０−１に初期化されることになる場合には、ポテンシャル井戸１６０−０のエネルギ最小値は、エネルギ障壁１４０の高さよりわずかに低い値に引き上げられ、かくして、井戸１６０−０は、井戸１６０−１と比較して「浅く」される。量子ビットの超伝導ループに印加される磁束の量を調節することによって、井戸１６０−０のポテンシャルエネルギ最小値を引き上げることができる。井戸１６０−０は、エネルギ障壁１４０よりわずかに低くされることができる。本明細書において用いられる限りでは、いくつかの例において、用語「わずかに低い」は、井戸１６０−０のポテンシャルエネルギ最小値の値が、エネルギ障壁１４０の値の約８０〜９０パーセント内にあることを意味する。かかる不安定状態では、トンネリングが発生して、量子ビットの状態が井戸１６０−１に局在化される確率が高い。かかるシナリオでは、井戸１６０−１のポテンシャルエネルギは、エネルギ障壁１４０よりはるかに低く、その結果として、井戸１６０−１からのトンネリングは発生しない。一旦ｒｆ−ＳＱＵＩＤ１００Ａの状態が、井戸１６０−１に局在化されると、井戸１６０−０は、ほぼその元の値に低下される。
【００４１】
ｒｆ−ＳＱＵＩＤ１００Ａのような磁束量子ビットの状態を読み出すための方法は、当該技術分野において周知である。しかしながら、これまでに提案された読み出し方式は、少数の量子ビットに対してのみ有用であり、拡張性がない。多数の量子ビットが回路に存在する場合には、スペースおよび配線の制約のために、これらの方式は、有効でなくなるであろう。量子コンピュータまたは量子プロセッサでは任意の量子ビットの状態を読み出し得ることが望ましいので、各量子ビットが関連する読み出しデバイスを有するシステムが、望ましい。
【００４２】
本方法およびシステムの一特徴は、全ての量子ビットの状態を測定するために一群の量子ビットにおける各量子ビットが読み出しデバイスを有するべき、という要件が少しもないことである。量子ビットの状態が古典的である場合（これは、上記のように、量子ビットの２つの状態間でトンネル障壁１４０を引き上げることによって達成できる）には、読み出しデバイスのない量子ビット状態を、読み出しデバイスを有する量子ビットへコピーすることができる。かかる技術は、量子状態を正確にはコピーできないとする量子の「ノーコピー」ルールを犯さない。量子ビットは古典状態にあり、それは、量子ビットが２つの状態の重ね合わせではないことを意味しているので、状態のコピーを妨げる物理的な障害はない。本方法およびシステムにおける態様には、ある量子ビットから別の量子ビットへ、古典状態を誘導的にコピーするための２つの技術が含まれる。
【００４３】
強磁性状態のコピー
図２は、２つのｒｆ−ＳＱＵＩＤ磁束量子ビット２０１および２０３、ならびに量子ビットを強磁性的にもしくは反強磁性的に結合できるか、または結合をゼロ近くに調整することができるｒｆ−ＳＱＵＩＤ結合素子２０２を示す。ｄｃ−ＳＱＵＩＤまたは磁束トランスのような他の誘導結合素子は、それらが、本明細書で説明する結合素子の属性を依然として満たす限り、ｒｆ−ＳＱＵＩＤ２０２の代わりに用いることができる。結合素子２０２は、調整可能な結合を提供することが可能であり、また分割接合を含んでもよい。同様に、オーランドー（Ｏｒｌａｎｄｏ）ら、１９９９年、「Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｖｉｅｗ」Ｂ６０、１５３９８（参照により本明細書に援用する）の永久電流量子ビットのような他のタイプの磁束量子ビットを、ｒｆ−ＳＱＵＩＤ２０１および２０３の代わりに用いることができる。量子ビット２０１および２０３には、それぞれ、分割接合を備えたｒｆ−ＳＱＵＩＤを含んでもよい。
【００４４】
量子ビット２０１の古典状態を量子ビット２０３にコピーするための強磁性的状態コピー方法を図３Ａおよび３Ｂに示すが、図３Ｂのステップは、図３Ａのステップに順次的に続く。図３Ａおよび３Ｂは、量子ビット２０１および２０３のエネルギ地形を示し、本方法における異なる時点でのこれらの量子ビットの状態も示す。両方の量子ビット２０１および２０３のエネルギ地形は、双安定ポテンシャルであり、この双安定ポテンシャルには、２つのポテンシャル最小値井戸（図３Ａおよび３Ｂのポテンシャルエネルギ図のそれぞれに示す左および右の井戸）が含まれる。
【００４５】
ステップ３０１。ステップ３０１は、量子ビットの初期状況を示すが、この初期状況は、通常、計算または展開の終わりにある。量子ビットの状態は未知であり、したがって、量子ビットの状態は、両方の量子ビットのエネルギ地形の両方の最小値における白丸によって表わされる。最小値間のエネルギ障壁１４０は、最小値間の量子トンネリングを可能にするほど十分に低くても低くなくてもよい。量子ビット２０１および２０３は、縮退しているかまたはおおむね縮退していてもよい。
【００４６】
任意のステップ３０２。量子ビット２０１の状態が量子ビット２０３にコピーされることになる場合には、量子トンネリングの発生を防ぐために、両方の量子ビットのエネルギ障壁１４０を十分に高い値に引き上げて、量子ビットの状態を古典的基底状態の１つへ効果的に投じてもよい。これを、ステップ３０２に示す。エネルギ障壁が、ステップ３０１の終わりに、トンネリングを防ぐほどに既に十分高い場合には、ステップ３０２は省略することができる。図３Ａおよび３Ｂの全体を通して用いられる黒丸は、単一の井戸への量子ビット状態の局在化を示す。したがって、ステップ３０２における量子ビット２０１の黒丸は、量子ビットの状態が右の井戸に局在化されていることを示す。本発明の方法のステップ３０２の実例において、左の井戸への局在化とは反対に右の井戸へ局在化するこの選択は、任意であって、あくまで例示のためである。実際には、量子ビットの状態が局在化される井戸の識別は、ステップ３０１の前に量子ビットに実行される量子演算または時間発展に依存する。量子ビットにおけるエネルギ障壁１４０の引き上げは、たとえば、前述の技術のいずれかを用いて量子ビットのジョセフソンエネルギを調整することによって、達成することができる。ステップ３０２の量子ビット２０３における模様のある丸は、量子ビット２０３の状態が、井戸のうちの１つに位置するが、しかしそれがどちらの井戸にあるかが重要でないことを示す。
【００４７】
ステップ３０３。任意のステップ３０２においてエネルギ障壁１４０が引き上げられた後で、量子ビット２０１または２０３と他の装置との間のどんな結合もゼロまたはゼロ近くに低減されて、量子ビットの状態を変化させる可能性があるさらなる相互作用を防ぐようにする。結合をゼロまたはゼロ近くに低減することは、エネルギ障壁１４０の引き上げと同時に行ってもよい。したがって、ステップ３０２および３０３は、同時に行ってもよい。量子ビット２０１と２０３との間には初期強磁性結合がある可能性があり、それは、ステップ３０３中にゼロ（またはゼロ近く）に低減されないただ一つの結合である。ステップ３０３において、量子ビット２０３は、井戸の１つに任意に初期化される。これは、前述のように、ポテンシャル井戸の１つを引き上げることによって行うことができ、それによって、量子ビットの状態を、より低いポテンシャルエネルギを有するもう一方の井戸に局在化する。この引き上げステップは、図３Ａに示されていない。図３Ａに示すように、量子ビット２０３の状態は、左の井戸に初期化されたが、しかしこの選択は任意である。量子ビットは、右の井戸に初期化することも可能だった。
【００４８】
ステップ３０４。ステップ３０４において、量子ビット２０３が初期化された井戸のポテンシャル最小値が引き上げられる。この場合には、左の井戸が引き上げられる。換言すれば、左の井戸の最小ポテンシャルエネルギが上げられて、量子ビット２０３の双安定ポテンシャルが、浅い井戸（左）および深い井戸（右）を有するようにする。左の井戸の最小ポテンシャルエネルギを、エネルギ障壁高さ１４０に近いがそれより小さい値に引き上げることによって、量子ビット２０３が、左の井戸から右の井戸へ障壁をトンネリングする確率が増加される。しかしながら、右の井戸から左の井戸へのトンネリングは、とても起こりそうもない。井戸の深さを変更することは、量子ビットの超伝導ループを通る磁束を調整することによって、達成することができる。量子ビット２０３が右の井戸に初期化された場合には、ステップ３０４において、右の井戸のポテンシャル最小値が引き上げられることになる。
【００４９】
任意のステップ３０５。ステップ３０５において、既存の結合がない場合には、強い強磁性結合３３０が、量子ビット２０１と２０３との間に導入される。結合３３０は、図２におけるｒｆ−ＳＱＵＩＤ結合素子２０２のように、量子ビット２０１と２０３との間の結合素子をターンオンすることによって導入することができる。場合によっては、強結合は、結合素子２０２が達成できる最大ポテンシャル結合強度として定義してもよいし、また強い強磁性結合は、結合された系のハミルトニアンにおけるＪ＝−１と等価な結合強度として定義してもよく、ここで、Ｊは、量子ビット結合項の前因子である。ステップ３０５の前に量子ビット２０１と量子ビット２０３との間に、強磁性結合が既に存在している場合、たとえば、結合素子２０２が既にオンである場合には、ステップ３０５は省略することができる。量子ビット間に強磁性結合が適用されると、両方の量子ビットの状態が同じであることが、エネルギ的に好都合である。量子ビット２０１のエネルギ障壁が高いので、量子ビット２０１は、状態を変化させることができない。しかしながら、量子ビット２０３の状態は、強磁性結合３３０を通して、量子ビット２０１の状態によって大きな影響を受ける。
【００５０】
ステップ３０６。図示の例において、量子ビット２０１の状態は、右の井戸にあり、量子ビット２０３の状態は、浅い左の井戸にある。したがって、ステップ３０６に示すように、量子ビット２０３は、結合された系のエネルギを低減するために、より低い右の井戸へとエネルギ障壁をトンネリングする。この理由として、強磁性結合３３０にとって、両方の量子ビットが同じ状態を保持することが、エネルギ的により好都合だからである。量子ビット２０１におけるトンネリングは、その高いトンネル障壁ゆえに発生できないので、量子ビット２０３のみが、その状態を変化させて、量子ビット２０１の状態と一致するようにできる。他方で、量子ビット２０１の状態が左の井戸にあった場合（図示せず）には、量子ビット２０３はトンネリングせず、代わりに、大きな確率で左の井戸に留まるであろう（図示せず）。この場合にも、量子ビット２０３が依然としてトンネリングする小さな確率がある。誤ったトンネリングによるコピーエラーを除去するために、複数のコピー動作を実行して平均することができる。
【００５１】
任意のステップ３０７。強磁性結合３３０は、任意のステップ３０７で除去される。代替として、強磁性結合３３０は除去しなくてもよく、その場合には、ステップ３０７は省略される。
【００５２】
ステップ３０８。量子ビット２０３の左の井戸における最小値は、ステップ３０８で、（たとえば、その元の値に）引き下げられる。これは、量子ビット２０３のループを通して磁束にバイアスをかけることによって達成される。したがって、ステップ３０８の終わりに、量子ビット２０３の状態は、量子ビット２０１の状態と同じである。量子ビット２０１の古典状態は、量子ビット２０３にコピーされた。ステップ３０４および３０８が完了する時間間隔（すなわちポテンシャルを引き上げて引き下げるプロセス）は、ティッピングタイム（ｔｉｐｐｉｎｇ  ｔｉｍｅ）と呼ばれる。当業者は、適切なティッピングタイムの選択が一様でない場合があることを理解されよう。場合によっては、ティッピングタイムは、約１ｎｓと８００μｓとの間、たとえば１０μｓであってもよい。
【００５３】
実例として、結合強度の数値的な例を示す。量子ビット２０１および２０３は、それぞれ、２５μｍ×２５μｍのループサイズ、５０ｐＨのループインダクタンスを備え、かつ１５μＡの臨界電流を特徴とするｒｆ−ＳＱＵＩＤである。結合素子２０２は、２５μｍ×２５μｍのループサイズ、５０ｐＨのループインダクタンス、および５．５μＡの臨界電流を備えたｒｆ−ＳＱＵＩＤである。量子ビット２０１と結合素子２０２との間の相互インダクタンスは、およそ３ｐＨであり、それらの間の間隔は、約１μｍである。量子ビット２０３と結合素子２０２との間の相互インダクタンスは、およそ３ｐＨであり、それらの間の間隔は、約１μｍである。
【００５４】
両方の量子ビットの超伝導ループに印加される磁束がΦ０／２に維持されるようにする。ここでΦ０は、磁束量子である。量子ビットがこの量でバイアスをかけられた場合、それらの古典状態間の循環電流の差は、約２６μＡである。カプラー２０２が、ターンオンされて、量子ビット間に強磁性結合を提供するようにバイアスをかけられる。一量子ビット（たとえば２０１）の状態が切り替えられると、これによって、量子ビット２０１と結合素子２０２との間に反強磁性結合が生成される。量子ビット２０１が状態を切り替えたことによる、カプラーにおける循環電流の変化は、約７μＡである。これは、カプラーにおける０．０３８Φ０の磁束の変化に相当する。同様に、結合素子における磁束のこの変化は、反強磁性結合により、もう一方の量子ビット（２０３）におけるおよそ０．０１Φ０の磁束の変化を生成する。量子ビットは、結合素子に反強磁性的に結合されているが、結合素子が介在した量子ビット−量子ビット結合は、本来強磁性である。この結合は強く、コピー動作の状態コピー忠実度（the state copying fidelity of a copying operation）が、十分に低い温度（＜１００ｍＫ）で９９．９９９％を超えるほどである。必要に応じて、スピンコピー動作を複数回実行して、全体的なコピー忠実度を向上させることができる。
【００５５】
断熱状態コピー
図２における量子ビット２０１から量子ビット２０３へのように、一量子ビットの古典状態を別の量子ビットへ断熱的にコピーするための、本方法およびシステムの実施形態を、図４Ａおよび４Ｂに示す。図４Ｂのステップは、図４Ａのステップに順次的に続く。両方の量子ビットのエネルギ地形は、図１Ｂに示すもののように、双安定ポテンシャルであり、縮退していてもしていなくてもよい。
【００５６】
ステップ４０１。ステップ４０１は、量子ビットの初期状況を示すが、この初期状況は、通常、計算または展開の終わりにある。ステップ４０１では、量子ビットの状態が既知であるべきという要件はない。したがって、量子ビット２０１および２０３の状態は、図４Ａにおける両方の量子ビットで、双安定ポテンシャルの両方の最小値における白丸によって表わされる。最小値間のエネルギ障壁は、最小値間の量子トンネリングを可能にするほど十分に低くても、低くなくてもよい。
【００５７】
任意のステップ４０２。量子ビット２０１の状態が量子ビット２０３にコピーされることになる場合には、両方の量子ビットのエネルギ障壁は、量子トンネリングが発生するのを防ぐために十分に高い値に引き上げられて、量子ビットの状態を、古典的基底状態の１つへ効果的に投じる。これを、ステップ４０２に示す。エネルギ障壁が、既に、トンネリングを防ぐほど十分に高い場合には、ステップ４０２は省略することができる。ステップ４０２における量子ビット２０１の黒丸は、量子ビット２０１の状態を、右の井戸に局在化されているものとして表わす。この選択は、任意であって、あくまで例示のためである。実際には、量子ビット２０１の状態は、ステップ４０１の前に量子ビットに実行される計算または時間発展に依存する。各量子ビットにおけるエネルギ障壁の引き上げは、量子ビット２０１および量子ビット２０３のジョセフソンエネルギを調整することによって、達成することができる。図４Ａでは、量子ビット２０３は、左の井戸に局在化されているが、しかしこの選択は、あくまで例示のためである。実際には、量子ビット２０３の状態は、ステップ４０２の終わりにおいて、どちらか一方の井戸にあることができる。両方の量子ビットは、磁束量子の半分に等しい磁束でバイアスをかけられ（たとえば、量子ビットは、それらのヒステリシス領域内、すなわち量子ビットの磁束バイアスを変更することが、その古典状態の変更を引き起こさない領域内にある）、またこのバイアスは、プロセスの全体を通して維持される。障壁が引き上げられた後、量子ビット２０１または２０３と他の装置との間のどんな結合も、ゼロ（またはゼロ近く）に低減される。外部デバイスとの結合の、ゼロ（またはゼロ近く）への低減およびエネルギ障壁の引き上げは、同時に行ってもよい。場合によっては、量子ビット２０１と２０３との間に初期強磁性結合があり得るが、それはゼロ（またはゼロ近く）に低減されないただ１つの結合である。
【００５８】
ステップ４０３。ステップ４０３において、量子ビット２０３のエネルギ障壁は、古典領域から量子領域へ量子ビットを導くために、断熱的に引き下げられる。障壁の高さの引き下げは、量子ビット２０３に対して横方向の磁界を調整することによってか、または量子ビットのジョセフソンエネルギを調整することによって達成することができる。ステップ４０３を達成するために必要な最小の時間量は、望ましくないトンネリングイベントが誘発されないように十分に保証するのに必要な時間量である。当業者は、ステップ４０３のために必要な時間が一様でないことを理解されよう。たとえば、場合によっては、それは、約１ｎｓと１ｍｓとの間、たとえば１００μｓであってもよい。障壁の高さは、ゼロまたはゼロ近くに引き下げてもよい。一旦量子ビット２０３が量子領域に導かれると、量子ビットのポテンシャル井戸間のトンネリングが発生し得る。
【００５９】
ステップ４０４。ステップ４０４において、強い強磁性結合４３０が、量子ビット２０１と２０３との間に導入される。場合によっては、強い強磁性結合は、結合された系のハミルトニアンにおけるＪ＝−１に等価である結合強度として定義してもよく、ここでＪは、量子ビット結合項の前因子である。ステップ４０４の前に、量子ビット２０１と２０３との間に結合が存在しない場合には、ステップ４０４には、結合素子２０２をターンオンすることが含まれる。ステップ４０４の前に、強磁性結合が量子ビット２０１と量子ビット２０３との間に既に存在する（結合素子２０２が既にオンである）場合には、ステップ４０４は、省略することができる。強磁性結合が適用されると、両方の量子ビットの状態が同じであることが、エネルギ的に好都合である。量子ビット２０１のエネルギ障壁１４０が高いので、量子ビット２０１は、状態を変化させることができない。しかしながら、量子ビット２０３のエネルギ障壁は低いので、量子ビット２０３の状態が、一方の井戸からもう一方の井戸へトンネリングすることが可能である。したがって、量子ビット２０３の状態が、左の井戸にある（そして、量子ビット２０１の状態は、図４Ａのステップ４０４に示すように右の井戸にある）場合には、結合によって、量子ビットは、右の井戸へトンネリングするようにされるであろう。ステップ４０４において、量子ビット２０３の状態が右の井戸にある（図示せず）場合には、トンネリングは発生しないであろう。なぜなら、量子ビットは、既にエネルギ的に好都合な状態にあるからである。量子ビット２０１の状態が左の井戸にあっても（図示せず）、本方法は同様に働いて、量子ビット２０３の状態は、既に左の井戸になければ、左の井戸へとトンネリングすることになる。
【００６０】
ステップ４０５。ステップ４０５では、量子ビット２０３が、強磁性結合４３０により、量子ビット２０１と同じ状態に局在化されたことが示されている。
【００６１】
ステップ４０６。ステップ４０６では、量子ビット２０３のエネルギ障壁は、可能な量子トンネリング量を低減するレベルに断熱的に戻され、それによって、量子領域から古典領域へ量子ビットを逆に移行させる。これによって、量子ビット２０３は、ステップ４０５の終わりにあった状態からトンネリングするのを防がれる。また、強磁性結合４３０は、必要に応じて除去することができる。ステップ４０６を完了するために必要な時間は、望ましくないトンネリングイベントを誘発しないほど十分に長く、ステップ４０３と同じオーダであってもよい。
【００６２】
ステップ４０７。ステップ４０７において、量子ビット２０３は、古典領域に戻り、量子ビット２０１と同じ状態を有する。磁束量子の半分の磁束バイアスが、全コピー動作中（ステップ４０１〜４０７）、両方の量子ビットで維持される。磁束バイアスは、コピー動作が成功するように、ある許容誤差内にあり（within a certain tolerance）、また量子ビット２０１から量子ビット２０３に結合された磁束量と等しくてもよい。たとえば、結合された磁束量が０．０１Φ０である場合には、量子ビット磁束バイアスに必要な精度は、±０．０１Φ０より大きくてもよい。
【００６３】
磁束量子ビットアレイの読み出し
図５は、磁束量子ビット５１０の二次元アレイ２００を示す。アレイ内部の磁束量子ビット５１０は、Ｂとラベル付けされ、結合素子５２０によって４つの最も近い隣接体に結合される。アレイの周辺における磁束量子ビット５１０は、Ａとラベル付けされ、量子ビットがコーナーまたはエッジに位置するかどうかに依存して、２つまたは３つの隣接する量子ビットに結合される。図示していないが、各量子ビット５１０はまた、アレイにおいて対角線上に並べられた追加結合素子を介して、次に最も近い４つの隣接量子ビットの１つまたは複数に結合してもよい。従来の量子ビットアレイでは、各量子ビットは、各量子ビットの状態を測定できる関連読み出しデバイスを有する。しかしながら、アレイが大きい場合には、各量子ビットのために読み出しデバイスを有することは、すぐに煩雑になる。図５に示す４×４アレイに対してでさえ、各量子ビットのために読み出し装置を有することは、特にアレイ内部における量子ビット（Ｂ）に対しては、複雑な設計の問題になる。量子ビットを共に結合する結合素子が読み出しデバイスとして用いられる場合でさえ、設計の複雑さは、依然として望ましくないほど高い。
【００６４】
本方法およびシステムにおけるある態様は、強磁性状態のコピーまたは断熱状態のコピーをシステム５００に適用することである。内部量子ビット（Ｂ）の古典状態を周辺量子ビット（Ａ）へコピーすることによって、内部量子ビット（Ｂ）は、それに関連する特定の読み出しデバイスを有することなしに、読み出すことができる。周辺量子ビット（Ａ）は、下記において、関連する読み出しデバイスを有する量子ビットとして定義される。周辺量子ビット（Ａ）は、通常、図５に示すように、量子ビットアレイの周辺あたりに位置する。しかしながら、その用語が本明細書で用いられる限りでは、周辺量子ビット（Ａ）はアレイの周辺に存在するという絶対的な要件はない。かかるものとして、内部量子ビット（Ｂ）は、下記において、関連する読み出しデバイスを有しない、アレイの量子ビットとして定義される。したがって、関連する読み出しデバイスを有しない量子ビットは、たとえそれがアレイの周辺に位置している場合であっても、内部量子ビット（Ｂ）である。読み出しデバイス５４０を周囲回りに配置して、アレイにおけるレイアウトの複雑さを低減してもよい。
【００６５】
例として、量子ビット５１０−２（Ｂ）の状態は、量子ビット５１０−１（Ａ）にコピーされ、次に、読み出しデバイス５４０−１の１つによって読み出されることができる。結合素子５２０は、量子ビットを強磁性的に共に結合することができ、また結合をターンオフすることができる。結合素子５２０はまた、２つの量子ビットを反強磁性的に共に結合することができてもよい。結合素子５２０は、本明細書で説明する結合素子２０２と同様であってもよい。結合素子５２０の結合強度は、制御可能に調整できてもよい。磁束量子ビット５１０は、ｒｆ−ＳＱＵＩＤか、永久電流量子ビットか、またはその磁束状態に情報を格納する任意の他のタイプの量子ビットであってもよい。ｄｃ−ＳＱＵＩＤなどの様々な読み出しデバイス５４０が、当該技術分野において周知である。
【００６６】
ここで、内部量子ビット５１０−２の（Ｂ）の古典状態を読み出すための方法を説明する。場合によっては、量子ビット５１０−２に結合されている、アレイ５００における全ての結合素子５２０は、ターンオフしてもよい。これによって、他の量子ビットの状態が量子ビット５１０−２の状態と混合しないことが保証される。代替として、量子ビット５１０−２に結合された結合素子５２０はオンであってもよく、さらに量子ビット５１０−２に結合された量子ビットの状態は、全て知られている。この場合には、たとえ量子ビット５１０−２の状態が、他の量子ビットの状態と混合されても、量子ビット５１０−２の状態は何かを決定することができる。なぜなら、他の全ての状態が知られているからである。
【００６７】
周辺量子ビットである隣接量子ビット、たとえば量子ビット５１０−１の状態が、最初に読み出しデバイス５４０−１の１つによって読み出される。この読み出しは、２回以上または何回も行って、測定の忠実度を向上させてもよい。一旦量子ビット５１０−１の情報が得られると、量子ビットの状態は、任意の状態に初期化することができる。次に、量子ビット５１０−２の古典状態が、結合素子５２０−１を用いて、量子ビット５１０−１にコピーされる。古典状態のコピー、特に強磁性状態のコピー（図３）および断熱状態のコピー（図４）のための技術は、図２のシステムのために前に説明した。これらの技術は、同じ方法で、図５のアレイにおける量子ビットに適用することができる。一旦コピーが終了すると、量子ビット５１０−１は、量子ビット５１０−２と同じ状態を有することになる。次に、量子ビット５１０−１は、読み出しデバイス５４０−１の１つによって読み出され、かくして、量子ビット５１０−２の状態が効果的に読み出される。量子ビット５１０−２の状態は、量子ビット５１０−１にコピーすることができ、また複数回読み出して、測定の忠実度を向上させることができる。
【００６８】
量子ビット５１０−２は、その状態を量子ビット５１０−１にコピーすることに制限されない。量子ビット５１０−２の状態は、それがコピーされる相手の量子ビットの状態が、既に知られている（たとえば、既に読み出された）かまたは情報が失われないようにする必要がなければ、それが結合されている任意の量子ビットに、コピーすることができる。量子ビット５１０−２の状態は、その状態が測定される場所である周辺量子ビットに達するまで、任意の方向にコピーし伝達することができる。量子ビット５１０−２のコピーされた状態が、周辺量子ビットに達するために取る経路は、可能な最短経路であってもよい。たとえば、コピーすべき量子ビット５１０−２のための最短経路は、左方の量子ビット（量子ビット５１０−１）かまたは上方の量子ビットのどちらかである。なぜなら、両方とも周辺量子ビットだからである。量子ビット５１０−２の右方および下方の量子ビットはまた、内部量子ビットであり、その結果として、この場合には、周辺量子ビットへの経路はより長い。
【００６９】
図５に示すように、読み出しデバイス５４０を、二次元アレイの全ての側部に配置して、アレイの周辺における全ての量子ビットのために読み出しデバイスがあるか、またはアレイのいくつかの側部にのみ配置してもよい。たとえば、読み出しデバイス５４０−１および５４０−３が存在する一方で、５４０−２および５４０−４は存在しなくてもよい。代替として、アレイの周囲にただ１つの読み出しデバイスがあるだけでもよい。利用可能な読み出しデバイスの数は、コピーされる量子ビットから、読み出しデバイスを有する周辺量子ビットへと取られるコピー経路と同様に、コピーされることになる量子ビットとの結合をターンオフする必要性にも影響を与える。これは、コピー経路における全ての量子ビットの状態が、既に知られているかまたは必要ではないと仮定している。
【００７０】
図５は４×４アレイを示すが、この概念は、より大きなアレイサイズに容易に拡張される。より大きなアレイの読み出し手順は、４×４アレイのために説明したものと同様である。すなわち、最初に周辺量子ビットが読み出され、次に、それらの状態がリセットされる。次に、内部量子ビットの状態が、周辺量子ビットにコピーされ、上記の方法で読み出される。内部量子ビットのいずれかが読み出される前に、全ての周辺量子ビットが読み出されるべきという要件はない。必要なのは、所定の周辺量子ビットを読み出してから、その周辺量子ビットを用いて、内部量子ビットの状態を読み出すことだけである。したがって、周辺量子ビットのそれぞれを読み出す前に、いくつかの内部量子ビットを読み出すことが可能である。コピーおよび読み出し動作を複数回行って、測定忠実度を向上させることができる。たとえば、同じコピーおよび読み出しの動作は、２回、３回、４回、５回、５回超、１０回超、または１００回超行うことができる。
【００７１】
量子ビット間の結合素子は、状態のコピー中に量子ビットを共に強磁性的に結合することが可能であり、その結果、コピー先の量子ビットの状態は、コピーされる量子ビットの状態と同じである。代替として、量子ビット間の結合素子は、状態のコピー中に量子ビットを共に強磁性的または反強磁性的のいずれかに結合してもよい。反強磁性結合は、コピー先の量子ビットが、コピーされる量子ビットと反対の状態を有するという効果がある。反強磁性結合が用いられるいくつかの場合には、周辺量子ビットの状態が、コピーされる量子ビットの状態と同じであるように、コピーされる量子ビットと読み出される周辺量子ビットとの間で偶数の反強磁性状態コピー動作があってもよい。代替として、奇数の反強磁性コピーがある場合には、周辺量子ビットは、コピーされる量子ビットと反対の状態を有するので、読み出される状態が、コピーされる量子ビットの状態と反対であるという事実を、後処理において補償してもよい。
【００７２】
デバイス設計およびパラメータ
本方法およびシステムを状態のコピーのために適合させるデバイス設計およびパラメータを、図２のシステムに対して提案する。量子ビット２０１および２０３は、ｒｆ−ＳＱＵＩＤまたは永久電流量子ビットであってもよい。場合によっては、量子ビット２０１および２０３は、約５μｍ２と１０００００μｍ２との間のループ面積を有してもよい。たとえば、量子ビット２０１および２０３のループ面積は正方形で、２５μｍ×２５μｍ（６２５μｍ２）の寸法を有してもよい。このサイズの量子ビットに対して、ループインダクタンスは、およそ５０ｐＨである。量子ビット２０１および２０３の臨界電流は、約０．１μＡと３００μＡとの間、たとえば１５μＡであってもよい。場合によっては、量子ビット２０１および２０３の臨界電流、ループインダクタンスおよびループ面積は、接近しているが同じでなくてもよい。
【００７３】
量子ビット２０１および２０３におけるジョセフソンエネルギ、およびしたがってジョセフソン接合の臨界電流は、調整可能にすることができる。調整可能なジョセフソンエネルギは、単一のジョセフソン接合を、ループを形成するかさもなければ分割接合として周知の２つの並列接合と取り替えることによって、達成してもよい。分割接合磁束量子ビットの例を、図１Ｃに示す。量子ビットが分割接合を有する場合には、分割接合のループを通して磁束を調整することによって、分割接合の有効ジョセフソンエネルギを変化させ、これによって、臨界電流も変化させる。ジョセフソン接合の調整にはまた、量子ビットにおけるエネルギ障壁の高さを変化させる効果がある。調整可能なジョセフソンエネルギは、接合を通して面内磁界（in-plane magnetic field）を印加することによっても、達成することができる。
【００７４】
場合によっては、結合素子２０２は、約５μｍ２と１０００μｍ２との間のループ面積を有してもよい。たとえば、結合素子２０２は、２５μｍ×２５μｍ（６２５μｍ２）の寸法の正方形ループ面積およびおよそ５０ｐＨのループインダクタンスを備えたｒｆ−ＳＱＵＩＤであってもよい。場合によっては、結合素子２０２の臨界電流は、約１μＡと１０μＡとの間、たとえば約５．５μＡであってもよい。結合素子２０２は、分割接合を有してもよく、そのジョセフソンエネルギは、調整可能であってもよい。
【００７５】
場合によっては、量子ビット２０１および２０３と結合素子２０２との間の相互インダクタンスは、約０．５ｐＨと２０ｐＨとの間、たとえば３ｐＨであってもよい。相互インダクタンスは、複数の素子の構造および素子間の距離によって決定される。場合によっては、量子ビット２０１および２０３のそれぞれと結合素子２０２との間の間隔は、約０．１μｍと１０μｍとの間、たとえば１μｍであってもよい。量子ビット２０１または２０３のループの一部は、結合素子２０２のループの一部と重なり合ってもよい。たとえば、一素子のループからのワイヤの一部は、別の素子のループからのワイヤの一部の上（別の層の上）に配置されてもよい。素子間に、ガルバニック接触（galvanic contact）はない。重なり合うワイヤによって、２つの素子間の相互インダクタンスが増加され、したがって、結合強度が高められる。
【００７６】
場合によっては、システム２００および／または５００が動作する温度は、約１ｍＫと４Ｋとの間である。たとえば、システム２００および／または５００が動作する温度は、約５００ｍＫであってもよく、それは、マクロ量子トンネリングクロスオーバ温度（the macroscopic quantum tunneling crossover temperature）に近い。
【００７７】
反強磁性状態コピー
一量子ビットの古典状態を別の量子ビットにコピーするための上記の実施形態には、量子ビット間の強磁性結合が含まれる。しかしながら、本方法およびシステムにおいて、量子ビットを反強磁性的に共に結合してもよいことは、当業者には明らかであろう。かかる結合は、本明細書において、反強磁性状態コピーと呼ばれる。用語「反強磁性状態コピー」が用いられているが、古典状態が文字通りにはコピーされないことが理解されよう。より正確に言えば、反強磁性状態コピー方法を用いて、元となる量子ビットの状態がコピーされるターゲット量子ビットは、元となる量子ビットの状態と反対の状態を採用する。反強磁性状態コピーのための技術は、量子ビット間の結合が強磁性ではなく反強磁性であり、かつターゲット量子ビットが元となる量子ビットの状態と反対の状態を有するという事実を除いて、強磁性状態コピーのために説明した技術と同様である。場合によっては、所定のアレイにおけるいくつかの量子ビットペアが強磁性的に結合される一方で、他のペアが反強磁性的に結合される。かかるトポロジに必要なのは、元となる量子ビットとターゲット量子ビットとの間の結合タイプの正確な記録だけであり、その結果として、元となる量子ビット状態の表示を達成するために、読み出されたターゲット量子ビットの状態を逆にすべきかどうかに関して決定することができる。
【００７８】
結論および引用文献
当業者には明らかであるように、上記の様々な実施形態を組み合わせて、さらなる実施形態を提供することができる。様々な特許、出願および出版物のシステム、方法、装置および概念を用いるために、必要に応じて、本システム、方法および装置の態様を修正して、本方法およびシステムのさらなる実施形態を提供することができる。本明細書で用いる限りでは、用語「ほぼ（約）」は、表示の値のおよそ±５から２０％内を意味する。さらに、素子２０１、２０２および２０３の作製詳細における変形は、本発明の範囲内にある。これらおよび他の変化を、上記の説明に照らして、本システム、方法および装置にもたらすことができる。一般に、特許請求の範囲では、用いられる用語は、本明細書および特許請求の範囲に開示される特定の実施形態に本発明を限定するように解釈されるべきではなく、かかる特許請求の範囲が権利を持つ均等物の完全な範囲と共に、全ての可能な実施形態を含むように解釈されるべきである。したがって、本発明は、この開示によっては限定されず、代わりに、その範囲は、特許請求の範囲によってのみ決定されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
３．図面の簡単な説明
【図１Ａ】ｒｆ−ＳＱＵＩＤの２つの循環電流状態を示す。
【図１Ｂ】図１Ａにおけるｒｆ−ＳＱＵＩＤのエネルギ地形を示す。
【図１Ｃ】先行技術による分割接合磁束量子ビットを示す。
【図２】本方法およびシステムの実施形態による２つの磁束量子ビットおよび結合素子を示す。
【図３Ａ】本方法およびシステムの実施形態による強磁性状態コピーに含まれる順次的なステップを示す。
【図３Ｂ】本方法およびシステムの実施形態による強磁性状態コピーに含まれる、図３Ａのステップに続く順次的なステップを示す。
【図４Ａ】本方法およびシステムの実施形態による断熱状態コピーに含まれる順次的なステップを示す。
【図４Ｂ】本方法およびシステムの実施形態による断熱状態コピーに含まれる、図４Ａのステップに続く順次的なステップを示す。
【図５】本方法およびシステムの実施形態による、周囲回りに読み出しデバイスを備えた、結合された磁束量子ビットのアレイを示す。
【図６】先行技術による永久電流量子ビットを示す。
【図１Ａ】
2008539480.tif 000006
【図１Ｂ】
2008539480.tif 000007
【図１Ｃ】
2008539480.tif 000008
【図２】
2008539480.tif 000009
【図３Ａ】
2008539480.tif 000010
【図３Ｂ】
2008539480.tif 000011
【図４Ａ】
2008539480.tif 000012
【図４Ｂ】
2008539480.tif 000013
【図５】
2008539480.tif 000014
【図６】
2008539480.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成19年12月7日(2007.12.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の量子ビットの古典状態を第２の量子ビットにコピーする方法であって、
前記第２の量子ビットを初期古典状態に初期化するステップであって、前記第２の量子ビットが、第１のポテンシャル最小値を有する第１のポテンシャル井戸と、第２のポテンシャル最小値を有する第２のポテンシャル井戸とを含むポテンシャルエネルギ構成を有し、前記初期古典状態が、前記第１のポテンシャル井戸に位置しているステップと、
前記第１のポテンシャル井戸の前記第１のポテンシャル最小値を、前記第２のポテンシャル井戸の前記第２のポテンシャル最小値より高い第３のポテンシャル最小値に調節するステップと、
期間ｔの間、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットを結合するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記結合ステップが、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットを強磁性的に結合することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記結合ステップが、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットを反強磁性的に結合することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の量子ビットが、第１のトンネル障壁を含むポテンシャルエネルギ構成を有し、かつ前記第２の量子ビットの前記ポテンシャルエネルギ構成が、第２のトンネル障壁を含み、前記方法が、前記初期化ステップの前に、前記第１のトンネル障壁および前記第２のトンネル障壁の少なくとも１つを引き上げることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第３のポテンシャル最小値が、前記第２のトンネル障壁より少なくともわずかに低い、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記引き上げステップが、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットの少なくとも１つに横磁界を印加することを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記引き上げステップが、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットの少なくとも１つのジョセフソンエネルギを調整することを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記結合ステップの後に、前記第１のポテンシャル井戸を、前記第３のポテンシャル最小値から、およそ前記第１のポテンシャル最小値へ逆に調節することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記初期化ステップの前に、前記第１の量子ビットと、前記第１の量子ビットに結合された素子との間の結合強度を、ほぼゼロに低減することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記初期化ステップの前に、前記第２の量子ビットと、前記第２の量子ビットに結合された素子との間の結合強度を、ほぼゼロに低減することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１のポテンシャル最小値が、前記第２のポテンシャル最小値とほぼ等しい、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の量子ビットのポテンシャルエネルギ構成が、前記初期化、調節および結合ステップ中に、双安定ポテンシャルである、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記期間ｔが、約１ｎｓより大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記結合ステップが、前記第２の量子ビットの最終古典状態が前記第１の量子ビットの前記古典状態に一致することに帰着する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記最終古典状態が、前記初期古典状態から前記最終古典状態へのトンネリングによって達せられる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２の量子ビットが超伝導ループを含み、前記調節ステップが、前記超伝導ループを通して磁束バイアスを調整することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の量子ビットが超伝導ループを含み、前記初期化ステップが、前記第２の量子ビットの状態が前記初期古典状態へトンネリングするように、超伝導ループを通して磁束を調整することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記結合ステップが、
前記第１の量子ビットと前記第２の量子ビットとの間の結合の結合強度を、最小値から所定値に増加させることと、
前記結合強度を、前記所定値からほぼ前記最小値に低減することと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記結合強度の前記最小値がほぼゼロであり、前記結合強度の前記所定値が、前記結合の最大結合強度である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記結合強度の前記所定値が、前記結合の最大結合強度の半分より大きい、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記結合強度を前記所定値に期間ｔの間、維持することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記結合ステップが、
前記第１の量子ビットと前記第２の量子ビットとの間の結合を、期間ｔの間ターンオンすることと、
前記結合をターンオフすることと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記結合ステップが、ｒｆ−ＳＱＵＩＤを用いて実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットが、それぞれ、ｒｆ−ＳＱＵＩＤを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットが、それぞれ、分割接合を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
第１の量子ビットの古典状態を第２の量子ビットにコピーする方法であって、前記第１の量子ビットが、第１のトンネル障壁を含むポテンシャルエネルギ構成を特徴とし、前記第２の量子ビットが、第２のトンネル障壁を含むポテンシャルエネルギ構成を特徴とし、前記方法が、
前記第２のトンネル障壁を引き下げるステップと、
期間ｔの間、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットを結合するステップと、
前記第２のトンネル障壁を引き上げるステップと、
を含む方法。
【請求項２７】
前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットのうち少なくとも１つの磁束バイアスが、前記引き下げ、結合および引き上げステップの少なくとも１つの間、磁束量子のほぼ半分に維持される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記磁束バイアスが、前記第１の量子ビットから前記第２の量子ビットに結合される磁束の量にほぼ等しい許容誤差を有する、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１の量子ビットの磁束バイアスが、前記引き下げ、結合および引き上げステップの少なくとも１つの間、前記第１の量子ビットのヒステリシス領域内にある、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
前記引き下げおよび引き上げステップの少なくとも１つが、断熱的に実行される、請求項２６に記載の方法。
【請求項３１】
前記結合ステップが、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットを強磁性的に結合することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３２】
前記結合ステップが、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットを反強磁性的に結合することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３３】
前記引き下げステップの前に、前記第１のトンネル障壁および前記第２のトンネル障壁の少なくとも１つを引き上げることをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３４】
前記引き下げステップの前に、前記第１の量子ビットと、前記第１の量子ビットに結合された素子との間の結合強度を、ほぼゼロに低減することをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３５】
前記引き下げステップの前に、前記第２の量子ビットと、前記第２の量子ビットに結合された素子との間の結合強度を、ほぼゼロに低減することをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３６】
前記第１の量子ビットの前記ポテンシャルエネルギ構成が、双安定ポテンシャルであり、前記第２の量子ビットの前記ポテンシャルエネルギ構成が、双安定ポテンシャルである、請求項２６に記載の方法。
【請求項３７】
前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットのうち少なくとも１つの前記双安定ポテンシャルが、２つのほとんど縮退しているエネルギレベルを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記引き上げステップが、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットの少なくとも１つに横磁界を印加することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項３９】
前記第２の量子ビットが古典状態を有し、前記引き上げステップが、前記第２の量子ビットの古典状態のトンネリングを防ぐことを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項４０】
前記引き下げステップの時間期間ｔ２が、約１μｓより大きい、請求項２６に記載の方法。
【請求項４１】
前記第２の量子ビットが、前記引き下げステップおよび前記引き上げステップの少なくとも１つの間にトンネリングしない、請求項２６に記載の方法。
【請求項４２】
前記引き上げステップの時間期間ｔ３が、約１μｓよりも大きい、請求項２６に記載の方法。
【請求項４３】
前記第２の量子ビットが分割接合を含み、前記引き下げステップおよび前記引き上げステップが、それぞれ、分割接合において磁束を調整することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項４４】
前記結合ステップが、
前記第１の量子ビットと前記第２の量子ビットとの間の結合の結合強度を、最小結合強度から所定の結合強度に増加させることと、
前記期間ｔの間、前記結合強度を前記所定の結合強度に維持することと、
前記結合強度を、前記所定の結合強度から前記最小結合強度に低減することと、
を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項４５】
前記最小結合強度がほぼゼロであり、前記所定の結合強度が前記結合の最大結合強度である、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記所定の結合強度が、前記結合の最大結合強度の半分より大きい、請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
前記結合強度を前記所定の結合強度に期間ｔの間、維持することをさらに含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４８】
前記結合ステップが、
前記第１の量子ビットと前記第２の量子ビットとの間の結合を、期間ｔの間ターンオンすることと、
前記結合をターンオフすることと、
を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項４９】
前記結合ステップが、ｒｆ−ＳＱＵＩＤを用いて実行される、請求項２６に記載の方法。
【請求項５０】
前記期間ｔが約１ｎｓより大きい、請求項２６に記載の方法。
【請求項５１】
前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットが、それぞれ、ｒｆ−ＳＱＵＩＤを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項５２】
前記結合ステップが、前記第２の量子ビットの最終古典状態が前記第１の量子ビットの前記古典状態と一致するように、前記第２のトンネル障壁を通るトンネリングを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項５３】
量子ビットアレイにおける量子ビットの古典状態を読み出すための方法であって、前記アレイが、複数の周辺量子ビットおよび複数の内部量子ビットを含み、前記方法が、
周辺量子ビットの古典状態を初期化するステップであって、前記周辺量子ビットが関連する読み出しデバイスを有するステップと、
内部量子ビットの古典状態を前記周辺量子ビットにコピーするステップと、
前記周辺量子ビットの前記古典状態を読み出すことによって、前記内部量子ビットの前記古典状態を読み出すステップと、
を含み、
前記周辺量子ビットが、最小結合強度と所定の結合強度との間で調節可能な結合強度を有する結合素子を介して、前記内部量子ビットに結合される方法。
【請求項５４】
前記最小結合強度がほぼゼロであり、前記所定の結合強度が前記結合の最大結合強度である、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記所定の結合強度が、前記結合の最大結合強度の半分より大きい、請求項５３に記載の方法。
【請求項５６】
複数の内部量子ビットのそれぞれのために、前記初期化、コピーおよび内部量子ビット読み出しステップを繰り返すことをさらに含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項５７】
前記初期化ステップが、前記周辺量子ビットを任意の古典状態に初期化することを含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項５８】
前記周辺量子ビットが超伝導ループを含み、前記初期化ステップが、前記周辺量子ビットの状態が任意の古典状態へトンネリングするように、前記超伝導ループを通して磁束を調整することを含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項５９】
前記結合素子が、前記内部量子ビットを前記周辺量子ビットに強磁性的に結合し、前記コピーステップが、前記強磁性結合を介して、前記内部量子ビットの前記古典状態を前記周辺量子ビットにコピーすることを含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項６０】
前記結合素子が、前記内部量子ビットを前記周辺量子ビットに反強磁性的に結合し、前記コピーステップが、前記反強磁性結合を介して、前記内部量子ビットの前記古典状態を前記周辺量子ビットにコピーすることを含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項６１】
前記周辺量子ビットが、トンネル障壁を含むポテンシャルエネルギ構成を特徴とし、前記コピーステップが、
前記トンネル障壁を引き下げることと、
期間ｔの間、前記内部量子ビットおよび前記周辺量子ビットを結合することと、
前記トンネル障壁を引き上げることと、
を含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項６２】
前記引き下げおよび前記引き上げステップの少なくとも１つが、断熱的に実行される、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
前記コピーステップ中に、前記内部量子ビットおよび前記周辺量子ビットのうち少なくとも１つの磁束バイアスを磁束量子のほぼ半分に維持することをさらに含む、請求項６１に記載の方法。
【請求項６４】
前記周辺量子ビットが、前記内部量子ビットに隣接せず、前記コピーステップが、前記内部量子ビットの前記古典状態を、前記内部量子ビットと前記周辺量子ビットとの間に位置する少なくとも１つの中間量子ビットにコピーすることを含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項６５】
前記初期化、コピーおよび内部量子ビット読み出しステップが、２回以上実行される、請求項５３に記載の方法。
【請求項６６】
前記アレイが、磁束量子ビットの二次元アレイである、請求項５３に記載の方法。
【請求項６７】
前記結合素子が、前記内部量子ビットを前記周辺量子ビットに制御可能に強磁性的または反強磁性的に結合するように構成されている、請求項５３に記載の方法。
【請求項６８】
前記内部量子ビット、前記周辺量子ビットおよび前記結合素子の少なくとも１つが、ｒｆ−ＳＱＵＩＤを含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項６９】
前記内部量子ビットおよび前記周辺量子ビットの少なくとも１つが、分割接合を含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項７０】
前記初期化ステップが、前記周辺量子ビットを初期古典状態に初期化することを含み、
前記周辺量子ビットが、第１のポテンシャル最小値を有する第１のポテンシャル井戸と、第２のポテンシャル最小値を有する第２のポテンシャル井戸とを含むポテンシャルエネルギ構成を特徴とし、
前記初期古典状態が、前記第１のポテンシャル井戸に位置し、
前記コピーステップが、
前記第１のポテンシャル最小値を、前記第２のポテンシャル最小値より高い第３のポテンシャル最小値に調節することと、
期間ｔの間、前記内部量子ビットおよび前記周辺量子ビットを結合することと、
を含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項７１】
第１の量子ビット手段の古典状態を第２の量子ビット手段にコピーする方法であって、
前記第１の量子ビット手段を前記第２の量子ビット手段に結合するための工程と、
前記第１の量子ビット手段のトンネル障壁および前記第２の量子ビット手段のトンネル障壁の少なくとも１つを調節するための工程と、
前記第１の量子ビット手段および前記第２の量子ビット手段のうち少なくとも１つのポテンシャルエネルギ構成の対称性を調節するための工程と、
を含む方法。
【請求項７２】
前記トンネル障壁を調節するための前記工程が、前記第１の量子ビット手段および前記第２の量子ビット手段のうち少なくとも１つのジョセフソンエネルギを調節するための工程を含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
前記トンネル障壁を調節するための前記工程が、前記第１の量子ビット手段および前記第２の量子ビット手段の少なくとも１つに対して横方向の磁界バイアスを調整するための工程を含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項７４】
前記ポテンシャルエネルギ構成の前記対称性を調節するための前記工程が、前記第１の量子ビット手段および前記第２の量子ビット手段の磁束バイアスを調整するための工程を含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項７５】
結合するための前記工程が、前記結合工程の結合強度を調整するための工程を含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項７６】
第１の量子ビットの古典状態を第２の量子ビットにコピーするためのシステムであって、前記第１の量子ビットが、第１のトンネル障壁を含むポテンシャルエネルギ構成を特徴とし、前記第２の量子ビットが、第２のトンネル障壁を含むポテンシャルエネルギ構成を特徴とし、前記システムが、
前記第２のトンネル障壁を引き下げるための命令を含む第１の障壁調節モジュールと、
前記第１の量子ビットを前記第２の量子ビットに結合するための命令を含む結合モジュールと、
前記第２のトンネル障壁を引き上げるための命令を含む第２の障壁調節モジュールと、
を含むシステム。
【請求項７７】
前記第１の障壁調節モジュールおよび前記第２の障壁調節モジュールが、単一モジュールを含む、請求項７６に記載のシステム。
【請求項７８】
前記コピープロセスの少なくとも一部の間に、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットのうち少なくとも１つの磁束バイアスを、磁束量子のほぼ半分に維持するための命令を含む磁束モジュールをさらに含む、請求項７６に記載のシステム。
【請求項７９】
第１の量子ビットを初期古典状態に初期化するステップであって、前記第１の量子ビットが、第１のポテンシャル最小値を有する第１のポテンシャル井戸と、前記第２のポテンシャル最小値を有する前記第２のポテンシャル井戸とを含むポテンシャルエネルギ構成を有し、前記初期古典状態が、前記第１のポテンシャル井戸に位置している、ステップと、
前記第１のポテンシャル井戸の前記第１のポテンシャル最小値を、前記第２のポテンシャル井戸の前記第２のポテンシャル最小値より高い第３のポテンシャル最小値に調節するステップと、
期間ｔの間、前記第１の量子ビットおよび第２の量子ビットを結合するステップと、
のための実行可能命令を格納するコンピュータ可読媒体。
【国際調査報告】
2008539480.tif 000016
2008539480.tif 000017
2008539480.tif 000018