(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ビット装置であって、
量子ビットと、
フィルタを通して前記量子ビットに結合された負荷であって、前記フィルタは、少なくとも、第１のパスバンドおよび第１のストップバンドを有する、負荷と、
前記量子ビットを調整することにより、前記量子ビットの関連付けられた遷移周波数を前記フィルタの第１のストップバンドにおける第１の周波数から前記フィルタの第１のパスバンドにおける第２の周波数に変更するように構成されている、量子ビット制御部と
を備える、装置。
【請求項２】
前記フィルタは、複数のセルを備えるジョセフソン伝送路を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記複数のセルのそれぞれは、容量的に分路されたジョセフソン接合を備え、前記ジョセフソン接合は、関連付けられた臨界電流を有する、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記複数のセルは、各セルと関連付けられた前記ジョセフソン接合と関連付けられたインダクタンス未満の関連付けられたインダクタンスを有する、インダクタによって、相互に結合されている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記複数のセルと関連付けられた前記ジョセフソン接合の関連付けられたインダクタンスは、前記複数のセルを結合する前記インダクタと関連付けられたインダクタンスの３〜１０倍である、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記量子ビット制御部は、バイアス電流を前記量子ビットに提供するように構成され、前記量子ビット制御部は、前記提供されたバイアス電流を変更することによって、前記量子ビットを調整する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記量子ビット制御部は、マイクロ波パルスを提供することにより、所望の周波数において、前記量子ビットを駆動させるように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記量子ビットは、位相量子ビットである、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記負荷は、抵抗負荷である、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記負荷は、インピーダンスを有する回路要素であり、前記量子ビット制御部は、前記フィルタアセンブリを介して、前記量子ビットの関連付けられた量子状態を前記回路要素に提供するように前記量子ビットを調整するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
量子ビットのエネルギー状態を制御するための方法であって、
フィルタを通して、量子ビットを抵抗負荷に結合することであって、前記フィルタは、パスバンドおよびストップバンドを有する、ことと、
前記量子ビットを調整することにより、前記量子ビットの関連付けられた遷移周波数を前記フィルタのストップバンドにおける第１の周波数から前記フィルタのパスバンドにおける第２の周波数に変更することと
を含む、方法。
【請求項１２】
前記量子ビットを調整することにより、前記量子ビットの前記関連付けられた遷移周波数を変更することは、前記量子ビットの基底状態と前記量子ビットの第２の励起状態との間の遷移の周波数を前記第１の周波数から前記第２の周波数に調整することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記量子ビットの第１の励起状態と前記量子ビットの第２の励起状態との間の遷移と関連付けられた周波数において、前記量子ビットを駆動することにより、前記量子ビットを前記基底状態に冷却することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記量子ビットを調整することにより、前記量子ビットの前記関連付けられた遷移周波数を変更することは、前記量子ビットの基底状態と前記量子ビットの第１の励起状態との間の遷移の周波数を前記第１の周波数から前記第２の周波数に調整することにより、前記量子ビットをリセットすることを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記量子ビットの基底状態と前記量子ビットの第１の励起状態との間の前記遷移の前記周波数を前記第２の周波数から前記第１の周波数に調整することと、前記量子ビット上でゲート動作を行うこととをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
フィルタを通して、前記量子ビットを抵抗負荷に結合することは、ジョセフソン伝送路を通して、前記量子ビットを抵抗負荷に結合することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
量子ビットのエネルギー状態をリセットするための方法であって、
フィルタを通して、前記量子ビットを負荷に結合することであって、前記フィルタは、パスバンドおよびストップバンドを有する、ことと、
前記量子ビットの基底状態と前記量子ビットの第１の励起状態との間の遷移の周波数を前記フィルタの前記ストップバンドにおける第１の周波数から前記フィルタの前記パスバンドにおける第２の周波数に調整することと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記量子ビットの基底状態と前記量子ビットの第１の励起状態との間の前記遷移の前記周波数を前記第２の周波数から前記第１の周波数に調整することと、前記量子ビット上でゲート動作を行うこととをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
フィルタを通して、前記量子ビットを負荷に結合することは、前記量子ビットの基底状態と前記量子ビットの第１の励起状態との間の前記遷移の前記周波数を調整することが、前記フィルタを介して、前記量子ビットの関連付けられた量子状態を量子回路要素に提供することを含むように、インピーダンスを有する回路要素に前記量子ビットを結合することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
フィルタを通して、前記量子ビットを負荷に結合することは、ジョセフソン伝送路を通して、前記量子ビットを抵抗負荷に結合することを含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、米国特許出願第１３／１７７，６９０号（２０１１年７月７日出願）に基づく優先権を主張し、その内容は、その全体が参照によって本明細書中に援用される。
【０００２】
本発明は、概して、量子コンピューティングシステムに関し、より具体的には、量子ビットアセンブリの状態の管理に関する。
【背景技術】
【０００３】
古典的コンピュータは、古典物理学の法則に従って状態を変化させる、情報のバイナリビットを処理することによって動作する。これらの情報ビットは、ＡＮＤおよびＯＲゲート等の単純な論理ゲートを使用することによって修正されることができる。バイナリビットは、論理１（例えば、高電圧）または論理０（例えば、低電圧）のいずれかを表すように、論理ゲートの出力に生じる高または低エネルギーレベルによって物理的に生成される。２つの整数を乗算するもの等の古典的アルゴリズムは、これらの単純な論理ゲートの長い文字列に分解されることができる。古典的コンピュータのように、量子コンピュータもまた、ビットおよびゲートを有する。論理１および０を使用する代わりに、量子ビット（「ｑｕｂｉｔ」）は、量子力学を使用して、同時に、両方の可能性を占める。本能力は、量子コンピュータが、古典的コンピュータよりも指数関数的に大きい効率によって、広範な種類の問題を解決することができることを意味する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一側面によると、量子ビット装置は、量子ビットと、フィルタを通して量子ビットに結合された負荷とを含む。フィルタは、少なくとも、第１のパスバンドおよび第１のストップバンドを有する。量子ビット制御部は、量子ビットを調整することにより、量子ビットの関連付けられた遷移周波数をフィルタの第１のストップバンドにおける第１の周波数からフィルタの第１のパスバンドにおける第２の周波数に変更するように構成される。
【０００５】
本発明の別の側面によると、量子ビットのエネルギー状態を制御するための方法が、提供される。量子ビットは、フィルタを通して、抵抗負荷に結合される。フィルタは、パスバンドおよびストップバンドを有する。量子ビットは、量子ビットの関連付けられた遷移周波数をフィルタのストップバンドにおける第１の周波数からフィルタのパスバンドにおける第２の周波数に変更するように調整される。
【０００６】
本発明のさらなる側面によると、量子ビットのエネルギー状態をリセットするための方法が、提供される。量子ビットは、フィルタを通して、抵抗負荷に結合される。フィルタは、パスバンドおよびストップバンドを有する。量子ビットの基底状態と量子ビットの第１の励起状態との間の遷移の周波数は、フィルタのストップバンドにおける第１の周波数からフィルタのパスバンドにおける第２の周波数に調整される。
本発明は、例えば、以下の項目を提供する。
（項目１）
量子ビット装置であって、
量子ビットと、
フィルタを通して前記量子ビットに結合された負荷であって、前記フィルタは、少なくとも、第１のパスバンドおよび第１のストップバンドを有する、負荷と、
前記量子ビットを調整することにより、前記量子ビットの関連付けられた遷移周波数を前記フィルタの第１のストップバンドにおける第１の周波数から前記フィルタの第１のパスバンドにおける第２の周波数に変更するように構成されている、量子ビット制御部と
を備える、装置。
（項目２）
前記フィルタは、複数のセルを備えるジョセフソン伝送路を備える、項目１に記載の装置。
（項目３）
前記複数のセルのそれぞれは、容量的に分路されたジョセフソン接合を備え、前記ジョセフソン接合は、関連付けられた臨界電流を有する、項目２に記載の装置。
（項目４）
前記複数のセルは、各セルと関連付けられた前記ジョセフソン接合と関連付けられたインダクタンス未満の関連付けられたインダクタンスを有する、インダクタによって、相互に結合されている、項目３に記載の装置。
（項目５）
前記複数のセルと関連付けられた前記ジョセフソン接合の関連付けられたインダクタンスは、前記複数のセルを結合する前記インダクタと関連付けられたインダクタンスの３〜１０倍である、項目４に記載の装置。
（項目６）
前記量子ビット制御部は、バイアス電流を前記量子ビットに提供するように構成され、前記量子ビット制御部は、前記提供されたバイアス電流を変更することによって、前記量子ビットを調整する、項目１に記載の装置。
（項目７）
前記量子ビット制御部は、マイクロ波パルスを提供することにより、所望の周波数において、前記量子ビットを駆動させるように構成されている、項目１に記載の装置。
（項目８）
前記量子ビットは、位相量子ビットである、項目１に記載の装置。
（項目９）
前記負荷は、抵抗負荷である、項目１に記載の装置。
（項目１０）
前記負荷は、非消滅実部を有するインピーダンスを有する回路要素であり、前記量子ビット制御部は、前記フィルタアセンブリを介して、前記量子ビットの関連付けられた量子状態を前記回路要素に提供するように前記量子ビットを調整するように構成されている、項目１に記載の装置。
（項目１１）
量子ビットのエネルギー状態を制御するための方法であって、
フィルタを通して、量子ビットを抵抗負荷に結合することであって、前記フィルタは、パスバンドおよびストップバンドを有する、ことと、
前記量子ビットを調整することにより、前記量子ビットの関連付けられた遷移周波数を前記フィルタのストップバンドにおける第１の周波数から前記フィルタのパスバンドにおける第２の周波数に変更することと
を含む、方法。
（項目１２）
前記量子ビットを調整することにより、前記量子ビットの前記関連付けられた遷移周波数を変更することは、前記量子ビットの基底状態と前記量子ビットの第２の励起状態との間の遷移の周波数を前記第１の周波数から前記第２の周波数に調整することを含む、項目１１に記載の方法。
（項目１３）
前記量子ビットの第１の励起状態と前記量子ビットの第２の励起状態との間の遷移と関連付けられた周波数において、前記量子ビットを駆動することにより、前記量子ビットを前記基底状態に冷却することをさらに含む、項目１２に記載の方法。
（項目１４）
前記量子ビットを調整することにより、前記量子ビットの前記関連付けられた遷移周波数を変更することは、前記量子ビットの基底状態と前記量子ビットの第１の励起状態との間の遷移の周波数を前記第１の周波数から前記第２の周波数に調整することにより、前記量子ビットをリセットすることを含む、項目１１に記載の方法。
（項目１５）
前記量子ビットの基底状態と前記量子ビットの第１の励起状態との間の前記遷移の前記周波数を前記第２の周波数から前記第１の周波数に調整することと、前記量子ビット上でゲート動作を行うこととをさらに含む、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
フィルタを通して、前記量子ビットを抵抗負荷に結合することは、ジョセフソン伝送路を通して、前記量子ビットを抵抗負荷に結合することを含む、項目１１に記載の方法。
（項目１７）
量子ビットのエネルギー状態をリセットするための方法であって、
フィルタを通して、前記量子ビットを負荷に結合することであって、前記フィルタは、パスバンドおよびストップバンドを有する、ことと、
前記量子ビットの基底状態と前記量子ビットの第１の励起状態との間の遷移の周波数を前記フィルタの前記ストップバンドにおける第１の周波数から前記フィルタの前記パスバンドにおける第２の周波数に調整することと
を含む、方法。
（項目１８）
前記量子ビットの基底状態と前記量子ビットの第１の励起状態との間の前記遷移の前記周波数を前記第２の周波数から前記第１の周波数に調整することと、前記量子ビット上でゲート動作を行うこととをさらに含む、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
フィルタを通して、前記量子ビットを負荷に結合することは、前記量子ビットの基底状態と前記量子ビットの第１の励起状態との間の前記遷移の前記周波数を調整することが、前記フィルタを介して、前記量子ビットの関連付けられた量子状態を量子回路要素に提供することを含むように、非消滅実部を有するインピーダンスを有する回路要素に前記量子ビットを結合することを含む、項目１７に記載の方法。
（項目２０）
フィルタを通して、前記量子ビットを負荷に結合することは、ジョセフソン伝送路を通して、前記量子ビットを抵抗負荷に結合することを含む、項目１７に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明のある側面による、量子ビットアセンブリの機能的ブロック図を図示する。
【図２】図２は、ジョセフソン伝送路としての、本発明のある側面による、フィルタアセンブリの一実装を図示する。
【図３】図３は、ジョセフソン伝送路を使用する、本発明の一実装の入力インピーダンスの実部を図示する、チャートである。
【図４】図４は、量子ビットアセンブリの一実装における、ジョセフソン伝送路を通して抵抗負荷に結合された量子ビットによって経験される減衰のシミュレーションを図示する。
【図５】図５は、２５ギガヘルツのカットオフ周波数を有する高パスフィルタとして動作するように構成された、フィルタアセンブリの一実施例のプラズモンモードのための分散関係のチャートを図示する。
【図６】図６は、本発明のある側面による、量子ビットのエネルギー状態を管理するための方法を図示する。
【図７】図７は、本発明のある側面による、量子ビットアセンブリの一実施例の３つの動作モードを図示する、概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
固体状態量子ビット（「ｑｕｂｉｔ」）は、半導体量子ドット、ＳＱＵＩＤ、または他の超伝導素子等の物体中の巨視的自由度の量子化励起に情報をエンコードする。任意の量子コンピュータでは、高忠実度を伴って、量子ビットを既知の状態に初期化することが望ましい。いくつかのアーキテクチャでは、物理的量子ビットは、アプリケーションが、リセット動作の速度に敏感であるように、計算全体を通して、リサイクルされることができる。固体状態量子ビットは、本発明のある側面によると、高忠実度を伴って、システムを既知の状態において初期化する能力を有し、プロセスは、本明細書では、量子ビットの「リセット」と称される。一実装では、量子ビットは、基底状態において初期化される。関連プロセスは、量子ビットからの望ましくない熱励起の除去である。本明細書では、量子ビットの「冷却」と称される、本プロセスでは、量子ビットの励起状態占有率は、熱レベルより下に低減される。本発明は、抵抗負荷が、選択的に、量子ビットをリセットまたは冷却するために使用され得るように、フィルタを介して、量子ビットを抵抗負荷に結合することを伴う、高速リセットまたは冷却方式を説明する。
【０００９】
図１は、本発明のある側面による、量子ビットアセンブリ１０の機能的ブロック図を図示する。量子ビットアセンブリ１０は、フィルタアセンブリ１６を介して、負荷１４に結合された量子ビット１２を備える。量子ビット１２は、制御機構１８に応答して調整可能である複数のエネルギー状態を有する、任意の物理的アセンブリを含むことができる。例えば、量子ビットセルは、量子ビットセルが、電荷量子ビット、磁束量子ビット、および位相量子ビットのうちの１つ以上を含み得るように、キャパシタの電場、インダクタの磁場、および１つ以上の超伝導ジョセフソン接合のうちのいくつかの組み合わせ間でエネルギーを転送し得る発振器として実装されることができる。量子ビットセルの例示的実装は、ジョセフソン接合、量子ドット、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）、クーパー対箱、およびイオントラップのうちの１つ以上を含むことができる。さらに、用語「結合」は、電気導体による機械的結合等の物理的結合手段だけではなく、容量結合、誘導結合、磁気結合、核結合、および光学結合、または前述の任意の組み合わせを含む、任意の他の適切な結合手段も包含するように意図されることが理解される。
【００１０】
フィルタアセンブリ１６は、量子ビットの関連付けられた共振周波数に従って、選択的に、量子ビット１２を負荷１４から分離するための任意の適切な構造を含むことができる。フィルタ応答は、フィルタアセンブリ１６が、１つ以上の関連付けられたパスバンドおよび１つ以上の関連付けられたストップバンドを有し得るように、低パス、バンドパス、または高パスとして、実現されることができる。量子ビットが、フィルタアセンブリ１６のパスバンド内の周波数で共振しているとき、量子ビットは、負荷のインピーダンスを被り、高速リセットが、時定数Ｔ１＝ＲＣを伴って生じ得る（式中、Ｃは、量子ビット静電容量であって、Ｒは、フィルタの入力から被られる負荷インピーダンスの実部である）。量子ビットが、フィルタアセンブリ１６のストップバンド内の周波数で共振しているとき、フィルタアセンブリは、フィルタトポロジに応じて、負荷インピーダンスを短絡または開放のいずれかに変換し、効果的に、量子ビット１２を負荷から切り離す。負荷１４は、フィルタアセンブリのＬＣ特性に整合する、実インピーダンスを有するように選択されることができることが理解される。例えば、負荷１４は、フィルタアセンブリ１６のインピーダンスに整合するように選択された抵抗を有する、抵抗負荷であることができる。
【００１１】
量子ビット１２は、量子ビット１２のエネルギー状態の関連付けられた遷移周波数を変化させるための制御機構１８によって調整されることができることが理解される。例えば、制御機構１８は、バイアス電流または磁束を量子ビット１２に提供するように構成されることができ、量子ビットは、制御機構から提供されたバイアス電流または磁束を変更することによって、調整されることができる。故に、量子ビット周波数は、フィルタアセンブリのストップバンドとパスバンドとの間で状態遷移周波数を移動させ、選択的に、量子ビットの１つ以上のレベル間遷移周波数を負荷にさらすように調整されることができる。例えば、基底状態と第１の励起状態との間の遷移周波数は、フィルタアセンブリ１６のパスバンド内に調整されることにより、量子ビットのリセットを生じさせることができる。代替として、基底状態と第２の励起状態との間の遷移周波数は、フィルタアセンブリ１６のパスバンド内に調整されることにより、量子ビットの冷却を可能にし得る。量子ビットの冷却を促進するために、量子ビット制御部は、マイクロ波パルスを提供することにより、第１と第２の励起状態との間の遷移周波数において、量子ビットを駆動するように構成されことができる。一実装では、マルチセクションフィルタは、フィルタアセンブリ１６のロールオフ特性が、量子ビット１２の調整可能範囲内に適合するために十分に急峻であることを確実にするために使用される。
【００１２】
一実装では、負荷１４は、量子ビットの励起状態が、フィルタアセンブリ１６のパスバンド内に調整されると、量子ビット１２内に貯蔵されたエネルギーの量子を受け取る、回路要素を備えることができる。本質的に、量子ビット制御部１８は、量子ビット１２を調整することにより、フィルタアセンブリ１６に沿って、量子ビット１２の関連付けられた量子状態を放出して、それを回路要素に提供することができる。そのような場合、負荷１４は、単一光子入力を提供することが望ましい、非消滅実インピーダンスを有する、任意の要素を備えることができる。例えば、該回路要素は、増幅器、検出器、ファイバ結合器、光モジュレータ、ビームスプリッタ、または類似構成要素であることができる。さらに、量子ビットアセンブリ１０は、図示された量子ビットアセンブリの高速冷却およびリセット構成を有する、共振器、他の量子ビット、または他の量子ビットアセンブリと併用されることができることが理解される。
【００１３】
図２は、ジョセフソン伝送路としての、本発明のある側面による、フィルタアセンブリ５０の一実装を図示する。ジョセフソン伝送路は、関連付けられた接合プラズマ周波数を下回って伝播する小振幅モードをサポートせず、したがって、ＪＴＬプラズマ周波数より小さい基底への遷移周波数を有する量子ビット内のエネルギー状態のために、量子ビットと抵抗負荷との間に分離を提供することができる、伝送路である。プラズマ周波数より高い周波数では、ジョセフソン伝送路は、プラズモンと称される、伝播モードをサポートし、ジョセフソン伝送路は、プラズマ周波数を上回る遷移周波数を有する量子ビット内の任意の状態を整合された負荷に効率的に結合し、高速リセットまたは冷却を促進することができる。
【００１４】
ジョセフソン伝送路は、直列インダクタ５２−５５によって接続された、複数のセル６０、７０、および８０を備える。各セル６０、７０、および８０は、関連付けられたキャパシタ６４、７４、および８４を通して、接地に分路されたジョセフソン接合６２、７２、および８２を含む。ジョセフソン伝送路のプラズマ周波数は、各セル６０、７０、および８０と関連付けられたジョセフソン接合６２、７２、および８２のための臨界電流ｉ０と、分路キャパシタ６４、７４、および８４と関連付けられた静電容量とによって定義される。個々のセル６０、７０、および８０を結合する直列インダクタ５２−５５は、ジョセフソン接合６２、７２、および８２の関連付けられたインダクタンスＬｊ未満のインダクタンスを有することができ、ここで、
【００１５】
【数１】
0005750194.tif 000002
であって、
【００１６】
【数２】
0005750194.tif 000003
は、換算プランク定数（ｈ／２π）であって、ｅは、素電荷である。実際は、直列インダクタ５２−５５のインダクタンスは、ジョセフソン接合のインダクタンスの約３分の１から１０分の１であるように選択されることができる。結果として生じるジョセフソン伝送路は、量子コンピューティングに望ましい低温動作と両立可能であり、かつ同一の処理技術を使用して、量子ビットと同時加工可能である、コンパクト構造を提供する。
【００１７】
一実装では、ジョセフソン接合６２、７２、および８２は、各接合のための分路キャパシタ６４、７４、および８４を０．２ｐＦキャパシタとして選択することによって設定される、臨界電流ｉ０＝１μＡおよびωｐ／２π＝２０．５ＧＨｚのプラズマ周波数を有することができる。直列インダクタ５２−５５は、３０ｐＨのインダクタンスを有するように選択される。一実施例では、ジョセフソン伝送路は、１００個のセルで構成され、総長約数ミリメートルであり得るが、伝送路は、特定の用途に応じて、より長いまたはより短くあることができることが理解される。図３は、チャートの垂直軸１０２によって表された本伝送路の入力インピーダンスの実部を水平軸１０４によって表された周波数の関数として図示する、チャート１００である。チャートから分かるように、ジョセフソン伝送路は、プラズマ周波数１０６より下で反応性短絡（ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｓｈｏｒｔ）（Ｒｅ｛Ｚ｝＝０）のように見えるが、プラズマ周波数より上で有限散逸成分（Ｒｅ｛Ｚ｝＞０）を有する。プラズマ周波数１０６より上でのインピーダンスの実部の振動挙動は、ジョセフソン伝送路の有限長の結果である。
【００１８】
図４は、図３にモデル化されたジョセフソン伝送路を通して、抵抗負荷に結合された量子ビットによって経験される減衰のシミュレーションを、種々の周波数における、量子ビットのインピーダンスのチャート１５０として図示する。具体的には、図４は、ジョセフソン接合に誘導結合された、シミュレートされた位相量子ビットの周波数選択的減衰を実証する。シミュレートされた位相量子ビットは、０．５ｐＦキャパシタによって分路されたジョセフソン接合から成り、３００ｐＨのインダクタンスを有するループ内に封入される。５００キロオーム分路抵抗器もまた、量子ビットの内部損失を考慮するために、シミュレーションに含まれる。量子ビットの共振周波数は、水平軸１５２上にギガヘルツ単位で表され、量子ビットのインピーダンスの大きさは、垂直軸１５４上に対数的に表される。実線として示される、第１のグラフは、ジョセフソン伝送路のプラズマ周波数１５８を下回る、第１の量子ビット周波数に対するインピーダンス１５６を表す。破線として示される、第２のグラフは、ジョセフソン伝送路のプラズマ周波数を上回る、第２の量子ビット周波数に対するインピーダンス１６０を表す。
【００１９】
より低い周波数１５６では、量子ビット寿命は、内部損失によって制限され、インピーダンスは、共振に関してモデル化された分路レジスタの値まで成長する。量子ビットの周波数が、プラズマ周波数１５８を超えると、量子ビット寿命は、量子ビットへの誘導結合の効果によって変換されるような抵抗負荷のインピーダンスによって左右される。故に、量子ビット品質係数は、その周波数をジョセフソン伝送路のカットオフ周波数を上回る周波数に調整することによって、１桁分より大きく低減され得る。本品質係数の低減は、直接、類似した要因による、量子ビット寿命の低減を直接含意する。したがって、ジョセフソン伝送路カットオフより上に量子ビット周波数を調整することによって、量子ビットの基底状態への量子ビットの高速減衰が、誘導され得る。
【００２０】
図４のシミュレーションでは、ジョセフソン伝送路内のジョセフソン接合は、線形インダクタンスとしてモデル化される。ジョセフソン接合の非線形性を無視する、本近似は、単一光子の伝播と関連付けられた低電力レベルを前提として、正当化される。実際、量子ビットの高速リセットおよび冷却を促進する際に使用するために好適なジョセフソン伝送路は、ジョセフソン接合を線形インダクタと置換する、線形要素によってもっぱら作製され得る。しかしながら、現在、ジョセフソン接合は、類似値の線形インダクタより小さい物理的寸法を伴って加工され得るため、ジョセフソン接合は、図２の実施例において使用される。
【００２１】
図５は、２５ギガヘルツのカットオフ周波数２０４を有する高パスフィルタとして動作するように構成された、本発明のある側面による、フィルタアセンブリの一実施例のプラズモンモードのための分散関係２０２のチャート２００を図示する。図示されるチャートでは、垂直軸２０６は、周波数ｆ（ギガヘルツ）を表す一方、水平軸２０８は、伝播モードの波数ｋを表し、波数ｋは、フィルタアセンブリの特性長ａを乗算されることにより、無名数定数を生成する。例えば、ジョセフソン伝送路配列の場合、フィルタアセンブリの特性長は、ジョセフソン伝送路内の各セルの物理的長さを含むことができる。本無名数定数は、水平軸２０８に沿って、０から１のスケールを生成するために、πによってスケーリングされる。
【００２２】
分散曲線とオーバレイされるのは、量子ビットエネルギースペクトル２１２−２１５の概略である。図５に図示されるように、第１および第２の励起状態２１２および２１３は両方とも、フィルタの低周波数カットオフによって、そのエネルギーを負荷に放射することから保護される。そのうえ、第１および第２の励起状態２１２および２１３は、負荷内の低周波数変動から保護され、量子ビット位相コヒーレンスを保存するのに役立つ。第３および第４の励起状態２１４および２１５等のより高いレベルの量子ビットは、エネルギーが、プラズモンモードを介して引き出されて、抵抗負荷において、エネルギーを消散させ得るように、フィルタアセンブリのカットオフ周波数を上回った状態にある。
【００２３】
図６は、本発明のある側面による、量子ビットのエネルギー状態を管理するための方法３００を図示する。３０２では、量子ビットは、フィルタを通して、負荷に結合される。フィルタは、量子ビット内のエネルギーが、抵抗負荷を自由に通過することができる周波数を表す、少なくとも１つのパスバンドと、量子ビットが、実質的に、抵抗負荷から分離される周波数を表す、少なくとも１つのストップバンドとを有するように構成される。一実装では、量子ビットは、ジョセフソン伝送路を介して、抵抗負荷に結合される。別の実装では、負荷は、非消滅実部を有するインピーダンスを有する、回路要素またはサブ回路を含む。
【００２４】
３０４では、量子ビットは、量子ビットの関連付けられた遷移周波数をフィルタのストップバンドにおける第１の周波数からフィルタのパスバンドにおける第２の周波数に変更するように調整される。例えば、量子ビットの基底状態と量子ビットの第２の励起状態との間の遷移の周波数は、第１の周波数から第２の周波数に調整されることができる。量子ビットは、次いで、量子ビットを基底状態に冷却するために、例えば、マイクロ波パルスを介して、量子ビットの第１の励起状態と量子ビットの第２の励起状態との間の遷移と関連付けられた周波数で駆動されることができる。代替として、第１の周波数から第２の周波数への、量子ビットの基底状態と量子ビットの第１の励起状態との間の遷移の周波数は、量子ビットをリセットする。量子ビットが、フィルタを介して、回路要素に結合される、一実装では、リセットを提供するために量子ビットを調整することはまた、フィルタを介して、量子ビットの関連付けられた量子状態を回路要素に提供する。量子ビットが、その基底状態にリセットされると、量子ビットは、元の周波数に戻されることができ、１つ以上の量子ゲート動作が、量子ビット上で行われ得る。
【００２５】
図７は、本発明のある側面による、量子ビットアセンブリの一実施例の３つの動作モードを図示する、概略図３５０である。第１の動作モード３５２では、量子ビット状態は、動作のために、適切な周波数に調整される。故に、第１の励起状態｜１＞および第２の励起状態｜２＞の各々は、フィルタのカットオフ値を下回る、基底状態｜０＞と関連付けられたそれぞれの遷移周波数を有する。言い換えると、量子ビットは、第１の励起状態および第２の励起状態が両方とも、フィルタのストップバンド内にある基底状態への遷移周波数を有するように調整される。量子ビットが、本状態にあるとき、量子ビットまたは別の量子ビットの状態を修正するために、量子ゲート動作が、量子ビット上で行われることができる。
【００２６】
第２の動作モード３５４では、量子ビット状態は、量子ビットが冷却されることにより、望ましくない熱励起を除去し得るように、調整される。このために、量子ビットは、第１の励起状態と基底状態との間の遷移周波数が、ストップバンド内にあるが、第２の励起状態と基底状態との間の遷移周波数が、フィルタのパスバンド内にあるように調整されることができる。量子ビットは、次いで、第１の励起状態と第２の励起状態との間の遷移と関連付けられた周波数で駆動されることにより、フィルタを通して、負荷において、熱エネルギーを消散させることができる。例えば、量子ビットは、遷移周波数において、マイクロ波束のパルスで駆動されることができる。
【００２７】
第３の動作モード３５６では、量子ビット状態は、量子ビットの高速リセットを強行するように調整される。具体的には、量子ビットは、第１の励起状態と基底状態との間の遷移周波数が、パスバンド内にあって、第１の励起状態と関連付けられた量子状態の任意の部分をフィルタを通して消散させて、第１の励起状態の関連付けられた振幅を０にするように調整されることができる。量子ビットが、基底にリセットされると、量子ビットは、第１の動作モード３５２に回復され、量子ゲート動作の実行を可能にすることができる。
【００２８】
前述のものは、本発明の実施例である。当然ながら、本発明を説明する目的のために、構成要素または方法論のあらゆる想起される組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。故に、本発明は、添付の請求項を含む本願の範囲内にある、全てのそのような変更、修正、および変形例を包含することを意図する。
【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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