(57)【要約】量子オブジェクト接続のリアルタイム再構成性は、単極双投スイッチおよびクロスポイントスイッチのいずれかまたは両方として各々構成され得る１つまたは複数の量子ルータを用いて提供することができる。量子ルータは、２つの制御磁束ラインに変圧器結合されたインダクタを有するＲＦ−ＳＱＵＩＤ内の可変インダクタンス結合要素を含み、２つの制御磁束ラインの一方は静的電流を提供し、他方は動的電流を提供し、その方向を切り替えて、動的電流の方向に基づいて、キュービットのような量子オブジェクトを結合または結合解除し、再構成可能な量子ルーティングを提供することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ルータの第１のポート、第２のポート、および第３のポートにそれぞれ接続された第１の量子オブジェクト、第２の量子オブジェクト、および第３の量子オブジェクトを備える再構成可能な量子ルータシステムであって、
前記量子ルータは、各々それぞれのＲＦ−ＳＱＵＩＤにある少なくとも２つの可変インダクタンス結合要素を含み、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも２つは、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも２つの前記それぞれのＲＦ−ＳＱＵＩＤが共通に共有インダクタを共有するように、少なくとも１つの共有インダクタに接続されており、
前記量子ルータは、第１の制御磁束ラインおよび第２の制御磁束ラインを含み、前記第１の制御磁束ラインは、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも２つに静的電流を誘導的に供給するように構成され、前記第２の制御磁束ラインは、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも２つに動的電流を供給するように構成されており、
前記量子ルータは、第１の共振器、第２の共振器、および第３の共振器を含み、前記第１の量子オブジェクト、前記第２の量子オブジェクト、および前記第３の量子オブジェクトは、それぞれ、前記第１の共振器、前記第２の共振器、および前記第３の共振器により、前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤのうちの少なくともそれぞれの１つに各々接続されて、各量子オブジェクトが、チップ上の前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤから任意に離れて配置され、
前記動的電流の方向の作動は、少なくとも前記第１の量子オブジェクトを、前記動的電流の方向に基づいて、前記第２の量子オブジェクトまたは前記第３の量子オブジェクトのうちの１つのみに結合して、再構成可能な量子ルーティングを提供する、システム。
【請求項２】
前記第１の量子オブジェクトは、前記第１の共振器、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第１の可変インダクタンス結合要素、および前記第２の共振器を介して前記第２の量子オブジェクトに結合されており、
前記第１の量子オブジェクトは、前記第１の共振器、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第２の可変インダクタンス結合要素、および前記第３の共振器を介して前記第３の量子オブジェクトに結合されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記量子ルータは、単極双投（ＳＰＤＴ）の再構成可能なバスカプラであり、前記システムは、反対のインダクタンス状態間で前記可変インダクタンス結合要素を変化させることにより、１対２マルチプレクサの第１のスイッチ状態および第２のスイッチ状態の間で前記量子ルータの設定を制御して、
前記第１のスイッチ状態において、前記第１のポートと前記第２のポートとの間の信号の選択的なルーティング、および
前記第２のスイッチ状態において、前記第１のポートと前記第３のポートとの間の信号の選択的なルーティング
を可能にするように構成されたスイッチコントローラをさらに備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記スイッチコントローラは、第２の電流磁束制御ラインを通る電流の極性を制御して、前記第１のスイッチ状態と前記第２のスイッチ状態との間で前記再構成可能な量子ルータシステムを交互に動作させる、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
第１の可変インダクタンス結合要素、第２の可変インダクタンス結合要素、および第３の可変インダクタンス結合要素は、各々、単一のジョセフソン接合よりもＮ倍大きい臨界電流を各々有するＮ個のジョセフソン接合の直列アレイである、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
第４の量子オブジェクトは、第４の共振器、第３の可変インダクタンス結合要素、および前記第３の共振器を介して前記第３の量子オブジェクトに結合されており、
前記第４の量子オブジェクトは、前記第４の共振器、第４の可変インダクタンス要素、および前記第２の共振器を介して前記第２の量子オブジェクトに結合されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項７】
前記量子ルータは、クロスポイントの再構成可能なバスカプラであり、前記システムは、反対のインダクタンス状態間で前記可変インダクタンス結合要素を変化させることにより、クロスポイントスイッチのバー状態とクロス状態との間で前記量子ルータの設定を制御して、
前記バー状態において、前記第１のポートと前記第２のポートとの間、および前記第３のポートと第４のポートとの間の信号の選択的なルーティング、および
前記クロス状態において、前記第１のポートと前記第３のポートとの間、および前記第２のポートと前記第４のポートとの間の信号の選択的なルーティング
を可能にするように構成されたスイッチコントローラをさらに備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記スイッチコントローラは、第２の電流磁束制御ラインを通る電流の極性を制御して、前記バー状態と前記クロス状態との間で前記システムを交互に動作させる、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記可変インダクタンス結合要素のうちの第１の可変インダクタンス結合要素は、第１のジョセフソン接合であり、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第２の可変インダクタンス結合要素は、第２のジョセフソン接合であり、第３の可変インダクタンス結合要素は、第３のジョセフソン接合であり、第４の可変インダクタンス結合要素は、第４のジョセフソン接合である、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
再構成可能な量子ルーティングの方法であって、
ＲＦ−ＳＱＵＩＤのそれぞれの可変インダクタンス結合要素間で分割される電流を誘導するために少なくとも１つの共通インダクタを介して２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤに誘導結合された第１の磁束ライン、または他のインダクタを介して前記２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤまたは別の２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤに誘導結合された第２の磁束ラインのうちの一方に静的制御信号を提供すること、
前記第１の磁束ラインまたは前記第２の磁束ラインのうちの他方に動的制御信号を提供して、誘導された共通磁束電流と誘導された動的磁束電流との差が、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも１つを、高インダクタンス状態または低インダクタンス状態のうちの一方に置き、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも他方を前記高インダクタンス状態または前記低インダクタンス状態のうちの他方に置くようにすること、
少なくとも第１の量子オブジェクトを、前記動的制御信号の方向に基づいて、第２の量子オブジェクトまたは第３の量子オブジェクトのうちの１つだけに結合するように前記動的制御信号の方向を作動させること
を含む方法。
【請求項１１】
量子オブジェクトは、単極双投（ＳＰＤＴ）の再構成可能なバスカプラを使用して、それぞれ結合または結合解除される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
第１のスイッチ状態において、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第１の可変インダクタンス結合要素は、低インダクタンスに設定され、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第２の可変インダクタンス結合要素は、高インダクタンスに設定されて、前記第１の量子オブジェクトを第２の量子オブジェクトに結合し、第２のスイッチ状態において、前記可変インダクタンス結合要素の前記第１の可変インダクタンス結合要素は、高インダクタンスに設定され、前記可変インダクタンス結合要素の前記第２の可変インダクタンス結合要素は、低インダクタンスに設定されて、前記第１の量子オブジェクトを第３の量子オブジェクトに結合する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記動的制御信号の方向の作動は、第４の量子オブジェクトを、前記動的制御信号の方向に基づいて、前記第２の量子オブジェクトまたは前記第３の量子オブジェクトのうちの他方にさらに結合し、量子オブジェクトは、クロスポイントの再構成可能なバスカプラを使用して、それぞれ結合または結合解除される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
バー状態において、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第１の可変インダクタンス結合要素および前記可変インダクタンス結合要素のうちの第３の可変インダクタンス結合要素は、低インダクタンスに設定され、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第２の可変インダクタンス結合要素および前記可変インダクタンス結合要素のうちの第４の可変インダクタンス結合要素は、高インダクタンスに設定されて、前記第１の量子オブジェクトを前記第２の量子オブジェクトに結合し、かつ前記第３の量子オブジェクトを前記第４の量子オブジェクトに結合し、
クロス状態において、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第１の可変インダクタンス結合要素および前記可変インダクタンス結合要素のうちの第３の可変インダクタンス結合要素は、高インダクタンスに設定され、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第２の可変インダクタンス結合要素および前記可変インダクタンス結合要素のうちの第４の可変インダクタンス結合要素は、低インダクタンスに設定されて、前記第１の量子オブジェクトを前記第３の量子オブジェクトに結合し、かつ前記第２の量子オブジェクトを前記第４の量子オブジェクトに結合する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
結合された量子オブジェクトは、４分の１波長短絡伝送線路共振器によって前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤのそれぞれの１つに各々接続され、前記量子オブジェクトは、チップ上で互いに任意に離れている、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
再構成可能な量子ルータであって、
それぞれの第１のキュービット、第２のキュービット、および第３のキュービットに各々結合可能な第１のポート、第２のポート、および第３のポートと、
それぞれ前記第１のポート、第２のポート、および第３のポートとＲＦ−ＳＱＵＩＤブリッジとの間に各々接続された第１の共振器、第２の共振器、および第３の共振器と
を備え、前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤブリッジは、
前記第１の共振器と前記第２の共振器との間に接続された第１のジョセフソン接合と、
前記第１の共振器と前記第３の共振器との間に接続された第２のジョセフソン接合と
を含み、
前記再構成可能な量子ルータは、ポートに接続されたキュービットを選択的に結合または結合解除するために、前記第１のジョセフソン接合および前記第２のジョセフソン接合のそれぞれのインダクタンスを、高インダクタンス状態と低インダクタンス状態との間で切り替えるように配置された第１の磁束ラインおよび第２の磁束ラインを備える、再構成可能な量子ルータ。
【請求項１７】
共振器は、４分の１波長短絡伝送線路共振器である、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
それぞれの第４のキュービットに結合可能な第４のポートと、
前記第４のポートと前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤブリッジとの間に接続された第４の共振器と
をさらに備え、前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤブリッジは、
前記第４の共振器と前記第３の共振器との間に接続された第３のジョセフソン接合と、
前記第２の共振器と前記第４の共振器との間に接続された第４のジョセフソン接合と
をさらに含み、
前記第１の磁束ラインおよび第２の磁束ラインは、前記第１のジョセフソン接合、前記第２のジョセフソン接合、前記第３のジョセフソン接合、および前記第４のジョセフソン接合のそれぞれのインダクタンスを、高インダクタンス状態と低インダクタンス状態との間で、ペアワイズ方式で切り替えるように配置されており、前記第１のジョセフソン接合および前記第３のジョセフソン接合は互いに同じ状態であり、前記第２のジョセフソン接合および前記第４のジョセフソン接合は互いに同じ状態であり、かつ前記第１のジョセフソン接合および前記第３のジョセフソン接合とは反対の状態であり、前記ポートに接続されたキュービットを選択的に結合または結合解除する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
磁束ラインのうちの１つを通る電流の方向を制御して、ジョセフソン接合のインダクタンス状態を調整し、それによってキュービット結合状態を切り替えるように構成されたスイッチコントローラをさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
前記第１の共振器、第２の共振器、および第３の共振器のそれぞれと、前記第１のポート、前記第２のポート、および前記第３のポートのそれぞれとの間にそれぞれ配置された少なくとも第１のカップリングキャパシタ、第２のカップリングキャパシタ、および第３のカップリングキャパシタをさらに備える、請求項１６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して量子および古典的デジタル超伝導回路に関し、特に再構成可能な量子ルーティングに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子計算およびシミュレーションの基本的な課題は、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して、さまざまな演算を行うことである。超伝導キュービットは、巨視的な回路を利用して量子情報を処理するものであり、この目的の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た。超伝導キュービットは、そのコヒーレンス時間内に何百もの演算を実行できるようになり、エラー訂正などの複雑なアルゴリズムの研究が可能になった。多くのアプリケーションでは、これらの高コヒーレンスキュービットを、調整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、それがコヒーレントなローカル演算および動的に変化するキュービット相互作用の両方を可能にするためである。量子計算の場合、これは単一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。
【発明の概要】
【０００３】
一例は、再構成可能な量子ルータシステムを含む。システムは、量子ルータの第１のポート、第２のポート、および第３のポートにそれぞれ接続された第１の量子オブジェクト、第２の量子オブジェクト、および第３の量子オブジェクトを含む。量子ルータは、各々ＲＦ−ＳＱＵＩＤにある２つの可変インダクタンス結合要素を含み、それらのそれぞれのＲＦ−ＳＱＵＩＤが共通にインダクタを共有するように、可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも２つが少なくとも１つの共有インダクタに接続されている。量子ルータは、第１の制御磁束ラインおよび第２の制御磁束ラインをさらに含み、磁束制御ラインのうちの一方は、可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも２つに静的電流を誘導的に提供するように構成され、制御磁束ラインのうちの他方は、可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも２つに動的電流を提供するように構成されている。量子ルータは、第１の共振器、第２の共振器、および第３の共振器をさらに含み、これにより、第１の量子オブジェクト、第２の量子オブジェクト、および第３の量子オブジェクトは、それぞれ、各々ＲＦ−ＳＱＵＩＤのうちの少なくとも１つに接続され、その結果、各量子オブジェクトは、チップ上のＲＦ−ＳＱＵＩＤから任意に離れて配置され得る。動的電流の方向の作動は、少なくとも第１の量子オブジェクトを、動的電流の方向に基づいて、第１の量子オブジェクトまたは第２の量子オブジェクトのうちの１つのみに結合して、再構成可能な量子ルーティングを提供する。
【０００４】
別の例は、再構成可能な量子ルーティングの方法を含む。静的制御信号は、ＲＦ−ＳＱＵＩＤのそれぞれの可変インダクタンス結合要素間で分割される電流を誘導するために少なくとも１つの共通インダクタを介して２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤに誘導結合された第１の磁束ライン、またはそれらの各々の他のインダクタを介して少なくとも２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤに誘導結合された第２の磁束ラインのうちの一方に提供される。動的制御信号は、第１の磁束ラインまたは第２の磁束ラインのうちの他方に提供され、その結果、誘導された共通磁束電流と誘導された動的磁束電流との差が、可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも１つを、高インダクタンス状態または低インダクタンス状態のうちの一方に置き、可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも他方を高インダクタンス状態または低インダクタンス状態のうちの他方に置く。動的制御信号の方向は、少なくとも第１の量子オブジェクト（例えば、キュービット）を、動的制御信号の方向に基づいて、少なくとも２つの他の量子オブジェクトのうちの１つだけに結合するように作動させられる。
【０００５】
さらに別の例は、再構成可能な量子ルータを含む。量子ルータは、それぞれのキュービットに各々結合可能な第１のポート、第２のポート、および第３のポートと、それぞれ第１のポート、第２のポート、および第３のポートとＲＦ−ＳＱＵＩＤブリッジとの間に各々接続された第１の共振器、第２の共振器、および第３の共振器とを含む。ＲＦ−ＳＱＵＩＤブリッジは、第１の共振器と第２の共振器との間に接続された第１のジョセフソン接合と、第１の共振器と第３の共振器との間に接続された第２のジョセフソン接合とを含む。第１の磁束ラインおよび第２の磁束ラインは、ポートに接続されたキュービットを選択的に結合または結合解除するために、ジョセフソン接合のインダクタンスを高インダクタンス状態と低インダクタンス状態との間で切り替えるように配置されている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】例示的な再構成可能な量子ルータシステムのブロック図である。
【図１Ｂ】第１の例示的な再構成可能な量子ルータの２つの代替ルーティング状態の両方を示す図である。
【図１Ｃ】第２の例示的な再構成可能な量子ルータの２つの代替ルーティング状態のうちの第１の状態（「バー」状態）を示す図である。
【図１Ｄ】第２の例示的な再構成可能な量子ルータの２つの代替ルーティング状態のうちの第２の状態（「クロス」状態）を示す図である。
【図２】例示的な再構成可能な量子ルータの回路図である。
【図３】周波数分割された偶数および奇数モードを生成する混成共振器を示す図である。
【図４】２つの論理キュービット間のパリティチェック演算のための論理レベルの量子回路の図である。
【図５】図４の演算のための量子回路セグメントの図である。
【図６】例示的な再構成可能な量子ルータの回路図である。
【図７】Ｔｏｆｆｏｌｉ蒸留のための注釈付き論理レベル量子回路図である。
【図８Ａ】再構成可能な量子ルーティングの例示的な方法を示すフローチャートである。
【図８Ｂ】再構成可能な量子ルーティングの例示的な方法を示すフローチャートである。
【図８Ｃ】再構成可能な量子ルーティングの例示的な方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
物理的な量子プロセッサ上で量子アルゴリズムを実行すると、チップ上に離れて配置され得る異なる回路ブロックが別の回路ブロックと順次相互作用する必要がある場合に課題を提示し得る。この状況は、例えば、論理レベルでパリティチェック演算を実行する場合、または物理レベルおよび論理レベルの両方で状態蒸留ルーチンを実行する場合に発生する可能性がある。量子情報のルーティングの１つの課題は、量子オブジェクトの「信号パス」（すなわち、接続性）が、リアルタイムで再構成可能でなくてはならないことである。
【０００８】
半波バス共振器の中心点に埋め込まれた調整可能な結合要素として無線周波数超伝導量子干渉デバイス（ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ｄｅｖｉｃｅ：ＲＦ−ＳＱＵＩＤ）を使用する２ポートの調整可能なバス媒介結合は、米国特許出願公開第２０１７／０２１２８６０号明細書に記載されており、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。バスのポート１に接続されたキュービットとバスのポート２に接続されたキュービットとの間の有効な結合は、反対の符号および可変強度を有する２つの寄与（バスの偶数モードおよび奇数モード）間のバランスとして観察可能である。この結合は、量子オブジェクト間の量子情報のルーティング、または３つ以上の量子オブジェクトを接続して情報を交換することを許可しない。したがって、このような結合があっても、キュービット間の接続はチップの設計で固定され、結合の強度は現場で調整可能であり得るが、回路のトポロジを変更することはできない。本明細書で説明するように、求められている量子オブジェクト接続のリアルタイムの再構成性は、単極双投スイッチおよびクロスポイントスイッチのいずれかまたは両方を用いて提供することができる。
【０００９】
したがって、本開示は、概して、例えば、キュービットまたは他の量子オブジェクト間の再構成可能な接続を提供するために、超伝導回路における再構成可能な量子ルーティングに関する。本開示は、特に、量子回路の接続構成のための単極双投スイッチおよびクロスポイントスイッチの両方を提供する。さまざまな例において、１つまたは複数の可変インダクタンス結合要素は、別個の遠隔の超伝導システムに存在し得るキュービットまたは他の量子オブジェクトの間に配置される。可変インダクタンス結合要素は、各々、中間結合強度のさまざまな状態に加えて、量子オブジェクト間の強結合状態と、結合解除（または分離）状態との間で調整され得る。このようにして、結合解除状態の孤立したキュービットの状態情報に対して操作を実行することができ、一方、この状態情報は、例えば、強結合状態の間にキュービット間で交換することができる。さらに、状態情報は、キュービット間の中間結合強度状態にある元のキュービットの状態情報を破壊することなく、操作され、キュービット間で受け渡されることができる。いくつかの例では、可変インダクタンス結合要素は、ジョセフソン接合であってよい。各可変インダクタンス結合要素は、単一のジョセフソン接合または元の（単一の）ジョセフソン接合よりもＮ倍大きい臨界電流を各々有するＮ個のジョセフソン接合の直列アレイとして配置され得る。
【００１０】
いくつかの例示的な再構成可能な量子ルータは、分割半波共振器バスのダブテールノード（ｄｏｖｅｔａｉｌ  ｎｏｄｅ）に埋め込まれた１つまたは複数のジョセフソン接合を含み得る。ＲＦ−ＳＱＵＩＤは、結合されたキュービットまたは結合のための他の量子オブジェクト間のバスを介した分散相互作用を促進する。直接誘導結合とは対照的に、バスを介した結合の利点は、量子オブジェクトを互いに物理的に離れた場所に、例えば量子プロセッサチップ上の別々の回路ブロックに配置できることである。再構成可能な量子ルータの利点は、所望の結合または相互作用の強さで、所望のように量子オブジェクト間で信号をルーティングすることを可能にすることである。したがって、例えば、相互作用の強さは、製造プロセスの変動を補償するために現場で較正およびトリミングすることができ、計算プロトコルの一部としてリアルタイムで制御することができる。
【００１１】
図１Ａは、再構成可能な量子ルーティングを備えた例示的な超伝導システム１００を示している。超伝導システム１００は、３つまたは４つの量子オブジェクト（例えば、キュービット）１１４、１１６、１１８、１２０を含む。図に示すように、１対の量子オブジェクトが、ルータ１０２の各側に接続されているが、ルータ１０２の一方の側は、１つの量子オブジェクトにのみ接続されていてもよい。各量子オブジェクトは、例えば、異なるゲート演算、エラー訂正演算、メモリ演算、または他のさまざまな超伝導演算のうちの任意のものなどの異なる論理演算を実行できる論理ブロックに属するキュービットシステムの一部であってよい。量子オブジェクト１１４、１１６、１１８、１２０間の接続は、バス媒介であってよく、量子オブジェクト１１４、１１６、１１８、１２０が、例えば、それらが製造されるチップの任意に離れた部分に存在することを可能にする。したがって、ルータ１０２は、再構成可能なＲＦ−ＳＱＵＩＤブリッジ１０４（例えば、２つまたは４つのＲＦ−ＳＱＵＩＤからなる）を介して、および共振器（例えば、伝送線路）１０６、１０８、１１０、１１２をさらに介して、量子オブジェクトを結合または結合解除する。これにより、ルータは、図１Ｂに示すように、１つの量子オブジェクト（例えば、１１４）を２つの他の量子オブジェクト（例えば、１１８または１２０のいずれか）の１つに結合することができ、または、図１Ｃおよび図１Ｄにそれぞれ示すように、２つの量子オブジェクト（例えば、１１４、１１６）をバーまたはクロス方式で２つの他の量子オブジェクト（例えば、１１８、１２０）に結合することができる（図１Ｂでは、ルータ１０２の２つの破線は代替結合を示しているが、図１Ｃの破線は、図１Ｄの場合と同様に同時結合を示している）。
【００１２】
したがって、量子ルータ１０２は、例えば、３つの共振器（例えば、１０６、１１０、１１２）および２つのジョセフソン接合カプラ１０４からなる複合バス、または４つの共振器（１０６、１０８、１１０、１１２）および４つのジョセフソン接合カプラ１０４からなる複合バスを構成することができ、いずれの場合も、ルータ１０２のスイッチング機能をアクティブにするためのバイアス要素１２２（例えば、静的磁束バイアスおよび制御磁束）を有する。システム１００は、量子オブジェクト間の結合および結合解除を提供するために、さまざまな超伝導回路システムのうちの任意のものに実装することができる。結合されたオブジェクト間の信号は、例えば、キュービット上でゲートまたは読み出し演算を実行するなどの量子回路の制御スキームで実装されるマイクロ波信号、または本明細書で説明されるようなさまざまなアルゴリズムのうちの１つを実行するために実装されるマイクロ波信号であり得る。別の例として、信号は、信号パルス、通信信号、または制御コマンド信号であってもよい。システム１００は、極低温で動作することができ、実質的に電力を放散しないことが可能であり、単一磁束量子（ｓｉｎｇｌｅ  ｆｌｕｘ  ｑｕａｎｔｕｍ：ＳＦＱ）互換信号で制御することができる。
【００１３】
システム１００は、スイッチコントローラ１２４およびバイアス要素１２２を含むことができる。ＲＦ−ＳＱＵＩＤブリッジ１０４は、バイアス要素１２２およびスイッチコントローラ１２４を介して磁束によって制御される可変インダクタンス結合要素を使用して、選択されたモード（すなわち、ルータ１０２の構成に応じて、図１Ｂに示されるモードのいずれかの間で、または図１Ｃおよび図１Ｄに別々に示されるモード間で）に基づいて、接続された量子オブジェクトを結合および結合解除することができる。可変インダクタンス結合要素は、各々、例えば、１つまたは複数のジョセフソン接合を含むことができる。１つまたは複数のジョセフソン接合は、それぞれのＲＦ−ＳＱＵＩＤに電流が誘導されない、または低い電流が誘導される場合に第１のインダクタンスを有し、それぞれのＲＦ−ＳＱＵＩＤに、例えば、約０．１Φ０より大きく約０．４５Φ０未満である磁束を生成または誘導する所定の閾値の電流またはより高い電流が誘導される場合に第２のインダクタンスを有し、Φ０は磁束量子に等しい。第１のそのようなインダクタンス（例えば、
【数１】
2021521550.tif 000003
プランク定数を２πで割ったもの、ｅは電子電荷、ＩＣはジョセフソン接合の臨界電流）は、量子オブジェクト間の結合を提供でき、第２のそのようなインダクタンス（例えば、大きなインダクタンス値）は、量子オブジェクト間の結合解除を提供することができる。
【００１４】
図２は、例えば、１対２マルチプレクサとして機能することができる、単極双投（ｓｉｎｇｌｅ−ｐｏｌｅ  ｄｏｕｂｌｅ−ｔｈｒｏｗ：ＳＰＤＴ）再構成可能バスカプラとして配置された例示的な再構成可能な量子ルータ２００を示す。共振器ＴＬ１、ＴＬ２、およびＴＬ３は、それぞれポート１〜３で接続され得る量子オブジェクト（例えば、キュービット）にそれぞれのキャパシタＣ１、Ｃ２、およびＣ３を介して結合可能である。各共振器は、図２に示されるように容量的に、または誘導的に、または参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，５０１，７４８号明細書に記載されているように、両方の組み合わせで、複数のキュービットへの結合をサポートすることができる。共振器ＴＬ１、ＴＬ２、およびＴＬ３の各々は、例えば、共振器ＴＬ１およびＴＬ２が両方ともＲＦ−ＳＱＵＩＤカプラを介して共振器ＴＬ３に接続されるように構成された４分の１波長短絡伝送線路共振器であってよい。図示の例では、第１のＲＦ−ＳＱＵＩＤは、第１の超伝導ループを形成するためにインダクタＬ１およびＬ３に接続されたジョセフソン接合Ｊ１で構成され、第２のＲＦ−ＳＱＵＩＤは、第２の超伝導ループを形成するためにインダクタＬ２およびＬ３に接続されたジョセフソン接合Ｊ２で構成され、両方のループが共通のインダクタＬ３を共有している。ジョセフソン接合Ｊ１およびＪ２の各々のジョセフソンインダクタンスは、それぞれのループの合計線形インダクタンスよりも大きい（すなわち、ＬＪ１＞Ｌ１＋Ｌ３およびＬＪ２＞Ｌ２＋Ｌ３）。
【００１５】
回路２００では、ジョセフソン接合Ｊ１およびＪ２は、各それぞれのＲＦ−ＳＱＵＩＤループに囲まれた磁束によって決定されるように、可変インダクタンス要素として機能する。ＲＦ−ＳＱＵＩＤが実質的にゼロである磁束ΦＯＮを囲む場合、ＲＦ−ＳＱＵＩＤの接合のインダクタンスは、
【数２】
2021521550.tif 000004
プランク定数を２πで割ったもの、ｅは電子電荷、ＩCは接合臨界電流である。ＲＦ−ＳＱＵＩＤが±Φ０／２のかなりの部分、例えば、約０．１Φ０より大きく約０．４５Φ０より小さい磁束±ΦＯＦＦを囲む場合、接合のインダクタンスは発散する。したがって、Ｊ１、Ｌ１、およびＬ３によって形成されるＲＦ−ＳＱＵＩＤが磁束ΦＯＦＦを囲む場合、共振器ＴＬ１とＴＬ３との間の結合は、本質的にゼロであり、それぞれの共振器に接続されたキュービットは相互作用しない（例えば、情報を交換しない）。しかしながら、同じＲＦ−ＳＱＵＩＤが磁束ΦＯＮを囲む場合、共振器ＴＬ１およびＴＬ３は、結合強度ｇｃで結合され、図３の３００に示されるように、２つの振動モードをサポートするように混成する。それぞれの共振器に接続されているキュービットは、非ゼロ有効結合、図３のｇｅｆｆを経験する。同様に、共振器ＴＬ２とＴＬ３との間の結合は、接合Ｊ２とインダクタＬ２およびＬ３とによって形成されたＲＦ−ＳＱＵＩＤによって囲まれた磁束ΦＯＮまたはΦＯＦＦに基づいてオンまたはオフにされ、同様に、それぞれの共振器に接続しているキュービット間の有効結合が、オンまたはオフにされ得る。
【００１６】
２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤに印加される磁束は、図２において、（ノードＤＦ＋とＤＦ−との間の）差動磁束ライン（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｆｌｕｘ  ｌｉｎｅ）２０２および（ノードＣＦ＋とＣＦ−との間の）共通磁束ライン２０４によって示される２つの磁束バイアスラインを介して制御することができる。差動磁束制御ライン２０２を流れる電流は、それぞれの相互インダクタンスＭ１およびＭ２を介してインダクタＬ１およびＬ２に電流を誘導する。共通磁束制御ライン２０４を流れる電流は、相互インダクタンスＭ３を介してインダクタＬ３に電流を誘導する。インダクタＬ３に誘導された電流は、インダクタＬ１およびＬ２を流れるように分割され、一方のインダクタでは、電流は、差動磁束制御ラインによって誘導された電流に加算され、他方のインダクタでは減算される。言い換えると、２つの制御電流を組み合わせて、２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤに任意の磁束構成を生成することができる。特に、共通磁束は静的で（ΦＯＦＦ＋ΦＯＮ）／２に設定でき、差動磁束は（ΦＯＦＦ−ΦＯＮ）／２と−（ΦＯＦＦ−ΦＯＮ）／２との間で切り替えることができるため、第１の構成では、第１のＲＦ−ＳＱＵＩＤは全磁束ΦＯＮを囲み、第２のＲＦ−ＳＱＵＩＤは磁束ΦＯＦＦを囲むが、第２の構成では、第１のＲＦ−ＳＱＵＩＤは磁束ΦＯＦＦを囲み、第２のＲＦ−ＳＱＵＩＤは磁束ΦＯＮを囲む。したがって、第１の構成では、ＴＬ３に接続されたキュービットは、ＴＬ１に接続されたキュービットへの有効な結合を有する（ただし、ＴＬ２に接続されたキュービットには結合しない）が、第２の構成では、ＴＬ３に接続されたキュービットは、ＴＬ２に接続されたキュービットへの有効な結合を有する（ただし、ＴＬ１に接続されたキュービットには結合しない）。共通磁束ライン２０４と差動磁束ライン２０２との機能を交換することができ、差動ライン２０２は静的に保持され、共通ライン２０４は切り替えられて、同様に機能する回路をもたらすことが可能である。いずれの場合も、ポート間で正味の電力が送達されないため、回路２００の機能は、ポート間の電力送達なしに回路２００が量子オブジェクト間の効果的な分散バス媒介結合を制御することができるという点で、マイクロ波電力の送達を制御するためのＳＰＤＴマイクロ波スイッチの作動とは異なる。
【００１７】
したがって、回路２００の例示的な機能では、インダクタＬ３によって共通に結合された２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤは、ライン２０４を介して共通磁束を提供され、磁束は、インダクタＬ３から出る誘導電流をもたらし、誘導電流は、ジョセフソン接合Ｊ１およびＪ２の間で反対方向に分配される。したがって、そのような電流は、インダクタＬ１およびＬ２の各々を通って、同じ方向に流れる差動磁束ライン２０２によって誘導される電流に寄与的に加算されるか、または減算される。したがって、ジョセフソン接合Ｊ１、Ｊ２のうちの一方は高インダクタンス状態にあり、他方は低インダクタンス状態にあり、それぞれのジョセフソン接合のインダクタンス状態は、この例において、差動磁束ライン２０２を流れる電流の方向に完全に基づいている。ライン２０４を通る共通磁束電流は定常状態を保ち、一方、ライン２０２を通る差動磁束電流は、ポート３上の（例えば）キュービットと、ポート１またはポート２の一方の上の（例えば）キュービットの１つ間の結合を変更するためのスイッチ２０２の意図された構成に応じて、２つの方向の各々で作動させられる。しかしながら、既に述べたように、ライン２０２およびライン２０４の役割は交換可能である。
【００１８】
図４および図５は、共に、回路２００を使用して再構成可能な量子ルーティングを提供することができる論理レベルの量子回路の例を示している。図５の量子回路セグメント５００は、論理アンシラ５０６を使用して、２つの論理キュービット５０２、５０４の間でパリティチェック演算を実行する。論理キュービット５０２、５０４の各々は、エラー訂正された物理キュービットの集合から構成され得、したがって、量子プロセッサチップ上の別個の物理回路ブロックに配置され得る。図５の回路部分５０８によって表されるデュアルＲＦ−ＳＱＵＩＤ構造を有する回路２００は、回路ブロック間の遠隔接続（すなわち、ｍｍスケールの距離にわたって）を可能にする。図４の回路４００は、接続のシーケンスを示している。第１の論理ＣＮＯＴゲート４０２は、物理キュービットがＴＬ３に接続されているアンシラ５０６が、ＲＦ−ＳＱＵＩＤ５０８を介して、物理キュービットがＴＬ２に接続されている第２の論理データキュービット５０４に結合されるように構成されている制御磁束に対応する。第１のＣＮＯＴゲート４０２の機能が実行された後、物理キュービットがＴＬ１に接続されている第１の論理データキュービット５０２がアンシラ５０６に結合され、それによって第２の論理ＣＮＯＴゲート４０４の機能が実行されるように、制御磁束を切り替えることができる。
【００１９】
図６は、クロスポイント再構成可能バスカプラとして配置された別の例示的な再構成可能な量子ルータ６００を示している。図２の再構成可能な量子ルータ２００と同様に、回路６００も、ＲＦ−ＳＱＵＩＤを使用して共振器、この場合、共振器ＴＬ１、ＴＬ２、ＴＬ３、ＴＬ４を結合し、これは、例えば、短い終端４分の１波長共振器であり得る。図示の例では、第１のＲＦ−ＳＱＵＩＤは、第１の超伝導ループを形成するためにインダクタＬ１およびＬ３に接続されたジョセフソン接合Ｊ１で構成され、第２のＲＦ−ＳＱＵＩＤは、第２の超伝導ループを形成するためにインダクタＬ２およびＬ４に接続されたジョセフソン接合Ｊ２で構成され、第３のＲＦ−ＳＱＵＩＤは、第３の超伝導ループを形成するためにインダクタＬ１およびＬ４に接続されたジョセフソン接合Ｊ３で構成され、第４のＲＦ−ＳＱＵＩＤは、第４の超伝導ループを形成するためにインダクタＬ２およびＬ３に接続されたジョセフソン接合Ｊ４で構成され、第１および第３のループが共通のインダクタＬ１を共有しており、第２および第４のループが共通のインダクタＬ２を共有しており、第１および第４のループが共通のインダクタＬ３を共有しており、第２および第３のループが共通のインダクタＬ４を共有している。回路６００は、２つの磁束ライン、磁束１  ６０２および磁束２  ６０４によっても制御され、一方は静的ＤＣ磁束オフセットとして構成することができ、他方はリアルタイムで制御されるように構成することができる。したがって、例えば、磁束１  ６０２は共通の磁束ラインとして機能し、磁束２  ６０４は差動磁束ラインとして機能し、またはその逆も可能である。
【００２０】
等しい大きさの電流が磁束制御ライン６０２、６０４に同じ方向に流れるという条件下では、ジョセフソン接合Ｊ１およびＪ２を介して誘導された電流はキャンセルされ、ジョセフソン接合Ｊ３およびＪ４を流れる電流は合計される。ジョセフソン接合Ｊ３およびＪ４を介して誘導される全電流により、これらのジョセフソン接合は高インダクタンス状態になり、共振器ＴＬ４とＴＬ１との間、および共振器ＴＬ３とＴＬ２との間の有効結合は消失させられる。このような条件下では、ジョセフソン接合Ｊ１およびＪ４の電流がキャンセルされるため、これらのジョセフソン接合は低インダクタンス状態を示し、共振器ＴＬ３とＴＬ１との間、および共振器ＴＬ４とＴＬ２との間にかなりの有効結合が存在する。ポート１とポート３とが結合され、ポート２とポート４とが結合され、ポート１とポート４とが結合解除され、ポート２とポート３とが結合解除されているこの状態を、バー状態と呼ぶことができる。
【００２１】
等しい大きさの電流が磁束制御ライン６０２、６０４に反対方向に流れるという条件下では、誘導電流は、対照的に、ジョセフソン接合Ｊ１およびＪ２で加算され、ジョセフソン接合Ｊ３およびＪ４でキャンセルされる。この構成では、共振器ＴＬ３とＴＬ２との間、および共振器ＴＬ４とＴＬ１との間の有効結合が存在し、一方、共振器ＴＬ３とＴＬ１との間、および共振器ＴＬ４とＴＬ２との間の結合は消失する。ポート１とポート４とが結合され、ポート２とポート３とが結合され、ポート１とポート３とが結合解除され、ポート２とポート４とが結合解除されているこの状態を、クロス状態と呼ぶことができる。
【００２２】
図６の再構成可能な量子ルータ６００は、したがって、同じまたは反対の符号を有する２つの制御電流に応答して、キュービットのペア（またはキュービットのグループ）を選択的に接続することができるクロスポイント再構成可能バスとして機能する。したがって、回路６００の機能の例では、磁束がライン６０２、６０４を介して同じ方向に提供される場合、ＲＦ−ＳＱＵＩＤのペアは、それぞれ高または低インダクタンス状態を示して（図１Ｃに示されるように）スイッチ６００をバー構成にし、一方、磁束ラインのうちの一方の極性を他方に対して変更することで、それぞれのインダクタンス状態を変更して、（図１Ｄに示されるように）スイッチ６００をクロス構成にする。したがって、ルータ６００のＲＦ−ＳＱＵＩＤにおけるジョセフソン接合は、ペアワイズ方式で切り替えられる。
【００２３】
図７は、クロスポイント再構成可能バス６００を適用することができる例示的な量子アルゴリズムを示している。Ｈ−ｔｏ−Ｔｏｆｆｏｌｉ蒸留回路７００は、Ｍａｒｇｏｌｕｓ−Ｔｏｆｆｏｌｉゲートの｜Ｈ＞−状態の実装に関して示されている。アルゴリズムは、交互のオペランドを有するペアワイズＣＮＯＴゲート７０８／７１０、７１２／７１４、７１６／７１８を使用し、回路６００は、図７に示されるようにオペランドのスワッピングを容易にする。ＣＮＯＴゲート７０８、７１０は、バー状態７０２によって達成され、ＣＮＯＴゲート７１２、７１４は、クロス状態７０４によって達成され、ＣＮＯＴゲート７１６、７１８は、バー状態７０６によって達成される。アルゴリズムの最後のＣＮＯＴゲート７２０は、メンバーキュービット間の固定結合を使用して達成することができる。回路６００を使用してアルゴリズムを実行すると、キュービットの周波数の混雑、およびキュービット周波数が相互に掃引されるときに発生する可能性のあるエラーのために生じる複雑さが軽減される。同様のオペランドスワッピングを必要とする任意のアルゴリズムは、回路６００の使用から同様に利益を得ることができる。
【００２４】
スイッチ１００、２００、６００の複数を連結して、より高い接続性の構成を作成することができる。例えば、ルータ２００の第２のインスタンスおよび第３のインスタンスの２つの「ポート３」を、ルータ２００の第１のインスタンスのポート１およびポート２にそれぞれ接続して、１対４のマルチプレクサを得ることができる。別の例として、複数のスイッチ６００を相互に接続するか、１つまたは複数のルータ２００を１つまたは複数のルータ６００に接続して、「入力」および「出力」ポートの数を拡張し、より多様なスイッチングソリューションを作成することができる。そのような連結された例では、単一のスイッチコントローラ１２４は、複数またはすべての連結されたルータの複数のバイアス要素１２２を制御するように構成され得る。
【００２５】
図８Ａは、再構成可能な量子ルーティングの例示的な方法８００を示している。静的制御信号は、それぞれのＲＦ−ＳＱＵＩＤの第１の可変インダクタンス結合要素と第２の可変インダクタンス結合要素との間で分割される電流を誘導するために共通インダクタを介して２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤに誘導結合された共通磁束ライン、または第１の可変インダクタンス結合要素および第２の可変インダクタンス結合要素を介して分割されずに流れる電流を誘導するためにＲＦ−ＳＱＵＩＤの各々の他のインダクタを介して２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤに誘導結合された差動磁束ラインのうちの一方に提供される（８０２）。動的制御信号は、共通磁束ラインまたは差動磁束ラインのうちの他方に提供され（８０４）、その結果、誘導共通磁束電流と誘導動的磁束電流との間の差が、第１の可変インダクタンス結合要素（例えば、第１のＲＦ−ＳＱＵＩＤにおける第１のジョセフソン接合）を高または低インダクタンス状態のうちの一方に置き（８０６）、第２の可変インダクタンス結合要素（例えば、第２のＲＦ−ＳＱＵＩＤにおける第２のジョセフソン接合）を高または低インダクタンス状態のうちの他方に置く（８０６）。差動および共通磁束ラインは、例えば、図２に示される回路２００のライン２０２および２０４のように構成することができる。動的制御信号（共通磁束ラインまたは差動磁束ラインのうちの一方に提供される）の方向は、第１の量子オブジェクト（例えば、キュービット）を、動的制御信号の方向に基づいて、第２の量子オブジェクトまたは第３の量子オブジェクトのいずれかに結合するように作動させられる（８０８）。これにより、再構成可能な量子ルーティングが量子オブジェクト間で実現される。
【００２６】
図８Ｂは、再構成可能な量子ルーティングの別の例示的な方法８５０を示している。静的制御信号は、それぞれの第１のＲＦ−ＳＱＵＩＤおよび第２のＲＦ−ＳＱＵＩＤの第１の可変インダクタンス結合要素と第２の可変インダクタンス結合要素との間で分割される電流、およびそれぞれの第３のＲＦ−ＳＱＵＩＤおよび第４のＲＦ−ＳＱＵＩＤの第３の可変インダクタンス結合要素と第４の可変インダクタンス結合要素との間で分割される電流を誘導するために、共通の第１のインダクタを介して第１のＲＦ−ＳＱＵＩＤおよび第２のＲＦ−ＳＱＵＩＤに誘導結合され、かつ共通の第２のインダクタを介して第３のＲＦ−ＳＱＵＩＤおよび第４のＲＦ−ＳＱＵＩＤに誘導結合された第１の磁束ライン、または第１の可変インダクタンス結合要素と第４の可変インダクタンス結合要素との間で分割される電流、および第２の可変インダクタンス結合要素と第３の可変インダクタンス結合要素との間で分割される電流を誘導するために、共通の第３のインダクタを介して第１のＲＦ−ＳＱＵＩＤおよび第４のＲＦ−ＳＱＵＩＤに誘導結合され、かつ共通の第４のインダクタを介して第２のＲＦ−ＳＱＵＩＤおよび第３のＲＦ−ＳＱＵＩＤに誘導結合された第２の磁束ラインのうちの一方に提供される（８５２）。動的制御信号は、第１の磁束ラインまたは第２の磁束ラインのうちの他方に提供され（８５４）、その結果、ＲＦ−ＳＱＵＩＤの各々において誘導された第１の磁束電流と誘導された第２の磁束電流との差が、可変インダクタンス結合要素のうちの２つを、高インダクタンス状態または低インダクタンス状態のうちの一方に置き（８５６）、他の２つの可変インダクタンス結合要素を、高インダクタンス状態または低インダクタンス状態のうちの他方に置く（８５６）。第１の磁束ラインおよび第２の磁束ラインは、例えば、図６に示される回路６００のライン６０２および６０４のように構成することができる。動的制御信号の方向は、動的制御信号の方向に基づいて、第１の量子オブジェクト（例えば、キュービット）を第２の量子オブジェクトまたは第３の量子オブジェクトのうちの一方に結合し、第４の量子オブジェクトを第２の量子オブジェクトまたは第３の量子オブジェクトのうちの他方に結合するように作動させられる（８５８）。これにより、再構成可能な量子ルーティング（「バー」状態または「クロス」状態のいずれか）が量子オブジェクト間で実現される。
【００２７】
図８Ｃは、再構成可能な量子ルーティングの例示的な方法８７０を示している。静的制御信号は、ＲＦ−ＳＱＵＩＤのそれぞれの可変インダクタンス結合要素間で分割される少なくとも１つの電流を誘導するために少なくとも１つの共通インダクタを介して少なくとも２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤに誘導結合された第１の磁束ライン、またはＲＦ−ＳＱＵＩＤの各々の他のインダクタを介して、その、または他の少なくとも２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤに誘導結合された第２の磁束ラインのうちの一方に提供される（８７２）。動的制御信号は、第１の磁束ラインまたは第２の磁束ラインのうちの他方に提供され（８７４）、その結果、誘導された共通磁束電流と誘導された動的磁束電流との差が、可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも１つを、高インダクタンス状態または低インダクタンス状態のうちの一方に置き（８７６）、可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも他方を高インダクタンス状態または低インダクタンス状態のうちの他方に置く（８７６）。第１の磁束ラインおよび第２の磁束ラインは、例えば、図２に示される回路２００のライン２０４および２０２、または図６に示される回路６００のライン６０２および６０４のように構成することができる。動的制御信号の方向は、少なくとも第１の量子オブジェクト（例えば、キュービット）を、動的制御信号の方向に基づいて、少なくとも２つの他の量子オブジェクトのうちの１つだけに結合するように作動させられる（８７８）。これにより、再構成可能な量子ルーティングが量子オブジェクト間で実現される。
【００２８】
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、本出願の範囲内に含まれ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。さらに、開示またはクレームが「１つの（ａ，ａｎ）」、「第１の（ａ  ｆｉｒｓｔ）」、「もう一つの（ａｎｏｔｈｅｒ）」要素、またはそれらの均等物を記載する場合、１つまたは複数のそのような要素を含むと解釈されるべきであり、２つ以上のそのような要素を必要とも除外もしない。本明細書で使用される場合、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、限定することなく含むことを意味する。「基づく（ｂａｓｅｄ  ｏｎ）」という用語は、少なくとも部分的に基づくことを意味する。
【００２９】
本発明は、契約番号３００５９２９８に基づく政府の支援を受けて行われた。政府は本発明に一定の権利を有する。
【図１Ａ】
2021521550.tif 000005
【図１Ｂ】
2021521550.tif 000006
【図１Ｃ】
2021521550.tif 000007
【図１Ｄ】
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【図２】
2021521550.tif 000009
【図３】
2021521550.tif 000010
【図４】
2021521550.tif 000011
【図５】
2021521550.tif 000012
【図６】
2021521550.tif 000013
【図７】
2021521550.tif 000014
【図８Ａ】
2021521550.tif 000015
【図８Ｂ】
2021521550.tif 000016
【図８Ｃ】
2021521550.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】令和2年10月29日(2020.10.29)
【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】
量子ルータの第１のポート、第２のポート、および第３のポートにそれぞれ接続された第１の量子オブジェクト、第２の量子オブジェクト、および第３の量子オブジェクトを備える再構成可能な量子ルータシステムであって、
前記量子ルータは、各々それぞれのＲＦ−ＳＱＵＩＤにある少なくとも２つの可変インダクタンス結合要素を含み、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも２つは、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも２つの前記それぞれのＲＦ−ＳＱＵＩＤが共通に共有インダクタを共有するように、少なくとも１つの共有インダクタに接続されており、
前記量子ルータは、第１の制御磁束ラインおよび第２の制御磁束ラインを含み、前記第１の制御磁束ラインは、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも２つに静的電流を誘導的に供給するように構成され、前記第２の制御磁束ラインは、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも２つに動的電流を供給するように構成されており、
前記量子ルータは、第１の共振器、第２の共振器、および第３の共振器を含み、前記第１の量子オブジェクト、前記第２の量子オブジェクト、および前記第３の量子オブジェクトは、それぞれ、前記第１の共振器、前記第２の共振器、および前記第３の共振器により、前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤのうちの少なくともそれぞれの１つに各々接続されて、各量子オブジェクトが、チップ上の前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤから任意に離れて配置され、
前記動的電流の方向の作動は、少なくとも前記第１の量子オブジェクトを、前記動的電流の方向に基づいて、前記第２の量子オブジェクトまたは前記第３の量子オブジェクトのうちの１つのみに結合して、再構成可能な量子ルーティングを提供する、システム。
【請求項２】
前記第１の量子オブジェクトは、前記第１の共振器、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第１の可変インダクタンス結合要素、および前記第２の共振器を介して前記第２の量子オブジェクトに結合されており、
前記第１の量子オブジェクトは、前記第１の共振器、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第２の可変インダクタンス結合要素、および前記第３の共振器を介して前記第３の量子オブジェクトに結合されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記量子ルータは、単極双投（ＳＰＤＴ）の再構成可能なバスカプラであり、前記システムは、反対のインダクタンス状態間で前記可変インダクタンス結合要素を変化させることにより、１対２マルチプレクサの第１のスイッチ状態および第２のスイッチ状態の間で前記量子ルータの設定を制御して、
前記第１のスイッチ状態において、前記第１のポートと前記第２のポートとの間の信号の選択的なルーティング、および
前記第２のスイッチ状態において、前記第１のポートと前記第３のポートとの間の信号の選択的なルーティング
を可能にするように構成されたスイッチコントローラをさらに備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記スイッチコントローラは、第２の電流磁束制御ラインを通る電流の極性を制御して、前記第１のスイッチ状態と前記第２のスイッチ状態との間で前記再構成可能な量子ルータシステムを交互に動作させる、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
第１の可変インダクタンス結合要素、第２の可変インダクタンス結合要素、および第３の可変インダクタンス結合要素は、各々、単一のジョセフソン接合よりもＮ倍大きい臨界電流を各々有するＮ個のジョセフソン接合の直列アレイである、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
第４の量子オブジェクトは、第４の共振器、第３の可変インダクタンス結合要素、および前記第３の共振器を介して前記第３の量子オブジェクトに結合されており、
前記第４の量子オブジェクトは、前記第４の共振器、第４の可変インダクタンス要素、および前記第２の共振器を介して前記第２の量子オブジェクトに結合されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項７】
前記量子ルータは、クロスポイントの再構成可能なバスカプラであり、前記システムは、反対のインダクタンス状態間で前記可変インダクタンス結合要素を変化させることにより、クロスポイントスイッチのバー状態とクロス状態との間で前記量子ルータの設定を制御して、
前記バー状態において、前記第１のポートと前記第２のポートとの間、および前記第３のポートと第４のポートとの間の信号の選択的なルーティング、および
前記クロス状態において、前記第１のポートと前記第３のポートとの間、および前記第２のポートと前記第４のポートとの間の信号の選択的なルーティング
を可能にするように構成されたスイッチコントローラをさらに備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記スイッチコントローラは、第２の電流磁束制御ラインを通る電流の極性を制御して、前記バー状態と前記クロス状態との間で前記システムを交互に動作させる、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記可変インダクタンス結合要素のうちの第１の可変インダクタンス結合要素は、第１のジョセフソン接合であり、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第２の可変インダクタンス結合要素は、第２のジョセフソン接合であり、第３の可変インダクタンス結合要素は、第３のジョセフソン接合であり、第４の可変インダクタンス結合要素は、第４のジョセフソン接合である、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
再構成可能な量子ルーティングの方法であって、
ＲＦ−ＳＱＵＩＤのそれぞれの可変インダクタンス結合要素間で分割される電流を誘導するために少なくとも１つの共通インダクタを介して２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤに誘導結合された第１の磁束ライン、または他のインダクタを介して前記２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤまたは別の２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤに誘導結合された第２の磁束ラインのうちの一方に静的制御信号を提供すること、
前記第１の磁束ラインまたは前記第２の磁束ラインのうちの他方に動的制御信号を提供して、誘導された共通磁束電流と誘導された動的磁束電流との差が、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも１つを、高インダクタンス状態または低インダクタンス状態のうちの一方に置き、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも他方を前記高インダクタンス状態または前記低インダクタンス状態のうちの他方に置くようにすること、
少なくとも第１の量子オブジェクトを、前記動的制御信号の方向に基づいて、第２の量子オブジェクトまたは第３の量子オブジェクトのうちの１つだけに結合するように前記動的制御信号の方向を作動させること
を含む方法。
【請求項１１】
量子オブジェクトは、単極双投（ＳＰＤＴ）の再構成可能なバスカプラを使用して、それぞれ結合または結合解除される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
第１のスイッチ状態において、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第１の可変インダクタンス結合要素は、低インダクタンスに設定され、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第２の可変インダクタンス結合要素は、高インダクタンスに設定されて、前記第１の量子オブジェクトを第２の量子オブジェクトに結合し、第２のスイッチ状態において、前記可変インダクタンス結合要素の前記第１の可変インダクタンス結合要素は、高インダクタンスに設定され、前記可変インダクタンス結合要素の前記第２の可変インダクタンス結合要素は、低インダクタンスに設定されて、前記第１の量子オブジェクトを第３の量子オブジェクトに結合する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記動的制御信号の方向の作動は、第４の量子オブジェクトを、前記動的制御信号の方向に基づいて、前記第２の量子オブジェクトまたは前記第３の量子オブジェクトのうちの他方にさらに結合し、量子オブジェクトは、クロスポイントの再構成可能なバスカプラを使用して、それぞれ結合または結合解除される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
バー状態において、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第１の可変インダクタンス結合要素および前記可変インダクタンス結合要素のうちの第３の可変インダクタンス結合要素は、低インダクタンスに設定され、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第２の可変インダクタンス結合要素および前記可変インダクタンス結合要素のうちの第４の可変インダクタンス結合要素は、高インダクタンスに設定されて、前記第１の量子オブジェクトを前記第２の量子オブジェクトに結合し、かつ前記第３の量子オブジェクトを前記第４の量子オブジェクトに結合し、
クロス状態において、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第１の可変インダクタンス結合要素および前記可変インダクタンス結合要素のうちの第３の可変インダクタンス結合要素は、高インダクタンスに設定され、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第２の可変インダクタンス結合要素および前記可変インダクタンス結合要素のうちの第４の可変インダクタンス結合要素は、低インダクタンスに設定されて、前記第１の量子オブジェクトを前記第３の量子オブジェクトに結合し、かつ前記第２の量子オブジェクトを前記第４の量子オブジェクトに結合する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
結合された量子オブジェクトは、４分の１波長短絡伝送線路共振器によって前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤのそれぞれの１つに各々接続され、前記量子オブジェクトは、チップ上で互いに任意に離れている、請求項１０に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
本発明は、契約番号３００５９２９８に基づく政府の支援を受けて行われた。政府は本発明に一定の権利を有する。
以下に、本開示に含まれる技術思想を付記として記載する。
［付記１］
量子ルータの第１のポート、第２のポート、および第３のポートにそれぞれ接続された第１の量子オブジェクト、第２の量子オブジェクト、および第３の量子オブジェクトを備える再構成可能な量子ルータシステムであって、
前記量子ルータは、各々それぞれのＲＦ−ＳＱＵＩＤにある少なくとも２つの可変インダクタンス結合要素を含み、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも２つは、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも２つの前記それぞれのＲＦ−ＳＱＵＩＤが共通に共有インダクタを共有するように、少なくとも１つの共有インダクタに接続されており、
前記量子ルータは、第１の制御磁束ラインおよび第２の制御磁束ラインを含み、前記第１の制御磁束ラインは、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも２つに静的電流を誘導的に供給するように構成され、前記第２の制御磁束ラインは、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも２つに動的電流を供給するように構成されており、
前記量子ルータは、第１の共振器、第２の共振器、および第３の共振器を含み、前記第１の量子オブジェクト、前記第２の量子オブジェクト、および前記第３の量子オブジェクトは、それぞれ、前記第１の共振器、前記第２の共振器、および前記第３の共振器により、前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤのうちの少なくともそれぞれの１つに各々接続されて、各量子オブジェクトが、チップ上の前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤから任意に離れて配置され、
前記動的電流の方向の作動は、少なくとも前記第１の量子オブジェクトを、前記動的電流の方向に基づいて、前記第２の量子オブジェクトまたは前記第３の量子オブジェクトのうちの１つのみに結合して、再構成可能な量子ルーティングを提供する、システム。
［付記２］
前記第１の量子オブジェクトは、前記第１の共振器、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第１の可変インダクタンス結合要素、および前記第２の共振器を介して前記第２の量子オブジェクトに結合されており、
前記第１の量子オブジェクトは、前記第１の共振器、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第２の可変インダクタンス結合要素、および前記第３の共振器を介して前記第３の量子オブジェクトに結合されている、付記１に記載のシステム。
［付記３］
前記量子ルータは、単極双投（ＳＰＤＴ）の再構成可能なバスカプラであり、前記システムは、反対のインダクタンス状態間で前記可変インダクタンス結合要素を変化させることにより、１対２マルチプレクサの第１のスイッチ状態および第２のスイッチ状態の間で前記量子ルータの設定を制御して、
前記第１のスイッチ状態において、前記第１のポートと前記第２のポートとの間の信号の選択的なルーティング、および
前記第２のスイッチ状態において、前記第１のポートと前記第３のポートとの間の信号の選択的なルーティング
を可能にするように構成されたスイッチコントローラをさらに備える、付記２に記載のシステム。
［付記４］
前記スイッチコントローラは、第２の電流磁束制御ラインを通る電流の極性を制御して、前記第１のスイッチ状態と前記第２のスイッチ状態との間で前記再構成可能な量子ルータシステムを交互に動作させる、付記３に記載のシステム。
［付記５］
第１の可変インダクタンス結合要素、第２の可変インダクタンス結合要素、および第３の可変インダクタンス結合要素は、各々、単一のジョセフソン接合よりもＮ倍大きい臨界電流を各々有するＮ個のジョセフソン接合の直列アレイである、付記２に記載のシステム。
［付記６］
第４の量子オブジェクトは、第４の共振器、第３の可変インダクタンス結合要素、および前記第３の共振器を介して前記第３の量子オブジェクトに結合されており、
前記第４の量子オブジェクトは、前記第４の共振器、第４の可変インダクタンス要素、および前記第２の共振器を介して前記第２の量子オブジェクトに結合されている、付記２に記載のシステム。
［付記７］
前記量子ルータは、クロスポイントの再構成可能なバスカプラであり、前記システムは、反対のインダクタンス状態間で前記可変インダクタンス結合要素を変化させることにより、クロスポイントスイッチのバー状態とクロス状態との間で前記量子ルータの設定を制御して、
前記バー状態において、前記第１のポートと前記第２のポートとの間、および前記第３のポートと第４のポートとの間の信号の選択的なルーティング、および
前記クロス状態において、前記第１のポートと前記第３のポートとの間、および前記第２のポートと前記第４のポートとの間の信号の選択的なルーティング
を可能にするように構成されたスイッチコントローラをさらに備える、付記６に記載のシステム。
［付記８］
前記スイッチコントローラは、第２の電流磁束制御ラインを通る電流の極性を制御して、前記バー状態と前記クロス状態との間で前記システムを交互に動作させる、付記７に記載のシステム。
［付記９］
前記可変インダクタンス結合要素のうちの第１の可変インダクタンス結合要素は、第１のジョセフソン接合であり、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第２の可変インダクタンス結合要素は、第２のジョセフソン接合であり、第３の可変インダクタンス結合要素は、第３のジョセフソン接合であり、第４の可変インダクタンス結合要素は、第４のジョセフソン接合である、付記６に記載のシステム。
［付記１０］
再構成可能な量子ルーティングの方法であって、
ＲＦ−ＳＱＵＩＤのそれぞれの可変インダクタンス結合要素間で分割される電流を誘導するために少なくとも１つの共通インダクタを介して２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤに誘導結合された第１の磁束ライン、または他のインダクタを介して前記２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤまたは別の２つのＲＦ−ＳＱＵＩＤに誘導結合された第２の磁束ラインのうちの一方に静的制御信号を提供すること、
前記第１の磁束ラインまたは前記第２の磁束ラインのうちの他方に動的制御信号を提供して、誘導された共通磁束電流と誘導された動的磁束電流との差が、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも１つを、高インダクタンス状態または低インダクタンス状態のうちの一方に置き、前記可変インダクタンス結合要素のうちの少なくとも他方を前記高インダクタンス状態または前記低インダクタンス状態のうちの他方に置くようにすること、
少なくとも第１の量子オブジェクトを、前記動的制御信号の方向に基づいて、第２の量子オブジェクトまたは第３の量子オブジェクトのうちの１つだけに結合するように前記動的制御信号の方向を作動させること
を含む方法。
［付記１１］
量子オブジェクトは、単極双投（ＳＰＤＴ）の再構成可能なバスカプラを使用して、それぞれ結合または結合解除される、付記１０に記載の方法。
［付記１２］
第１のスイッチ状態において、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第１の可変インダクタンス結合要素は、低インダクタンスに設定され、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第２の可変インダクタンス結合要素は、高インダクタンスに設定されて、前記第１の量子オブジェクトを第２の量子オブジェクトに結合し、第２のスイッチ状態において、前記可変インダクタンス結合要素の前記第１の可変インダクタンス結合要素は、高インダクタンスに設定され、前記可変インダクタンス結合要素の前記第２の可変インダクタンス結合要素は、低インダクタンスに設定されて、前記第１の量子オブジェクトを第３の量子オブジェクトに結合する、付記１１に記載の方法。
［付記１３］
前記動的制御信号の方向の作動は、第４の量子オブジェクトを、前記動的制御信号の方向に基づいて、前記第２の量子オブジェクトまたは前記第３の量子オブジェクトのうちの他方にさらに結合し、量子オブジェクトは、クロスポイントの再構成可能なバスカプラを使用して、それぞれ結合または結合解除される、付記１０に記載の方法。
［付記１４］
バー状態において、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第１の可変インダクタンス結合要素および前記可変インダクタンス結合要素のうちの第３の可変インダクタンス結合要素は、低インダクタンスに設定され、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第２の可変インダクタンス結合要素および前記可変インダクタンス結合要素のうちの第４の可変インダクタンス結合要素は、高インダクタンスに設定されて、前記第１の量子オブジェクトを前記第２の量子オブジェクトに結合し、かつ前記第３の量子オブジェクトを前記第４の量子オブジェクトに結合し、
クロス状態において、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第１の可変インダクタンス結合要素および前記可変インダクタンス結合要素のうちの第３の可変インダクタンス結合要素は、高インダクタンスに設定され、前記可変インダクタンス結合要素のうちの第２の可変インダクタンス結合要素および前記可変インダクタンス結合要素のうちの第４の可変インダクタンス結合要素は、低インダクタンスに設定されて、前記第１の量子オブジェクトを前記第３の量子オブジェクトに結合し、かつ前記第２の量子オブジェクトを前記第４の量子オブジェクトに結合する、付記１３に記載の方法。
［付記１５］
結合された量子オブジェクトは、４分の１波長短絡伝送線路共振器によって前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤのそれぞれの１つに各々接続され、前記量子オブジェクトは、チップ上で互いに任意に離れている、付記１０に記載の方法。
［付記１６］
再構成可能な量子ルータであって、
それぞれの第１のキュービット、第２のキュービット、および第３のキュービットに各々結合可能な第１のポート、第２のポート、および第３のポートと、
それぞれ前記第１のポート、第２のポート、および第３のポートとＲＦ−ＳＱＵＩＤブリッジとの間に各々接続された第１の共振器、第２の共振器、および第３の共振器と
を備え、前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤブリッジは、
前記第１の共振器と前記第２の共振器との間に接続された第１のジョセフソン接合と、
前記第１の共振器と前記第３の共振器との間に接続された第２のジョセフソン接合と
を含み、
前記再構成可能な量子ルータは、ポートに接続されたキュービットを選択的に結合または結合解除するために、前記第１のジョセフソン接合および前記第２のジョセフソン接合のそれぞれのインダクタンスを、高インダクタンス状態と低インダクタンス状態との間で切り替えるように配置された第１の磁束ラインおよび第２の磁束ラインを備える、再構成可能な量子ルータ。
［付記１７］
共振器は、４分の１波長短絡伝送線路共振器である、付記１６に記載のシステム。
［付記１８］
それぞれの第４のキュービットに結合可能な第４のポートと、
前記第４のポートと前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤブリッジとの間に接続された第４の共振器と
をさらに備え、前記ＲＦ−ＳＱＵＩＤブリッジは、
前記第４の共振器と前記第３の共振器との間に接続された第３のジョセフソン接合と、
前記第２の共振器と前記第４の共振器との間に接続された第４のジョセフソン接合と
をさらに含み、
前記第１の磁束ラインおよび第２の磁束ラインは、前記第１のジョセフソン接合、前記第２のジョセフソン接合、前記第３のジョセフソン接合、および前記第４のジョセフソン接合のそれぞれのインダクタンスを、高インダクタンス状態と低インダクタンス状態との間で、ペアワイズ方式で切り替えるように配置されており、前記第１のジョセフソン接合および前記第３のジョセフソン接合は互いに同じ状態であり、前記第２のジョセフソン接合および前記第４のジョセフソン接合は互いに同じ状態であり、かつ前記第１のジョセフソン接合および前記第３のジョセフソン接合とは反対の状態であり、前記ポートに接続されたキュービットを選択的に結合または結合解除する、付記１７に記載のシステム。
［付記１９］
磁束ラインのうちの１つを通る電流の方向を制御して、ジョセフソン接合のインダクタンス状態を調整し、それによってキュービット結合状態を切り替えるように構成されたスイッチコントローラをさらに備える、付記１６に記載のシステム。
［付記２０］
前記第１の共振器、第２の共振器、および第３の共振器のそれぞれと、前記第１のポート、前記第２のポート、および前記第３のポートのそれぞれとの間にそれぞれ配置された少なくとも第１のカップリングキャパシタ、第２のカップリングキャパシタ、および第３のカップリングキャパシタをさらに備える、付記１６に記載のシステム。
【国際調査報告】
2021521550.tif 000018
2021521550.tif 000019
2021521550.tif 000020