(57)【要約】  超伝導回路内の２つの構成要素をリンクするシステムおよび方法が提供される。それぞれがインダクタ、コンデンサ、およびジョセフソン接合のうちの１つを含む複数の回路要素が、２つの構成要素を接続する経路上に直列に接続される。複数のチューナブル発振器が、２つの構成要素を接続する経路から接続される。各チューナブル発振器は、制御信号に応答して、チューナブル発振器の関連する共振周波数を、２つの構成要素が結合される第１の周波数範囲内と、２つの構成要素が分離される第２の周波数範囲内とにチューニングする。【選択図】図１
2021515396.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導回路内の２つの構成要素をリンクするチューナブルカプラーアセンブリであって、
複数の回路要素であって、それぞれがインダクタ、コンデンサ、およびジョセフソン接合のうちの１つを含み、前記２つの構成要素を接続している経路上で直列に接続されている、複数の回路要素と、
前記２つの構成要素を接続している前記経路に接続されている複数のチューナブル発振器であって、各チューナブル発振器は、制御信号に応答して、前記チューナブル発振器の関連する共振周波数を、前記２つの構成要素が結合される第１の周波数範囲内と、前記２つの構成要素が分離される第２の周波数範囲内とにチューニングする、複数のチューナブル発振器と、を含む、チューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項２】
前記複数のチューナブル発振器のそれぞれは、前記回路経路を接地に接続している、請求項１に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項３】
前記制御信号は、共通のバイアス線上に提供される電流を介して、前記複数のチューナブル発振器のそれぞれに提供される、請求項１に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項４】
前記複数のチューナブルカプラーのそれぞれは、複合ジョセフソン接合として実装されている、請求項１に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項５】
前記複数のチューナブルカプラーのそれぞれは、並列に接続された３つのジョセフソン接合で実装されている、請求項４に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項６】
前記制御信号は、前記３つのジョセフソン接合のうちの第１および第２のジョセフソン接合を含む経路に提供される第１の制御信号であり、第２の制御信号が、前記３つのジョセフソン接合のうちの第３のジョセフソン接合を含む経路に提供される、請求項５に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項７】
前記第１の制御信号は、前記複数のチューナブルカプラーのそれぞれの前記３つのジョセフソン接合のうちの第１および第２のジョセフソン接合を含む前記経路のそれぞれに誘導結合された第１のバイアス線上に電流信号として提供され、前記第２の制御信号は、前記複数のチューナブルカプラーのそれぞれの前記３つのジョセフソン接合のうちの第３のジョセフソン接合を含む各経路に誘導結合された第２のバイアス線上に電流信号として提供される、請求項６に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項８】
前記チューナブルカプラーアセンブリは、前記制御信号が存在しないときには、前記２つの構成要素間に１００キロヘルツ未満の結合強度を提供し、前記制御信号が第１の値にチューニングされたときには、５０メガヘルツよりも大きい結合強度を提供する、請求項１に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項９】
前記制御信号は、印加磁束を生成する電流であり、前記カプラーは、磁束量子の約半分の前記印加磁束の大きさのときに最大結合を提供し、前記印加磁束の前記大きさが、前記磁束量子の０．４５未満のうちの１つであるときに、前記最大結合よりも実質的に小さい結合を提供するように構成される、請求項１に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項１０】
前記複数の回路要素のそれぞれは、１０〜５００ピコヘンリーのインダクタンスを有するインダクタである、請求項１に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項１１】
前記複数のチューナブル発振器のそれぞれは、前記制御信号に応答して、５ギガヘルツ〜４０ギガヘルツの周波数をとる、請求項１に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項１２】
超伝導回路内の２つの構成要素間にチューナブル結合を提供する方法であって、
前記２つの構成要素間に第１の回路経路を製作することであって、前記第１の回路経路は複数の回路要素を含み、前記複数の回路要素のそれぞれはインダクタ、コンデンサ、およびジョセフソン接合のうちの１つを含む、製作することと、
複数のチューナブル発振器を製作することであって、それぞれが制御信号に応答して前記発振器の関連する周波数をチューニングし、前記第１の回路経路に沿った点から接続される、製作することと、を含む、方法。
【請求項１３】
前記複数のチューナブル発振器を製作することは、前記回路経路を前記２つの構成要素間の第２の回路経路に接続する複数の複合ジョセフソン接合を製作することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の回路経路は、共通接地である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数の回路要素は、第１の複数の回路要素であり、前記第２の回路経路は、第２の複数の回路要素を含み、前記複数の回路要素のそれぞれは、インダクタ、コンデンサ、およびジョセフソン接合のうちの１つを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記制御信号が共通バイアス線を介して提供され得るように、複数のチューナブル発振器のそれぞれに誘導結合された前記共通バイアス線を製作することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のチューナブル発振器を、前記２つの構成要素が結合される第１の周波数範囲内にチューニングするために、前記制御信号を所定範囲内の値で提供することと、
前記複数のチューナブル発振器を、前記２つの構成要素が分離される第２の周波数範囲内にチューニングするために、前記制御信号を前記所定範囲外の値で提供することと、をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記所定範囲は、制御信号が存在しないときには前記２つの構成要素が分離されるように、ゼロの値を含まない、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記制御信号を提供することは、前記複数のチューナブル発振器のそれぞれに制御磁束を提供することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
超伝導回路内の２つの構成要素をリンクするチューナブルカプラーアセンブリであって、
前記２つの構成要素を接続している経路上で直列に接続されている複数の回路要素であって、前記複数の回路要素のそれぞれがインダクタ、コンデンサ、およびジョセフソン接合のうちの１つを含む、複数の回路要素と、
前記２つの構成要素を接続している前記経路から接地に接続された複数の複合ジョセフソン接合であって、各チューナブル発振器が、共通バイアス線によって提供された制御磁束に応答して、前記チューナブル発振器の関連する共振周波数を、前記２つの構成要素が結合される第１の周波数範囲内と、前記２つの構成要素が分離される第２の周波数範囲内とにチューニングする、複数の複合ジョセフソン接合と、を含む、チューナブルカプラーアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、２０１８年３月２日に出願された米国特許出願第１５／９１０２５４号からの優先権を主張し、その全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、契約番号３００７８１２８の下で政府の支援を受けてなされたものである。政府は、本発明に対して一定の権利を有する。
【０００３】
本発明は、概して超伝導回路に関し、より具体的には、超伝導回路間のロバストなチューナブル結合に関する。
【背景技術】
【０００４】
量子計算およびシミュレーションの基本的な課題は、さまざまな演算を行うために、高度に接続されたコヒーレントキュービットの大規模システムを構築することである。超伝導キュービットは、巨視的回路を利用して量子情報を処理し、この目的を達成するための有望な候補である。最近では、材料研究および回路最適化により、キュービットコヒーレンスが大幅に進歩している。超伝導キュービットは、今やそれらのコヒーレンス時間内に数百もの演算を行うことができ、エラー訂正といった複雑なアルゴリズムを詳細に研究することが可能になっている。多くの応用では、これらの高コヒーレンスキュービットをチューニング可能なキュービット間結合と組み合わせることが望ましく、これは、コヒーレントな局所演算と動的に変化するキュービット相互作用との両方を可能にするからである。量子計算では、これはシングルキュービットゲートの分離を提供すると同時に、デコヒーレンスによるエラーを最小限に抑える高速２キュービットゲートを可能にする。チューナブル結合のこれまでの試みにもかかわらず、これらの応用は、チューニング可能な長距離結合を高コヒーレンスデバイスと合体させる上での課題のために、まだ実現されていない。
【発明の概要】
【０００５】
一例では、超伝導回路内の２つの構成要素をリンクするチューナブルカプラーアセンブリが提供される。それぞれがインダクタ、コンデンサ、およびジョセフソン接合のうちの１つを含む複数の回路要素が、２つの構成要素を接続する経路上で直列に接続される。複数のチューナブル発振器が、２つの構成要素を接続する経路から接続される。各チューナブル発振器は、制御信号に応答して、チューナブル発振器の関連する共振周波数を、２つの構成要素が結合される第１の周波数範囲内と、２つの構成要素が分離される第２の周波数範囲内とにチューニングする。
【０００６】
別の例では、超伝導回路内の２つの構成要素間にチューナブル結合を提供する方法が提供される。第１の回路経路が、２つの構成要素間に製作される。第１の回路経路は、複数の回路要素を含み、そのそれぞれがインダクタ、コンデンサ、またはジョセフソン接合である。複数のチューナブル発振器が、第１の回路経路に沿ってそれぞれの点から接続される。各チューナブル発振器は、制御信号に応答して、発振器の関連する周波数をチューニングする。
【０００７】
さらに別の例では、超伝導回路内の２つの構成要素をリンクするチューナブルカプラーアセンブリが提供される。複数の回路要素が、２つの構成要素を接続する経路上で直列に接続される。複数の回路要素のそれぞれは、インダクタ、コンデンサ、またはジョセフソン接合である。複数の複合ジョセフソン接合が、２つの構成要素を接続する経路から接地に接続される。各チューナブル発振器は、共通バイアス線によって提供される制御磁束に応答して、チューナブル発振器の関連する共振周波数を、２つの構成要素が結合される第１の周波数範囲内と、２つの構成要素が分離される第２の周波数範囲内とにチューニングする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】超伝導システムの一例のブロック図を示す。
【図２】２つのトランズモンキュービットとチューナブルカプラーとを含む超伝導システムの一例を示す。
【図３】図２のチューナブルカプラーの１つの実装形態について、横軸に磁束量子の分数で表される印加磁束の関数として、縦軸にギガヘルツで表されるチューナブルカプラーの最低周波数カプラーモードを示すグラフを示す。
【図４】図２のチューナブルカプラーの別の実装形態について、横軸に磁束量子の分数で表される印加磁束の関数として、縦軸にギガヘルツで表されるチューナブルカプラーの最低周波数カプラーモードを示すグラフを示す。
【図５】複合ジョセフソン接合を含むジョセフソン接合の臨界電流の変動による図２のチューナブルカプラーのターンオフ挙動の分散を示すグラフである。
【図６】複合ジョセフソン接合を含むジョセフソン接合の臨界電流の変動による図２のチューナブルカプラーのターンオン挙動の分散を示すグラフである。
【図７】２つのトランズモンキュービットとチューナブルカプラーとを含む超伝導システムの別の例を示す。
【図８】２つの超伝導回路構成要素を結合する方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示は、概して超伝導回路の結合に関し、より具体的には、製作誤差および提供された制御磁束の誤差に対してロバストな構成要素間のチューナブル結合を証明することに関する。チューナブル結合構成要素が、超伝導回路内の２つの構成要素間に配置される。チューナブル結合構成要素は、構成要素間に強結合状態または脱結合（すなわち分離）状態を提供するように調整することができる。一例では、脱結合状態において、分離したキュービットの状態情報に操作を行うことができる一方で、強結合状態中に状態情報を超伝導回路の他の構成要素に渡すことができる。
【００１０】
先行技術のカプラーは、オフ点において、つまり、結合された構成要素を分離することを目的とした制御パラメータの値において、制御磁束に線形依存性を有する。これにより、カプラーのオフ状態は制御磁束およびオフ点のあらゆる変化に非常に敏感になり、オフ点は、同じ回路の１つに結合された第２のカプラーがその結合値を変えるときといったように、結合されている回路のインピーダンスが変化すると、変化する可能性がある。本発明のカプラーは、一連の誘導結合されたチューナブルなＬＣ共振器からなり、その最低周波数の集団モードは、５〜４０ＧＨｚといった広範囲にわたるバイアス磁束を介してチューニングすることができる。最低周波数カプラーモードがその最高周波数にあるとき、カプラーはオフになり、チューナブルカプラーによってリンクされた構成要素を分離する。制御信号の適切な値において、カプラーモード周波数は減少し、最低モードはチューナブルカプラーによってリンクされた構成要素の周波数に近づき、２つの構成要素間に強結合を提供する。つまり、本発明のカプラーは、オフ点ではなく、さまざまな制御磁束値の範囲に対して実質的な分離を提供する。一例では、チューナブル発振器に印加される制御信号がないとき、カプラーは「オフ」状態のままである。この状態は、制御信号の値が小さい間持続し、したがって、制御磁束の変動に反応しない。オフ状態において提供される残留結合は、カプラー内のチューナブル発振器の「区間（ｌｅｇ）」の数が増えると、ほぼ指数関数的に減少する。
【００１１】
一例では、一連の結合された複合ジョセフソン接合共振器が結合構成要素として使用される。制御磁束がゼロに近いとき、複合ジョセフソン接合の実効インダクタンスは小さく、カプラーのバックボーンに沿って流れる電流をほぼ指数関数的に減衰させる。これにより、カプラーはＤＣ電流について遮断される。制御磁束が各複合ジョセフソン接合ループ内の磁束量子の半分に近いとき、各複合ジョセフソン接合の実効インダクタンスは大きく、バックボーンに沿った電流はよりゆっくりと減衰し、結合が可能になる。ＡＣ動作では、複合ジョセフソン接合は、結合される量子回路のモードよりも「オフ」状態の周波数がはるかに高いチューナブルなＬＣ共振器として機能する。オフ結合は、複合ジョセフソン接合共振器段の数をほぼ指数関数的に減少する。モード周波数のデチューニングを使用して結合をオフにすることの１つの利点は、デチューニングが十分に大きいならば、カプラーがオフになる閾値挙動があることである。これは、オフ状態が特定の制御磁束値にある典型的な例と比べて有利である。
【００１２】
図１は、超伝導システム１００の一例のブロック図を示す。超伝導システムは、チューナブルカプラー１２０を介して第２の回路構成要素１１４に結合される第１の回路構成要素１１２を含む。第１および第２の回路構成要素１１２および１１４のそれぞれが、キュービット、集中素子ＬＣ発振器または分散共振器といった共振器、散逸性サブ回路（例えば抵抗要素を含む回路）、または超伝導システムの任意の他の適切な構成要素を表すことができることが理解されよう。また、キュービットという用語が、量子情報を保存できる２つ以上の量子状態を含む任意のシステムの省略形であることも理解されよう。超伝導キュービットの例示的な実装形態には、トランズモン、磁束キュービット、カントロニウム、クーパーペアボックス、およびフラクソニウムが含まれ、通常、ジョセフソン接合、コンデンサ、およびインダクタのうちの１つ以上が含まれる。「結合された」という用語は、２つのシステムがエネルギーまたは情報を交換することができる任意の手段を包含することが意図されていることがさらに理解されよう。
【００１３】
チューナブルカプラー１２０は、第１および第２の構成要素１１２および１１４間に、複数の誘導性および／または容量性回路要素（ＣＥ）を有する回路経路１２２を含む。回路経路１２２の所与の回路要素は、インダクタ、コンデンサ、ジョセフソン接合、またはこれらの要素の組み合わせであってよい。複数のチューナブル発振器１２４および１２５が、回路経路１２２に沿って接続されている。チューナブル発振器１２４および１２５は、提供された制御信号によって変化する共振周波数を有する任意のサブ回路であってよい。例えばチューナブル発振器１２４および１２５は、複合ジョセフソン接合として実装することができる。各チューナブル発振器１２４および１２５は、発振器の関連する共振周波数をチューニングするために関連するコントローラ１３０によって提供される制御信号に応答する。例えば制御信号は、チューナブル発振器１２４に提供される制御磁束であってよい。一実装形態では、複数のチューナブル発振器１２４および１２５のそれぞれは、回路経路１２２上の点を接地に接続する。
【００１４】
一例では、チューナブルカプラー１２０は、制御信号がないときは、２つの回路構成要素１１２および１１４が分離されるように構成される。２つの構成要素１１２および１１４を結合するには、制御信号は、発振器の構成によって決定される比較的狭い値の範囲内でチューナブル発振器１２４および１２５に提供されて、チューナブルカプラーの結合モードの周波数が回路構成要素１１２および１１４の一方または両方に関連する周波数の近くにチューニングされる。制御磁束を利用する一例では、値の範囲は磁束量子Φ０の半分またはその近くを中心とし、０．４５Φ０〜０．５５Φ０の範囲であってよい。この結果、制御磁束がこの狭い範囲内にないとき、チューナブルカプラー１２０はロバストなオフ状態を有し、制御信号の広範囲の値にわたって２つの回路構成要素間の実質的な分離を維持することができる。さらに、オフ状態は、製作パラメータの変動に対しても非常にロバストである。
【００１５】
図２は、２つのトランズモンキュービット２０２および２０４と、チューナブルカプラー２１０とを含む超伝導システム２００の一例を示す。チューナブルカプラー２１０は、複数の回路要素２２２〜２２６を含む回路経路２２０と、回路経路２２０から接続される複数のチューナブル共振器２３２〜２３５とを含む。図示の例では、回路要素２２２〜２２６はインダクタであるが、所与の回路要素がインダクタ、コンデンサ、またはジョセフソン接合であってよいことが理解されよう。図示の実装形態では、複数のチューナブル共振器２３２〜２３５が回路経路２２０を接地に接続しているが、チューナブルカプラー２１０は、チューナブル共振器が、例えば第２の複数のインダクタおよび／またはコンデンサを含む第２の回路経路（図示せず）に接続された状態のフローティング実装形態で実装可能であることが理解されよう。図示の実装形態では、複数の共振器２３２〜２３５のそれぞれは、それぞれがジョセフソン接合によって中断されている接地への２つの経路を含む複合ジョセフソン接合として実装される。複数のチューナブル共振器２３２〜２３５は、複合ジョセフソン接合を含む回路ループに制御磁束を提供するために、共通のバイアス線２３８を介してチューニング可能である。
【００１６】
トランズモンキュービット２０２および２０４のそれぞれは、各トランズモンキュービットの２つのエネルギーレベル間の間隔を表す少なくとも１つの特性周波数を有することが理解されよう。一実装形態では、基底状態と第１の励起状態との間の間隔を表す、トランズモンキュービット２０２および２０４のそれぞれの特性周波数は、約１０ＧＨｚであってよいが、間隔は、キュービットの実装形態によって異なってよいことが理解されよう。チューナブルカプラー２１０の１つ以上の結合モードに関連する周波数は、複数の複合ジョセフソン接合２３２〜２３５に提供される制御磁束の関数である。本発明の一態様によれば、複数の複合ジョセフソン接合２３２〜２３５に提供される制御磁束がないとき、チューナブルカプラー２１０の最低周波数結合モードは、トランズモンキュービット２０２および２０４の特性周波数から離れた周波数に留まり、トランズモンキュービットは実質的に分離されたままとなる。カプラーモード周波数の具体的な値は、カプラー構成要素のパラメータ、特に複合ジョセフソン接合２３２〜２３５内のジョセフソン接合の臨界電流によって異なるが、実際には、２つのキュービットの実質的な分離を維持することができる制御磁束の広範囲の値を維持するように選択される。
【００１７】
カプラー２１０は、カプラーがアクティブであり、トランズモンキュービット２０２および２０４が強結合となる制御磁束に対して比較的狭い範囲の値を有する。一般に、カプラー２１０は、提供される制御磁束が約０．５Φ０であるときに最大の結合強度を提供する。チューナブルカプラー２１０の挙動は、繰り返し電流分割器のそれに類似することができる。複合ジョセフソン接合２３２〜２３５に所定範囲外の制御磁束が提供されると、複合ジョセフソンのインダクタンスは、回路経路２２０のインダクタンスに対して低いままである。したがって、複合ジョセフソン接合２３２〜２３５のそれぞれは、接地への代替の低インピーダンス経路を提供し、２つのトランズモンキュービット２０２および２０４間の電流フローを制限する。実際には、この分離は、接続される複合ジョセフソン接合の数が増えるにつれて向上され（つまり、２つのトランズモンキュービット間の残留結合が減少し）、より多くの接地へのこれらの代替経路が提供される。複合ジョセフソン接合２３２〜２３５に「オン」値の比較的狭い範囲内の制御磁束が提供されると、各複合ジョセフソン接合のインダクタンスは増加し、回路経路２２０のインダクタンスに対して高くなる。この結果、２つのトランズモンキュービット２０２および２０４は、回路経路２２０に沿って結合される。
【００１８】
制御磁束によるチューナブルカプラー２１０の結合強度のおおよその分散は、以下のように記述することができる。
【数１】
2021515396.tif 000003
【００１９】
ここで、
【数２】
2021515396.tif 000004
であり、Ｌは、回路経路２２０に沿ったインダクタンス２２２〜２２６のサイズであり、Ｉｃは、制御磁束αの関数である各複合ジョセフソン接合の臨界電流であり、Ｎは、チューナブルカプラー２１０内の複合ジョセフソン接合の数である。
【００２０】
式１からわかるように、複合ジョセフソン接合を通る電流が大きいと、結合は、カプラー内の複合ジョセフソン接合の数Ｎに応じて指数関数的に低下する。複合ジョセフソン接合を流れる電流が小さいと、ｙは１に近づき、結合は、複合ジョセフソン接合の数に応じて多項的に小さくなり、２つのトランズモンキュービット間の意味のある結合を可能にする。
【００２１】
比較的低い臨界電流を有するジョセフソン接合を使用する一実装形態では、カプラー２１０は、６つの複合ジョセフソン接合を含む。この実装形態では、２つのトランズモンキュービット２０２および２０４内の接合の臨界電流は８０ｎＡであり、２つのトランズモンキュービット内のインダクタのインダクタンスは３００ｐＨであり、複数の複合ジョセフソン接合２３２〜２３５内の接合の臨界電流は２０００ｎＡであり、回路経路内のインダクタ２２２〜２２６のインダクタンスは２００ｐＨである。図３は、この実装形態について、横軸３０４に磁束量子の分数で表される印加磁束の関数として、縦軸３０２にギガヘルツで表されるチューナブルカプラーの最低周波数カプラーモードを示すグラフ３００を示す。
【００２２】
プロット線３０６からわかるように、カプラーモード周波数は、広範囲の値について、２つのトランズモンキュービット２０２および２０４の１０ＧＨｚの特性周波数をはるかに上回っている。カプラーモードが４０ＧＨｚの最大値であるとき、２つの構成要素間の結合は、約０．０４ＭＨｚで最小であり、それは１５０ｍΦ０の間、０．１ＭＨｚ未満に留まる。この時点で、カプラー周波数は、制御磁束による周波数の分散の結合への影響が最小であるように、１．１×１０−６ＭＨｚ／ｍΦ０の傾きを示す。制御磁束が０．５Φ０に近づくと、カプラーモードの周波数は、キュービット２０２および２０４の１０ＧＨｚの特性周波数に近づく。約０．４９Φ０の値において、カプラー２１０は、約８．４ＭＨｚ／ｍΦ０の傾きで約１００ＭＨｚの結合を提供する。この実装形態では、１００ＭＨｚをはるかに上回る結合を達成することができるが、実際には、印加磁束は、カプラーモードがキュービットモードから１ＧＨｚ超離れたままであるように、０．４９Φ０未満に維持されてよい。
【００２３】
対照的に、図４に、６つの複合ジョセフソン接合を有するが、比較的高い臨界電流を有するジョセフソン接合を使用する同様のカプラーの一実装形態の挙動をグラフ４００として示す。この実装形態では、２つのトランズモンキュービット２０２および２０４内の接合の臨界電流は８０ｎＡであり、２つのトランズモンキュービット内のインダクタのインダクタンスは３００ｐＨであり、複数の複合ジョセフソン接合２３２〜２３５内の接合の臨界電流は１２０００ｎＡであり、回路経路内のインダクタ２２２〜２２６のインダクタンスは４０ｐＨである。図４では、縦軸４０２にギガヘルツで表されるチューナブルカプラーの最低周波数カプラーモードが、横軸４０４に磁束量子の分数で表される印加磁束の関数としてプロットされている。
【００２４】
プロット線４０６からわかるように、カプラーモード周波数は、図３の低臨界電流の実装形態よりも著しく高くから開始し、著しく高いままである。カプラーモードが８８ＧＨｚの最大値であるとき、２つの構成要素間の結合は、約０．０１ＭＨｚで最小であり、結合は、制御磁束範囲０〜０．１５Φ０にわたって低いままである。カプラーモード周波数の最大値において、ゼロの制御磁束において、カプラー周波数は、制御磁束による周波数の分散の結合への影響が最小であるように、２×１０−７ＭＨｚ／ｍΦ０の傾きを示す。標準のカプラーでは、所与のカプラーの「オフ」磁束は、同じ量子物体を結合する別のカプラーに印加される磁束に依存する可能性がある。この実装形態における無関係の磁束に対する無反応性は、大きな利点を提供する。制御磁束が０．５Φ０に近づくと、カプラーモードの周波数は、キュービット２０２および２０４の１０ＧＨｚの特性周波数に向かって急激に落ち込むが、最小値は２０ＧＨｚほどである。この値では、カプラー２１０は、約１４．８ＭＨｚ／ｍΦ０の傾きで約１００ＭＨｚの結合を提供する。
【００２５】
図４に示すように、カプラー容量の制限が小さいカプラーを設計することの利点は、カプラー周波数がチューニング磁束の全範囲にわたってキュービット周波数をはるかに上回ったままであることができる点である。この制限は、例えば高いプラズマ周波数を有する小面積接合を利用することによって到達することができる。このレジームでは、「オフ」状態のカプラーは、連続する各区間においてキュービット誘導電流の量が約
【数３】
2021515396.tif 000005
だけ減少する繰り返し電流分割器として記述することができ、ここで、ＬＬは、複合ジョセフソン接合２３２〜２３５内のジョセフソン接合のそれぞれにおけるインダクタンスであり、ＬＢは、回路経路２２０内の複数のインダクタ２２２〜２２６のそれぞれのインダクタンスであり、Φは、印加磁束である。したがって、キュービット間の電流−電流結合は、カプラーの長さにおいて指数関数的に抑制される。あるいは、複数の複合ジョセフソン接合２３２〜２３５のそれぞれに印加される磁束が０．５Φ０にチューニングされると、最大の「オン」結合が達成され、最大結合は、キュービット間の最大相互インダクタンスＭｍａｘと、キュービット電流の平方との積にほぼ等しく、Ｍｍａｘは、
【数４】
2021515396.tif 000006
に近似的に等しく、ＬＥは、２つのキュービット２０２および２０４におけるインダクタンスであり、ＮＬは、複合ジョセフソン接合の数である。
【００２６】
図５は、複合ジョセフソン接合を含むジョセフソン接合の臨界電流の変動による図２のチューナブルカプラーのターンオフ挙動の分散を示すグラフ５００である。グラフでは、カプラーの結合強度が縦軸５０２にＭＨｚで対数的に表され、複合ジョセフソン接合に提供される制御磁束が横軸５０４に磁束量子の分数で表される。ジョセフソン接合の製作は常に正確であるとは限らず、所与の接合の臨界電流にはある程度の変動が存在することが理解されよう。これを表すために、グラフ５００は、各接合の臨界電流に１０％の変動が与えられたときの結合の平均値を表す第１の曲線５０６と、各接合の臨界電流に１０％の変動が与えられたときの平均を１標準偏差上回る結合の値を表す第２の曲線５０８と、各接合の臨界電流に１０％の変動が与えられたときの平均を１標準偏差下回る結合の値を表す第３の曲線５１０とを含む。プロットからわかるように、残留結合の程度は、接合の製作によって少し異なるが、結合が最小のままである値の比較的大きな範囲内ではほとんど変化がない。
【００２７】
図６は、複合ジョセフソン接合を含むジョセフソン接合の臨界電流の変動による図２のチューナブルカプラーのターンオン挙動の分散を示すグラフ６００である。グラフでは、カプラーの結合強度が縦軸６０２にＭＨｚで表され、複合ジョセフソン接合に提供される制御磁束が横軸６０４に磁束量子の分数で表される。グラフ６００は、各接合の臨界電流に１０％の変動が与えられたときの結合の平均値を表す第１の曲線６０６と、各接合の臨界電流に１０％の変動が与えられたときの平均を１標準偏差上回る結合の値を表す第２の曲線６０８と、各接合の臨界電流に１０％の変動が与えられたときの平均を１標準偏差下回る結合の値を表す第３の曲線６１０とを含む。プロットからわかるように、ターンオン挙動は、ジョセフソン接合の臨界電流の変動による変動を示すが、これは、オン結合の設定点を変えるにすぎない。
【００２８】
例えば製作変動によるオン結合の設定点のチューニングを可能とするために、図７は、２つのトランズモンキュービット７０２および７０４と、チューナブルカプラー７１０とを含む超伝導システム７００の別の例を示す。チューナブルカプラー７１０は、複数のインダクタ７２２〜７２６を含む回路経路７２０と、回路経路７２０から接地に接続される複数の複合ジョセフソン接合７３２〜７３５とを含む。図示の実装形態において、各複合ジョセフソン接合は、それぞれがジョセフソン接合によって中断されている接地への３つの経路を含む。３つの経路のうちの２つは、複合ジョセフソン接合に制御磁束を提供するために、共通の電流バイアス線７３８に誘導結合されている。バイアス線７３８は、図２について説明したのと同様の方法でカプラーの状態を制御する。
【００２９】
各複合ジョセフソン接合７３２〜７３５の第３の経路は、それぞれの直流（ＤＣ）バイアス線７４２〜７４５の組み合わせを使用してチューニング可能であり、チューナブルカプラーのオン結合の設定点を制限内でチューニングする。これらのバイアス線の個々のアドレス指定可能性は、デバイスの機能に必要ではなく、これらは１つ以上の共通の制御線によって設定されてもよいことが理解されよう。ＤＣバイアスにより、ジョセフソン接合の製作誤差に対して設定値が調整され、制御磁束のわずかな変動にあまり反応しないオン状態が可能になる。これにより、カプラーを制御するための磁束パルスの制約が大幅に緩和され、結合された構成要素のディフェージングが減少される。
【００３０】
図８は、２つの超伝導回路構成要素を結合する方法８００を示す。８０２において、第１および第２の回路経路が２つの超伝導構成要素間に製作される。第１の回路経路は、インダクタ、コンデンサ、およびジョセフソン接合のいずれかを含むことができる複数の回路要素を含む。第２の回路経路は、１つ以上の回路要素を含むことができるか、または、共通接地であってもよい。８０４において、複数のチューナブル発振器が製作され、第１および第２の回路経路間の接続が形成される。例えばチューナブル発振器は、第１の回路経路を第２の回路経路に接続する複数の複合ジョセフソン接合として製作することができる。各チューナブル発振器は、制御信号に応答して、発振器の関連する周波数をチューニングするように設計されている。一実装形態では、複数のチューナブル発振器のそれぞれに誘導結合されるように共通バイアス線を製作することができ、これにより、制御信号を、共通バイアス線を介して提供することができる。
【００３１】
８０６において、制御信号は、所定範囲内の値で提供されて、複数のチューナブル発振器を２つの構成要素が結合される第１の周波数範囲内にチューニングすることができる。一実装形態では、制御信号は、複数のチューナブル発振器のそれぞれに制御磁束として提供される。８０８において、制御信号は、所定範囲外の値で提供されて、複数のチューナブル発振器を２つの構成要素が分離される第２の周波数範囲内にチューニングする。一実装形態では、所定範囲はゼロの値を含まないため、２つの構成要素は、制御信号が存在しないときには分離される。
【００３２】
上記で説明したのは、本発明の例である。もちろん、本発明を説明する目的で構成要素または方法論の考えられるすべての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。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲を含む、本出願の範囲内に入るそのようなすべての変更、修正、および変形を包含することが意図されている。
【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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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年9月10日(2020.9.10)
【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】
超伝導回路内の２つの構成要素をリンクするチューナブルカプラーアセンブリであって、
複数の回路要素であって、それぞれがインダクタ、コンデンサ、およびジョセフソン接合のうちの１つを含み、前記２つの構成要素を接続している経路上で直列に接続されている、複数の回路要素と、
前記２つの構成要素を接続している前記経路に接続されている複数のチューナブル発振器であって、各チューナブル発振器は、制御信号に応答して、前記チューナブル発振器の関連する共振周波数を、前記２つの構成要素が結合される第１の周波数範囲内と、前記２つの構成要素が分離される第２の周波数範囲内とにチューニングする、複数のチューナブル発振器と、を含む、チューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項２】
前記複数のチューナブル発振器のそれぞれは、前記回路経路を接地に接続している、請求項１に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項３】
前記制御信号は、共通のバイアス線上に提供される電流を介して、前記複数のチューナブル発振器のそれぞれに提供される、請求項１に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項４】
前記複数のチューナブルカプラーのそれぞれは、複合ジョセフソン接合として実装されている、請求項１に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項５】
前記複数のチューナブルカプラーのそれぞれは、並列に接続された３つのジョセフソン接合で実装されている、請求項４に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項６】
前記制御信号は、前記３つのジョセフソン接合のうちの第１および第２のジョセフソン接合を含む経路に提供される第１の制御信号であり、第２の制御信号が、前記３つのジョセフソン接合のうちの第３のジョセフソン接合を含む経路に提供される、請求項５に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項７】
前記第１の制御信号は、前記複数のチューナブルカプラーのそれぞれの前記３つのジョセフソン接合のうちの第１および第２のジョセフソン接合を含む前記経路のそれぞれに誘導結合された第１のバイアス線上に電流信号として提供され、前記第２の制御信号は、前記複数のチューナブルカプラーのそれぞれの前記３つのジョセフソン接合のうちの第３のジョセフソン接合を含む各経路に誘導結合された第２のバイアス線上に電流信号として提供される、請求項６に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項８】
前記制御信号は、印加磁束を生成する電流であり、前記カプラーは、磁束量子の約半分の前記印加磁束の大きさのときに最大結合を提供し、前記印加磁束の前記大きさが、前記磁束量子の０．４５未満のうちの１つであるときに、前記最大結合よりも実質的に小さい結合を提供するように構成される、請求項１に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項９】
前記複数の回路要素のそれぞれは、１０〜５００ピコヘンリーのインダクタンスを有するインダクタである、請求項１に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項１０】
前記複数のチューナブル発振器のそれぞれは、前記制御信号に応答して、５ギガヘルツ〜４０ギガヘルツの周波数をとる、請求項１に記載のチューナブルカプラーアセンブリ。
【請求項１１】
超伝導回路内の２つの構成要素間にチューナブル結合を提供する方法であって、
前記２つの構成要素間に第１の回路経路を製作することであって、前記第１の回路経路は複数の回路要素を含み、前記複数の回路要素のそれぞれはインダクタ、コンデンサ、およびジョセフソン接合のうちの１つを含む、製作することと、
複数のチューナブル発振器を製作することであって、それぞれが制御信号に応答して前記発振器の関連する周波数をチューニングし、前記第１の回路経路に沿った点から接続される、製作することと、を含む、方法。
【請求項１２】
前記第２の回路経路は、共通接地である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記制御信号が共通バイアス線を介して提供され得るように、複数のチューナブル発振器のそれぞれに誘導結合された前記共通バイアス線を製作することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数のチューナブル発振器を、前記２つの構成要素が結合される第１の周波数範囲内にチューニングするために、前記制御信号を所定範囲内の値で提供することと、
前記複数のチューナブル発振器を、前記２つの構成要素が分離される第２の周波数範囲内にチューニングするために、前記制御信号を前記所定範囲外の値で提供することと、をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記所定範囲は、制御信号が存在しないときには前記２つの構成要素が分離されるように、ゼロの値を含まない、請求項１４に記載の方法。
【国際調査報告】
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