(57)【要約】【課題】量子処理デバイスを動作させることに関する技術を提供する。【解決手段】デバイスは、周波数調整可能カプラに結合される少なくとも２つの固定周波数量子回路を含む。カプラの周波数を、量子処理デバイスにおいて、少なくとも２つの選択的にアドレス可能なエネルギー遷移を駆動するように、変調することができる。方法は、２つの一次エネルギー遷移を駆動するように、カプラの周波数を変調することを含む。これは、量子回路のうちの１つの励起を（少なくとも部分的に）調整可能カプラを介して量子回路の少なくとももう１つに移動させるように、行われる。関連する量子処理デバイスが、さらに提供される。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子処理デバイスを動作させる方法であって、
２つの一次エネルギー遷移を駆動するように調整可能カプラの周波数を変調することを含み、
前記量子処理デバイスは、前記調整可能カプラに結合される少なくとも２つの固定周波数量子回路を備え、前記調整可能カプラの前記周波数は前記量子処理デバイスにおいて少なくとも２つの選択的にアドレス可能なエネルギー遷移を駆動するように変調動作可能であり、
前記方法はさらに、
前記２つの一次エネルギー遷移を駆動するように前記調整可能カプラの前記周波数を変調することに応じて、前記少なくとも２つの固定周波数量子回路のうちの１つの第１の励起を引き起こし、それにより前記第１の励起を少なくとも部分的に前記調整可能カプラを介して前記少なくとも２つの固定周波数量子回路のうちの少なくとももう１つに移動させることを含み、
前記調整可能カプラの前記周波数は、
第１の遷移を駆動することにより、前記少なくとも２つの固定周波数量子回路のうちの前記１つの第１の励起を少なくとも部分的に前記調整可能カプラに移動させるような、第１の周波数、および
少なくとも１つの第２の遷移を個別に駆動することにより、前記第１の励起を少なくとも部分的に前記調整可能カプラから前記少なくとも２つの固定周波数量子回路のうちの前記少なくとももう１つにさらに移動させるような、前記第１の周波数とは異なる少なくとも１つの第２の周波数
において変調され、
前記第１の遷移および前記少なくとも１つの第２の遷移のそれぞれは一次エネルギー遷移である、量子処理デバイスを動作させる方法。
【請求項２】
前記調整可能カプラの前記周波数が、最初に前記第１の周波数において変調されて前記第１の遷移を駆動し、続いて前記少なくとも１つの第２の周波数において変調されて前記第１の遷移の後に前記少なくとも１つの第２の遷移を駆動する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の遷移および前記少なくとも１つの第２の遷移を随伴的に駆動するように、前記調整可能カプラの前記周波数が、前記第１の周波数および前記少なくとも１つの第２の周波数において随伴的に変調される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記調整可能カプラの前記周波数を変調することが、断熱ホロノミック・ゲート変換を生成するようなペースで前記第１の周波数および前記少なくとも１つの第２の周波数において駆動をスイッチ・オンにすることをさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記調整可能カプラの前記周波数を変調することについて、前記第１の周波数および前記少なくとも１つの第２の周波数の各々が、前記量子処理デバイスの励起状態の対同士のエネルギーの差にそれぞれ相当することにより励起状態のそれぞれの対が基準励起状態｜ｇｇ・・・，１〉を含み、前記調整可能カプラの励起状態｜１〉および前記少なくとも２つの固定周波数量子回路のそれぞれの基底状態｜ｇ〉を伴うテンソル積として表現可能である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の周波数および前記少なくとも１つの第２の周波数の各々が、前記基準励起状態｜ｇｇ・・・，１〉と、励起状態｜ａｂ・・・，０〉との間のエネルギーの差に相当し、前記励起状態｜ａｂ・・・，０〉は前記調整可能カプラの基底状態｜０〉と前記少なくとも２つの固定周波数量子回路の状態｜ａｂ・・・〉とを伴うテンソル積として表現可能であり、ここで前記状態｜ａｂ・・・〉は、前記少なくとも２つの固定周波数量子回路のうちの１つだけの励起状態｜ｅ〉と前記少なくとも２つの固定周波数量子回路の残りのそれぞれの基底状態｜ｇ〉とを伴うテンソル積として表現可能である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記一次エネルギー遷移が、前記調整可能カプラに高調波マイクロ波信号を与えることによって駆動され、前記調整可能カプラの前記周波数を変調するように前記高調波マイクロ波信号が変調されることによって、前記第１の遷移および前記少なくとも１つの第２の遷移が駆動される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記量子処理デバイスが、それぞれが前記調整可能カプラに結合される、少なくとも３つの固定周波数量子回路をさらに備え、
前記調整可能カプラの前記周波数が、前記第１の遷移を駆動するように前記第１の周波数で随伴的に変調され、また、２つ以上の第２の遷移をそれぞれ随伴的に駆動するように２つ以上の第２の周波数で随伴的に変調されることにより、励起が少なくとも部分的に前記調整可能カプラから前記少なくとも３つの固定周波数量子回路のうちの２つ以上の他のものに移動し、前記２つ以上の第２の遷移のそれぞれが一次エネルギー遷移である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも３つの固定周波数量子回路の多者間もつれ状態を達成するように、前記調整可能カプラに与えられる信号の振幅および位相を適切に設定することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記調整可能カプラの前記周波数が、前記少なくとも２つの固定周波数量子回路のうちの少なくとも１つに対して動作する量子ゲートを実装するように変調され、
前記量子ゲートが前記調整可能カプラに対して事実上動作しない、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記調整可能カプラの前記周波数が、前記少なくとも２つの固定周波数量子回路の状態に基づいてゲートのユニバーサル・セットを実装するように変調され、
前記ゲートのユニバーサル・セットが前記調整可能カプラの状態に基づいていない、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
ｉＳＷＡＰゲート、ｃ−Ｐｈａｓｅゲート、Ｆｒｅｄｋｉｎゲート、およびＳＷＡＰゲートの平方根からなる群より選択される１つまたは複数を達成するように、前記調整可能カプラに与えられる信号の振幅および位相を設定することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
少なくとも２つの固定周波数量子回路と、
前記少なくとも２つの固定周波数量子回路が結合される調整可能カプラと、
請求項１ないし１２のいずれかに記載の方法を実施するように構成されるコントローラと
を備える、量子処理デバイス。
【請求項１４】
少なくとも２つの固定周波数量子回路、および
前記少なくとも２つの固定周波数量子回路が結合される調整可能カプラ
を各セルが備える、複数のセルと、
請求項１ないし１２のいずれかに記載の方法を実施するように構成される、コントローラ・システムと、
を備える、量子処理チップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に量子処理デバイスおよびその動作の分野に関し、より詳細には周波数調整可能（tunable）カプラに結合される固定周波数量子回路（例えば、超電導量子ビット）を有する量子処理デバイス、ならびに関連デバイスを動作させることに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子増強検出および量子コンピューティングにおける近年の進歩は、これらの技術を産業向け用途にさらに関連付けるものにしている。量子検出および量子コンピューティングの両方は、重ね合わせおよびもつれなどの量子力学的現象を直接利用している。量子検出は、測定装置の精密さを増強することを目的としており、一方で量子コンピュータは、データのもつれに対する演算を行う。超電導回路は、現在の技術で製造することが比較的容易であるため、量子情報技術をさらに向上するための有望な候補である。今日、誤り訂正無しに限ると近い将来、数百の超電導量子ビットに基づいた小型の量子コンピュータが、従来のコンピュータでは扱いづらい量子システムをシミュレートできるようになることが想像され得る。
【０００３】
量子システムのエンジニアリングにおける改善にも関わらず、超電導量子ビットは、コヒーレンス時間として知られている有限の寿命の間しか量子情報を記憶することができない。量子検出および量子コンピューティングの両方は、理想的には、高度にもつれたマルチ量子ビットの状態の、素早く信頼度の高い生成を必要とする。現在、そのような状態は、多くの２量子ビットのゲート演算を順次に実行することによってのみ準備することができ、その準備には量子ビットの相当な長さのコヒーレンス時間を消費する。さらには、実際には、状態の準備の持続時間が量子ビットの数と共に増加するために、この準備は使用することができる量子ビットの数を制限する。しかしながら、状態の準備の持続時間は、コヒーレンス時間よりもずっと短くなければならない。状態の準備の持続時間がコヒーレンス時間と同程度になると、システムはもはや動作することができない。より短時間の状態の準備により（例えば、同時に複数の量子ビットに作用してもつれを起こすゲートを使用して得られるような）、量子コンピュータまたは量子検出器が少ない誤りで動き、またより多数の量子ビットにスケールアップすることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
超電導量子ビットの分野では、マルチ量子ビット、シングル・ステップの状態準備の問題は、これまではそれほど課題ではなかった。実際、研究されるシステムの規模は現在数量子ビットに限られ、また信用できる２量子ビットのもつれを起こすゲートは量子ビットのコヒーレンス時間に比べて短い。様々な他の可能な既存の実現のなかでも、とりわけ２量子ビット・ゲートが知られており、これらは量子ビットが周波数調整可能カプラ素子によって結合されるｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビットで実装される。他の手法と対照的に、この実装は固定周波数の量子ビットの高コヒーレンスを利用しており、９７％を上回る信頼度で、もつれた２量子ビット状態を生成する。しかしながら、ゲート・レートはなお、比較的遅い（数百ナノ秒）。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の態様によると、本発明の実施形態は、請求項１で特許請求される量子処理デバイスを動作させる方法を提供する。
【０００６】
本手法は、固定周波数回路の高コヒーレンス、および一次遷移によって可能となる短い動作時間を活用して、例えば高いゲート・レートを達成する。この手法は、特にいくつかの固定周波数量子ビットを単一の、短い動作内でもつれさせるために使用することができる。したがって、上述の方法は、より短い状態準備を得るために活用することができる。結果として、これは、量子コンピュータまたは量子検出器が少ない誤りで動き、またより多数の量子ビットにスケールアップすることを可能にする。
【０００７】
本発明の実施形態では、調整可能カプラの周波数は２つの周波数で変調される。すなわち、カプラは、一方では、第１の遷移を駆動することにより、量子回路のうちの１つの励起を（少なくとも部分的に）調整可能カプラに移動させるように、第１の周波数で変調される。他方では、カプラは、１つまたは複数の第２の遷移を個別に駆動することにより、この励起を（少なくとも部分的に）調整可能カプラから量子回路のうちのもう１つにさらに移動させるように、１つまたは複数の第２の周波数（それぞれ第１の周波数とは異なっている）で変調される。第１および第２の遷移のそれぞれは、一次エネルギー遷移である。
【０００８】
調整可能カプラの周波数は、最初に前記第１の周波数において変調されて第１の遷移を駆動することができ、続いて前記少なくとも１つの第２の周波数において変調されて第１の遷移の後に少なくとも１つの第２の遷移を駆動する。好ましくは（しかし必須ではない）、第１の遷移および少なくとも１つの第２の遷移を随伴的に（concomitantly）駆動するように、調整可能カプラの周波数が、前記第１の周波数および前記少なくとも１つの第２の周波数において随伴的に変調される。すなわち、演算速度を向上させるように、調整可能カプラが第２の周波数で変調される期間が、調整可能カプラが第１の周波数で変調される期間と少なくとも一部オーバラップする。随伴的な駆動を使用することにより、高いゲート・レート（例えば、１０〜１００メガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲）と共に、それに対応する１００ナノ秒（ｎｓ）〜１０ｎｓ範囲のゲート時間、すなわち単一量子ゲートと同程度の速さを達成することが可能である。結果として、単一のもつれのある演算を、１０ｎｓの場合がある短い時間内で達成することができる。
【０００９】
調整可能カプラの周波数を変調する際、前記第１および第２の周波数での駆動は、断熱ホロノミック・ゲート変換を生成するように選択されたペースでスイッチ・オンすることができる。
【００１０】
本発明の実施形態は、いわゆる「赤方サイドバンド遷移（red sidebandtransition）」に依拠しており、これは例えば調整可能カプラに与えられる高調波マイクロ波（harmonicmicrowave）信号として、容易に駆動することができる。特に興味深いことは、特定の励起状態｜ｇｇ・・・，１〉を活用することである。すなわち、第１の周波数および第２の周波数のそれぞれは、量子処理デバイスの励起状態の対同士のエネルギーの差に相当する場合があり、励起状態のそれぞれの対は、この励起状態｜ｇｇ・・・，１〉を含み、調整可能カプラの励起状態｜１〉および量子回路のそれぞれの基底状態｜ｇ〉を伴うテンソル積として表現可能である。同じ励起状態｜ｇｇ・・・，１〉が、第１および第２の周波数に相当するエネルギーの差のそれぞれに含まれるため、以下ではこの状態を「基準」励起状態｜ｇｇ・・・，１〉と称する。
【００１１】
例えば、第１の周波数および少なくとも１つの第２の周波数のそれぞれは、前記基準励起状態｜ｇｇ・・・，１〉と励起状態｜ａｂ・・・，０〉とのエネルギーの差に相当する場合がある。励起状態｜ａｂ・・・，０〉は、調整可能カプラの基底状態｜０〉および量子回路の状態｜ａｂ・・・〉を伴うテンソル積として表現可能である。状態｜ａｂ・・・〉自身、量子回路のうちの１つだけの励起状態｜ｅ〉および残りの量子回路のそれぞれの基底状態｜ｇ〉を伴うテンソル積として表現可能である。
【００１２】
第１および第２の周波数が上で定義したようなエネルギーの差にそれぞれ「相当する」とは、そのような周波数がそのようなエネルギー差に等しい場合があること、または、変形例においては、そのようなエネルギーの差に近い場合があることを意味している。
【００１３】
上で引き合いに出したように、一次エネルギー遷移は、調整可能カプラに高調波マイクロ波信号を与えることにより、駆動することができる。調整可能カプラの周波数を変調するように与えられる信号が変調されることによって、前記第１の遷移および前記少なくとも１つの第２の遷移が駆動される。
【００１４】
本方法は、３つ以上の固定周波数量子回路を有する量子処理デバイスを動作させるように実装可能であることに注目されたい。この方法で、最初の励起を複数の量子回路に移動することができる。すなわち、量子処理デバイスは、少なくとも３つの固定周波数量子回路を備えることができる。やはり、それぞれの量子回路は調整可能カプラに結合される。調整可能カプラの周波数は、一方では第１の遷移を駆動するように第１の周波数で、また他方では２つ以上の遷移をそれぞれ随伴的に駆動するように２つ以上の第２の周波数で、随伴的に変調される。この方法で、励起を調整可能カプラから量子回路のうちの２つ以上の他のものに（やはり、少なくとも部分的に）移動させることができる。前記遷移のそれぞれは、高速演算を確実にするように、一次エネルギー遷移である。
【００１５】
本明細書において説明されるような動作は、例えば量子回路の多者間もつれ状態（multipartiteentangled state）を達成するように、調整可能カプラに与えられる信号の振幅および位相を適切に設定することをさらに必要とする場合がある。本方法、ならびに本明細書に説明されるような量子処理デバイスは、１つまたは複数の量子ゲートを実装するように、特に動作させることができる。結果として、それぞれのゲートは、量子回路の１つまたは複数に対して動作することができる。しかしながら、調整可能カプラはコンピュータ用の量子ビットとして使用されるよう意図されていないため、そのような量子ゲートは調整可能カプラの状態に対しては（少なくとも有効には）動作しない。
【００１６】
本発明の実施形態は、少なくとも２つの量子回路の状態に基づいて、ゲートのユニバーサル・セットを実装する。しかしながら、そのようなゲートは、上で言及したのと同様の理由で、調整可能カプラの状態に基づいていない。
【００１７】
例えば、調整可能カプラに与えられる信号の振幅および位相は、ｉＳＷＡＰゲート、ｃ−Ｐｈａｓｅゲート、Ｆｒｅｄｋｉｎゲート（ＣＳＷＡＰゲートとしても知られる）、ＳＷＡＰゲートの平方根（一般的には
【数１】
2021516389.tif 000003
と表記される）、またはそのようなゲートのあらゆる組合せを達成するように、そのような信号の周波数を変調することに先立って、または変調する間に、設定することができる。
【００１８】
別の態様によると、本発明の実施形態は、請求項１３で特許請求される量子処理デバイスを提供する。
【００１９】
本方法と整合するように、コントローラは好ましくは（しかし必須ではない）、一方では、第１の遷移を駆動することにより、量子回路のうちの１つの励起を（少なくとも部分的に）カプラに移動させるように、第１の周波数で、他方では少なくとも１つの第２の遷移をそれぞれ駆動することにより、動作中、この励起を（少なくとも部分的に）カプラから量子回路のうちの少なくとももう１つにさらに移動させるように、少なくとも１つの第２の周波数（第１の周波数とは異なっている）で、カプラの周波数を変調するように構成される。やはり、第１の遷移および少なくとも１つの第２の遷移のそれぞれは、一次エネルギー遷移である。
【００２０】
本発明の実施形態では、コントローラは、最初に第１の遷移を駆動するように、調整可能カプラに与えられる信号の周波数を前記第１の周波数で変調し、続いて、動作中、第１の遷移の後、少なくとも１つの第２の遷移を駆動するために、この周波数を前記少なくとも１つの第２の周波数で変調するようにさらに構成される。好ましくは（しかし必須ではない）、コントローラは、動作中、第１の遷移および少なくとも１つの第２の遷移を随伴的に駆動するように、調整可能カプラに与えられる信号を、前記第１の周波数および前記少なくとも１つの第２の周波数において随伴的に変調するように構成される。
【００２１】
例えば、量子処理デバイスは、それぞれが調整可能カプラに結合される、少なくとも３つの固定周波数量子回路を備えることができる。この場合、コントローラは調整可能カプラの周波数を、一方では前記第１の遷移を駆動するように前記第１の周波数で、他方では２つ以上の第２の遷移を随伴的に駆動するように２つ以上の第２の周波数で、随伴的に変調するように構成される場合があり、それにより、動作中、励起を調整可能カプラから量子回路の少なくとも２つの他のものに（少なくとも部分的に）移動させることができる。やはり、前記第２の遷移のそれぞれは、一次エネルギー遷移である。
【００２２】
特に、前記量子回路のそれぞれは、超電導量子回路である。特に、量子回路のそれぞれは、固定周波数のｔｒａｎｓｍｏｎ型量子回路の場合がある。調整可能カプラは、少なくとも２つの量子回路のそれぞれに、例えば容量結合される。
【００２３】
本発明の実施形態では、調整可能カプラは、少なくとも２つの量子回路に結合するように、２つのジョセフソン接合を有する超電導量子干渉デバイス・ループにより分離されている２つの電極を備える。
【００２４】
変形例では、調整可能カプラは、少なくとも２つの量子回路に結合するように、グラウンドに結合される超電導量子干渉デバイス・ループに伴う単一の電極を備える。
【００２５】
別の態様によると、本発明の実施形態は、請求項１４で特許請求される量子処理チップを提供する。
【００２６】
次に、本発明の実施形態による量子処理デバイス、チップ、および方法を、非限定的な例として、また添付の図面を参照して、さらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態による、１つまたは複数の周波数調整可能カプラを含む、マルチ量子ビット結合アーキテクチャの例の、回路図である。
【図２】本発明の実施形態による、周波数調整可能結合素子として構成される第３のｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビットを介して結合された２つのｔｒａｎｓｍｏｎ型量子ビットを使用する、図１におけるようなマルチ量子ビット結合アーキテクチャについての例示のジオメトリである。
【図３】本発明の実施形態による、１つまたは複数の周波数調整可能カプラを含む、マルチ量子ビット結合アーキテクチャの例の、回路図である。
【図４】本発明の実施形態による、周波数調整可能結合素子として構成される量子ビットを介して結合された４つのｔｒａｎｓｍｏｎ型量子ビットを使用する、図３におけるようなマルチ量子ビット結合アーキテクチャについての例示のジオメトリである。
【図５】本発明の実施形態による、１つまたは複数の周波数調整可能カプラを含む、マルチ量子ビット結合アーキテクチャの例の、回路図である。
【図６】本発明の実施形態による、図１または図２におけるような、調整可能カプラに結合される２つの量子回路（例えば、コンピュータ用量子ビット）に関連付けられる量子状態、ならびに一次エネルギー遷移を描いた図である。
【図７】本発明の実施形態による、この例では６つのｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビットが結合され、また単一の駆動ラインを介して調整可能カプラ素子に高調波マイクロ波トーンが同時的に与えられる、調整可能カプラの周波数の変調の概略図である。
【図８】本発明の実施形態による、もつれ状態を作り出すべく同時的に遷移が駆動される、図３の構成におけるような、調整可能カプラに結合される４つの固定周波数量子ビットに関連付けられた量子状態を描いた図である。
【図９】本発明の実施形態による、一次エネルギー遷移が随伴的に駆動される、量子処理デバイスを動作させる方法の、高次のステップを示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施形態による、一次エネルギー遷移が順次に駆動されることを除いて図９のものに類似した方法のステップを示す別のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の実施形態に関して、添付の図面はデバイスまたはその一部の簡略化された表現を示している。図面において同様の、または機能的に同様の要素には、そうではないと示されない限り、同一の符号が割り当てられている。
【００２９】
図１〜図１０を参照すると、まず本発明の実施形態の態様が説明されており、量子処理デバイス１、３、４を動作させる方法に関している。図２および図４に描かれている技術的な特徴は、必ずしも縮尺通りではない。この量子処理デバイス１、３、４は、すべての事例において少なくとも２つの固定周波数量子回路１１〜１４、１ｎ、および調整可能カプラ２０を備えるものと仮定する。調整可能カプラ２０は、周波数調整可能結合素子として機能する。量子回路は、それぞれ、調整可能カプラ２０に結合される。本発明の実施形態にしたがって本方法を実装する目的として、調整可能カプラ２０の周波数は、デバイス１、３、４において選択的にアドレス可能なエネルギー遷移を駆動するために変調することができることが、さらに仮定される。
【００３０】
一貫して、そのような方法は一般的に、２つの一次エネルギー遷移を駆動するために（図９、図１０のフローチャートのステップＳ３０、Ｓ３０ａ、Ｓ３０ｂ参照）、調整可能カプラ２０の周波数を変調すること（Ｓ２０、Ｓ２０ａ、Ｓ２０ｂ）を中心としている。これはさらに、量子回路１１〜１４、１ｎのうちの１つの励起が、調整可能カプラ２０を介して、量子回路１１〜１４、１ｎのうちの少なくとももう１つに、少なくとも一部移動されるように実行される（Ｓ４０、Ｓ４０ａ、Ｓ４０ｂ）。
【００３１】
その目的のため、コントローラ３２（例えば、１つもしくは複数の制御ライン３０として実現することができるか、または１つもしくは複数の制御ライン３０を含むか、あるいはその両方）に依拠して、システムのコンポーネントに高調波マイクロ波信号（すなわち、コヒーレントなマイクロ波トーン）を与えて所望の遷移をトリガすることができる。これは、与えられる信号の振幅および位相を、その周波数を変調することに加え、調整することを特に必要とする場合がある。
【００３２】
量子回路１１〜１４、１ｎのそれぞれは、典型的には量子ビット１１〜１４、１ｎとして使用することができる非線形量子回路である。「非線形」により、量子回路の少なくとも２つの異なるエネルギー準位（すなわち、異なるエネルギー）をアドレスすることができることを意味している。しかしながら、固定周波数量子回路はまた、例えば高調波発振器でもあり得る。
【００３３】
本手法によると、量子回路１１〜１４、１ｎのうちの１つの励起は、調整可能カプラ２０を介して別の量子回路に、少なくとも一部移動される。本明細書において使用される場合「少なくとも一部移動される」などの用語法は、本発明の実施形態では励起が場合により完全に移動される場合があり、この場合、励起が、ある量子回路から別の量子回路に完全にスワップされることを意味している。しかしながら、本発明の他の実施形態では、この励起は、明確な、所定の確率でさらに移動されることがあり、確率は１未満（かつ０よりずっと大きい）である。この励起の部分的な移動により、もつれ状態が作り出され、励起は量子回路１１〜１４、１ｎ間で共有される。対照的に、完全な移動により、励起はスワップされる。断りのない限り、本明細書において想起される励起の移動は、部分的または完全な移動に相当することがある。
【００３４】
本方法はすべて一次遷移に依拠し、より効率的な処理を可能にする。例えば、後に詳細に説明するような、いわゆる赤方サイドバンド・エネルギー遷移が想定され得る。
【００３５】
そのような遷移は、より容易にアドレス可能となるように、エネルギーが互いに異なる量子回路の励起状態を含む。例えば、その場合、調整可能カプラ２０の周波数は、量子処理デバイス１、３、４で所望の遷移を駆動するように、対応する周波数で変調する必要がある。その目的のため、適切な周波数を特定して、例えば制御ライン３０を通じて、与える必要がある。
【００３６】
変形した実装形態では、関与する量子回路の励起状態は、近いエネルギーを有することができるか、または同一のエネルギーを有することさえある。例えば、異なる回路は、近いか、または同一のエネルギーの励起状態を有することができる。その場合、エネルギー遷移信号は、何らかの他の手段を使用して、選択的にターゲットとされる必要がある。例えば、同一のエネルギーを有して、同時にすべての遷移を駆動することも可能である。典型的には、そのような場合に起こることは、最終状態が、個々の回路の結合によって与えられる重みで、最初の状態と全量子回路の重ね合わせ状態との間で振動することである。一定のゲートを達成するために、例えば、結合は、設計時にセットされるか、または調整可能となされるか、のいずれかでなければならない。本事例では、異なる周波数が使用されるかのように、所望の一次の、エネルギー遷移を駆動するように、与えられる信号の振幅または位相あるいはその両方を選ぶことができる（この場合、クロストーク問題により、そのプロセスが若干損なわれるが、問題ではない）。
【００３７】
少なくとも１つの調整可能カプラ２０が含まれる。さらに、図５を参照して後述する本発明の実施形態のように、例えば、それぞれのセルが１つのカプラおよび２つ以上の量子回路を含むセルの配列においてなど、２つ以上の調整可能カプラが場合によっては必要とされる場合がある。一般に本処理デバイス１、３、４は、量子回路およびカプラの多数の配列を備えることができる。そのようなデバイスは、一般に、量子増強検出デバイスまたは量子コンピューティング・デバイスとして具体化され得る。
【００３８】
本「量子回路」１１〜１４、１ｎは、コンピュータ用量子ビットとして使用されることを意図されている（それに応じて以下ではしばしば「量子ビット」と称される）。これに反して、後で例示するように、カプラ２０が量子ビットとして具体化できるとしても、調整可能カプラ２０はコンピュータ用量子ビットとして使用されることを意図されていない。むしろ、カプラ２０の役割は、所望の遷移を達成するために、単に量子回路に結合することである。
【００３９】
２つの量子ビット間の相互作用、または１つの量子ビットと１つの共振器との相互作用に依拠する最新の方法が既知である。しかしながら、本アーキテクチャは、本発明の実施形態による調整可能カプラに結合される少なくとも２つの量子ビットを含む。さらになお、本カプラ２０は調整可能な周波数を有し、量子処理デバイス１、３、４によってコンピュータ用量子ビットとして使用されるよう意図されていない。これに反して、コンピュータ用の量子回路のそれぞれ（例えば、量子ビット）１１〜１４、１ｎは、固定周波数を有している（したがって、調整可能ではない）。理解されるように、これはデバイス１、３、４が磁束ノイズ（flux-noise）に対してあまり敏感にならないようにしている。そのように、固定周波数デバイスのより長いコヒーレンス時間は、例えば、より長い、またはより複雑な、あるいはその両方のアルゴリズムを実装するために、有利に利用され得る。
【００４０】
本手法により、調整可能カプラの周波数を適切に変調することによって、励起を２つ以上のカップリングされた量子ビット間でスワップすることができるか、またはカップリングされた量子ビットのうちの１つから別のものに一部移動することができる。一次エネルギー遷移を伴うため、本手法は特に、単一の、短い動作で、複数の固定周波数量子ビットをもつれさせることができる。この手法は、特に励起を（ｉ）ある量子回路からカプラに、（ｉｉ）カプラから他の量子回路に、随伴的に移動するために使用することができ、これは演算速度の観点から非常に優れた利点を有する。適切なパルス形状（例えば、同一の振幅を有している）でこれを行うことは、ある量子ビットから他のものへ励起を移動させることになり、調整可能カプラ２０がポピュレートされないままである。さらに、所望の遷移を他の量子ビットへ同時的に駆動することにより、単一の量子ビット−カプラの移動と同程度に速く、２ステップの動作を完了することができる。
【００４１】
駆動の適切な周波数、振幅、位相パルスを選ぶことにより、様々なマルチ量子ビット状態の励起を作り出すことができる。固定周波数の量子ビットの高コヒーレンスが活用されるだけでなく、加えて、随伴的な駆動により、高いゲート・レート（例えば、１０〜１００ＭＨｚの範囲）と共に、それに対応する１０ｎｓ〜１００ｎｓの範囲のゲート時間、すなわち単一量子ビット・ゲートと同程度の速さを達成することが可能である。換言すると、単一のもつれのある動作を、場合により１０ｎｓ内で達成することができる。
【００４２】
したがって、本手法は特に、より短い状態準備時間を可能にするために使用することができる。結果として、これは、量子コンピュータまたは量子検出器が少ない誤りで動き、またより多数の量子ビットにスケールアップすることを可能にする。
【００４３】
これらの態様および関連する利点のすべてを、本発明の特定の実施形態を参照して、以下で詳細に議論する。
【００４４】
図９、図１０のフローチャートを特に参照して、調整可能カプラ２０の周波数は、本発明の実施形態では、２つの周波数で変調される（Ｓ２０、Ｓ２０ａ、Ｓ２０ｂ）。すなわち、カプラは、一方で第１の遷移を駆動するように（Ｓ３０、Ｓ３０ａ）、第１の周波数で変調される。これは、量子回路１１〜１４、１ｎのうちの１つの励起を調整可能カプラ２０へ移動することにつながる。他方では、カプラ２０は、１つまたは複数の第２の遷移を個別に駆動するように（Ｓ３０、Ｓ３０ｂ）、１つまたは複数の第２の周波数（第１の周波数とは異なっている）で変調される。変調周波数は、実際の遷移周波数、またはそれに近いものであるべきである。この方法で、調整可能カプラに移動された励起は、調整可能カプラ２０から残りの量子回路１１〜１４、１ｎの残りのうちの１つまたは複数にさらに移動され得る。
【００４５】
やはり、演算の速度を確実にするように、依拠される第１の、および１つまたは複数の第２の遷移のそれぞれは、一次エネルギー遷移である。対照的に、高次のエネルギー遷移は完了するためにより長い時間を必要とするため、これはあまり可能性がない。
【００４６】
図１０に示されるように、プロセスには２つの連続的な遷移が含まれ得る。すなわち、調整可能カプラ２０の周波数は、最初に（第１の遷移を駆動するために（Ｓ３０ａ））第１の周波数で変調することができる（Ｓ２０ａ）。そして、第１の遷移の後、第２の遷移を個別に駆動するように（Ｓ３０ｂ）、カプラ２０は続いて１つまたは複数の第２の周波数で変調される（Ｓ２０ｂ）。ここで、２つの連続的な遷移の間には、一定の時間ギャップが含まれる。そのような手法により、与えられる信号を容易に制御することが可能であるが、対応するゲート時間に影響がある。
【００４７】
ここで、驚くべきことに、本発明者らが理解してきたように、随伴的な駆動を使用することにより、同様の効果を達成することができる。したがって、図９に示されるような特定の実装形態において（好ましい場合があるが、必須ではない）、２つの駆動が、時間的にオーバラップする。換言すると、２つの遷移を駆動するために使用される変調が、動作時間を短縮するように、随伴的に適用される。ここで「随伴的」とは、調整可能カプラが第２の周波数で変調される期間が、調整可能カプラが第１の周波数で変調される期間と少なくとも一部オーバラップすることを意味している。変調は、移動を加速するために、同時的に与えることすらできる。
【００４８】
すなわち、調整可能カプラ２０の周波数は、第１の遷移および１つまたは複数の第２の遷移を随伴的に（または、同時的に）駆動する（Ｓ３０）ように、第１の周波数および１つまたは複数の第２の周波数で随伴的に（または、同時的に）変調することができる（Ｓ２０）。そのような動作モードは、いくつかの量子回路１１〜１４、１ｎの高速の多者間もつれを作り出すために特に有利である。２つ以上の周波数における随伴的な（例えば、同時的な）変調は、量子ビットと調整可能カプラ２０との間の集合的な、共鳴的な相互作用をもたらす場合がある。
【００４９】
実際は、図９および図１０に描かれている動作（Ｓ２０〜Ｓ４０（またはＳ２０ａ〜Ｓ４０ａ））は、繰り返し実施され（Ｓ５０〜Ｓ１０）、それぞれのサイクルは、量子処理システムの状態を修正することを目的としている。これは、典型的には、調整可能カプラ２０に、例えばコントローラ３２および制御ライン３０を介して、高調波マイクロ波信号（すなわち、コヒーレントなトーン）を与えることにより達成される（Ｓ１０）。調整可能カプラ２０の周波数を変調するために（Ｓ２０、Ｓ２０ａ、Ｓ２０ｂ）、与えられる信号それ自身が変調される。これは、結果として所望の一次遷移を駆動することを可能にする（Ｓ３０、Ｓ３０ａ、Ｓ３０ｂ）。
【００５０】
コントローラのレベルにおいて、与えられる信号にタイマを関連付けてもよい。サイクルの最後に、与えられる信号が中断され（Ｓ５０）、次いでコントローラ３２によって決定されるように新しいサイクルが開始することができる（Ｓ１０）。
【００５１】
先に言及したように、好ましくは（しかし必須ではない）赤方サイドバンド遷移が関与し、それにより、そのような遷移が、調整可能カプラの周波数に対応するエネルギー差よりそれぞれ小さいエネルギー差に相当する。関与する第１および第２の遷移のそれぞれは、図６および図８で仮定したように、一次の、赤方サイドバンド遷移であり得る。一次遷移によって、二次またはより高次の遷移に比べて、演算時間およびプロセス効率を改善することができる。これは、次に説明するような、特定の励起状態を活用することにより、達成することができる。すなわち、調整可能カプラ２０が変調されるそれぞれの周波数は、量子処理デバイスの励起状態の対同士のエネルギーの差に相当する。さらになお、励起状態のそれぞれの対は、本発明の実施形態では、回路１１〜１４およびカプラ２０によって構成されるシステムの同一の励起状態を含む。基準励起状態と称される、この「同一の」励起状態は、調整可能カプラ２０の励起状態｜１〉より生ずる。この基準励起状態は｜ｇｇ・・・，１〉と書かれる。換言すると、基準励起状態は、調整可能カプラ２０（例えばその第１の励起状態）の励起状態｜１〉と、量子回路１１〜１４のそれぞれの基底状態｜ｇ〉とのテンソル積として表現可能である。
【００５２】
それぞれの周波数は、例えばこの基準励起状態｜ｇｇ・・・，１〉と、｜ａｂ・・・，０〉と書かれる別の励起状態とのエネルギーの差に相当する場合があり、量子回路１１〜１４のうちの１つ（のみ）の励起状態｜ｅ〉から生ずる。換言すると、状態｜ａｂ・・・，０〉は、この時、調整可能カプラ２０の基底状態｜０〉と量子回路１１、１２、・・・などの状態｜ａｂ・・・〉とのテンソル積として表現可能である。すなわち、
【数２】
2021516389.tif 000004
である。次に、｜ａｂ・・・，０〉は量子回路１１、１２、・・・などのうちの厳密に１つの励起状態｜ｅ〉と、残りの量子回路１１、１２、・・・などのそれぞれの基底状態｜ｇ〉を含む。換言すると、状態｜ａ〉、｜ｂ〉，・・・などのうちの１つだけが積
【数３】
2021516389.tif 000005
などにおける励起状態｜ｅ〉に相当する。
【００５３】
例えば図１および図２のような２つの量子回路１１、１２（コンピュータ用量子ビットＱ１、Ｑ２）に基づく単純なアーキテクチャを考える。対応する準位ダイアグラムを図６に示す。それぞれの変調周波数は、ωｇｅ１およびωｇｅ２は個々のエネルギー差に相当するが、それにもかかわらず基準励起状態｜ｇｇ，１〉を含む。第１の変調周波数ωｇｅ１は、｜ｇｇ，１〉のエネルギーと励起状態｜ｅｇ，０〉のエネルギーとの差に相当し、後者は１つだけの励起状態｜ｅ〉、すなわち、第１の量子回路（回路１１、またはＱ１）の励起状態を含む。一貫して、第２の変調周波数ωｇｅ２は、｜ｇｇ，１〉のエネルギーと励起状態｜ｇｅ，０〉のエネルギーとの差に相当し、他方の量子回路（Ｑ２）の励起状態｜ｅ〉のみを含む。調整可能カプラの周波数ωｔｃは、カプラの励起状態｜１〉と基底状態｜０〉とのエネルギーの差によって決定される。
【００５４】
より一般的には、３つ以上の回路１１、１２、・・・などが関与する場合、含まれる基準励起状態は｜ｇｇ・・・，１〉であり、一方で他の励起状態、すなわち、｜ｇｅ・・・，０〉、｜ｅｇ・・・，０〉、・・・などは、基本の量子回路１１、１２、・・・などの第１の励起状態から生じ、なお同時に１つの（また、１つだけの）励起を含んでいる。換言すると、量子回路のサブ状態のセット｛ａ，ｂ，・・・｝のそれぞれの要素は、個々の量子回路の励起状態｜ｅ〉または基底状態｜ｇ〉に相当する。量子回路のうちの所与の１つの、厳密に１つの励起状態が含まれるため、他の量子回路は自身の基底状態にある。
【００５５】
上述のような励起状態、および量子回路の適切な結合に基づき、一次の、赤方サイドバンド・エネルギー遷移を達成することができ、これはコヒーレントなマイクロ波トーンを与えることによって容易にトリガすることができる。図１〜図５を参照して後に議論するように、カプラの周波数を変調するように、ＳＱＵＩＤループを貫通する電流、そして続いて磁場を作り出す、例えば（同軸、マイクロ波）ケーブルとして実現されるコントローラのおかげでコヒーレントなマイクロ波トーンを与えることができる。
【００５６】
先に定義したように、第１および第２の周波数がエネルギーの差にそれぞれ「相当する」とは、そのような周波数がそのようなエネルギー差に等しい場合があること、または、変形例においては、そのようなエネルギーの差に近い（そして、所望の遷移が起こるために十分近い）場合があることを意味している。すなわち、可能な遷移の駆動は、共鳴であり得る（すなわち、エネルギー差が駆動周波数に一致する）か、またはオフ共鳴であり得る（すなわち、エネルギーが駆動周波数から僅かにずれている）。いわゆる「誘導ラマン断熱通過（ＳＴＩＲＡＰ）」スキームにおけるように、僅かにオフ共鳴の周波数に依拠することは、オフ共鳴の周波数が遷移を駆動するために利用されるため、基準励起状態のポピュレートを回避する結果となる。
【００５７】
固定周波数量子回路の単一対を含むシステムを上回って、本方法は、図７または図８に図示されるように、有利には、３つ、４つ、またはさらに多くの固定周波数量子回路を備える量子処理デバイス３に適用することができる。やはり、固定周波数量子回路１１、１２、１３、・・・などのそれぞれは、周波数調整可能カプラ２０に結合される必要がある。上述の方法と一貫して、調整可能カプラの周波数ωｔｃは、一方では（第１の遷移を駆動して励起を回路のうちの１つから調整可能カプラに移動するように（Ｓ３０））第１の周波数で、他方では２つ以上の第２の遷移を個別に随伴的に変調するように（Ｓ３０）、２つ以上の第２の周波数で、随伴的に変調することができる（Ｓ２０）。この方法で、励起は調整可能カプラ２０から量子回路のうちの２つ以上の他のものに移動することができる（Ｓ４０）。やはり、前記第２の遷移のそれぞれは、一次エネルギー遷移、好ましくは上で議論したような赤方サイドバンド遷移である。
【００５８】
図７で図示されるように、この手法は特にＮ個の固定周波数超電導ｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビットを、単一の短い動作でもつれさせるために使用することができる。一般的な調整可能結合素子は、例えば周波数調整可能な、超電導量子ビット、すなわち、ＳＱＵＩＤループとして具体化することができる。図７でさらに描かれるように、コンピュータ用量子ビット同士のもつれ状態は、コヒーレントなマイクロ波トーン（波状矢印）を単一の駆動ラインを介して調整可能カプラに同時的に与えることによって単一ステップで作り出すことができる。
【００５９】
例えば、図８に図示されるように、赤方サイドバンド遷移は、調整可能カプラの周波数を、調整可能カプラの励起状態｜ｇｇｇｇ，１〉と量子ビット１の励起状態｜ｅｇｇｇ，０〉との間の異なる周波数でセットされたコヒーレントなマイクロ波トーンで変調することによって誘導され得る。この遷移は、励起を量子ビットから調整可能カプラに、例えば（時間依存の）レートΩ１で移動する。調整可能カプラを、｜ｇｇｇｇ，１〉と残りの量子ビットから生ずる第１の励起状態との間の異なる周波数でセットされた追加的なコヒーレントなマイクロ波トーンで同時的に変調することにより、この励起は、次いですべての量子ビット間で共有することができる。得られる量子状態は、もつれが複数の量子ビット間で共有される多者間もつれ状態である。
【００６０】
図８の例では、調整可能な結合素子は、すべてのコンピュータ用の、ｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビットに容量結合すると仮定される。結果として、赤方サイドバンド遷移のゲート・レートΩｉは、ｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビットと調整可能カプラとの間の（容量）結合のオーダーとなる。これは、一次遷移に依拠するものとすれば、ゲート・レートが１００ＭＨｚ程度の速さとなることを可能とする。
【００６１】
すべての赤方サイドバンド遷移を同時的に駆動することにより（図８の量子ビット１、量子ビット２、量子ビット３、および量子ビット４）、多者間もつれ状態を１０ｎｓ内で、すなわち、単一の量子ビット動作と同程度の速さで、実現することができる。固定周波数のｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビットの高コヒーレンスの見地から、そのようなもつれたマルチ量子ビット状態が、非常に高い信頼度でさらに生成される（一体化（unity）に近づく）。結果として、本手法は、本発明の実施形態により、（背景技術セクションで議論したような）順次的な状態準備より生ずる問題を軽減するために使用することができる。したがって、この手法により、長く、複雑なアルゴリズムを固定周波数量子ビットのコヒーレンス時間内に実装することができる。
【００６２】
興味深いことに、ここで提案される手法は、調整可能カプラとｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビットとの間の、任意の周波数差に適用可能である。これは、調整可能カプラとｔｒａｎｓｍｏｎ量子ビットとの間のより大きい周波数差（＞１ＧＨｚ）が不可欠となるか、または１ＧＨｚ未満の周波数範囲で特に顕著となる周波数混雑の特定の問題に対処するために使用される場合に、特に魅力的である。
【００６３】
先に議論したように、本明細書において企図されるようなゲート演算は、所望の一次遷移をトリガするために、周波数を変調することに加えて、調整可能カプラ２０に与えられる信号の適切に設定された振幅および位相をさらに要求する場合がある。注意深く選択された振幅および位相を用いて、残りの量子ビットから生ずる追加的な励起状態をポピュレートするように、残りのＮ−１量子ビットとカプラとの間の異なる周波数で同時的に駆動することができる。この方法で、最初の励起をすべての量子ビット間で共有することができ、これは多者間もつれ状態を達成するために活用される（Ｓ２０〜Ｓ４０）。
【００６４】
実際的には、量子ゲートを実装するように、本明細書において説明される動作（例えば、図９、図１０のステップＳ２０、Ｓ２０ａ、Ｓ２０ｂ）を遂行することができる。本発明の実施形態のコンテキストにおいては、様々なタイプの量子ゲートを想定することができる。最低でも、本手法は、量子回路１１〜１４、１ｎのうちの少なくとも１つに対して可逆的に動作する量子ゲートを実装するために活用することができる。換言すると、このゲートは、ユニタリ行列により記述することができる。さらになお一般的には、あらゆるサブセットの状態に対して、または量子回路１１〜１４、１ｎのすべての状態に対してでさえ動作する量子ゲートを実装することができる。しかしながら、ここでは調整可能カプラはコンピュータ用の量子ビットとして動作させられるよう意図されていないため、そのような量子ゲートは調整可能カプラ２０に対しては効果的に動作しない。
【００６５】
ゲートが、カプラに対してではなく、量子回路の１つまたは複数の状態「に対して動作する」とは、調整可能カプラ２０の周波数が、ある回路から別のものに励起を移動するように、変調されることを意味している。調整可能カプラ２０の状態は、場合によりプロセス中に変更される可能性がある。しかしながら、ゲート演算の後、調整可能カプラはその初期状態に戻る（恒等演算）。したがって、ゲートは事実上調整可能カプラに対して動作しない。
【００６６】
調整可能カプラ２０の周波数は、２つ以上の量子回路１１〜１４、１ｎの状態に対して動作するユニバーサルの、有限なゲートのセットを、例えば単一量子ビット・ゲートと組み合わせて実装するように（Ｓ２０〜Ｓ５０）、特に変調することができる（Ｓ２０、Ｓ２０ａ、Ｓ２０ｂ）。例えば、ゲートの、このユニバーサル・セットは、量子処理デバイス１、３、４で演算のセットを実施させることができ、この有限なセットからのゲートのシーケンスによりそのような演算を低減する（または、場合により、近似する）ことができる。換言すると、デバイス１、３、４によって可能となる演算は、このユニバーサル・セットからの有限なゲートのシーケンスに変換することができる。
【００６７】
そのようなゲートのユニバーサル・セットを実装することは、先に議論したように、結合素子２０に与えられる信号の振幅および位相を適切に設定することを、その周波数を単に変調することに加えて、さらに必要とする場合がある。しかしながら、これらのゲートのいずれも、事実上調整可能カプラ２０の状態に基づくものではない。特に、駆動の適当な周波数、振幅、および位相のパルスは、ｉＳＷＡＰゲート、ｃ−Ｐｈａｓｅゲート、Ｆｒｅｄｋｉｎゲート、（ＣＳＷＡＰゲートとしても知られる）、またはＳＷＡＰゲートの平方根（一般的には
【数４】
2021516389.tif 000006
と表記される）を達成するように、選ぶことができる。そのようなゲートはそれ自体が既知である。ここで興味深いことに、そのようなゲートは、固定周波数量子回路の１つまたは複数の状態に対して動作して、それらの長いコヒーレンス時間を活用することができる。例えばユニバーサルの、有限なゲートのセットを形成するために、上で列挙したゲートの例のあらゆる組合せが実際に企図され得る。
【００６８】
本手法の別の興味深い特徴は、第１および第２の周波数における駆動が、断熱ホロノミック・ゲート変換を生成するように選択されるペースで、スイッチ・オンする（調整可能カプラの周波数を変調するときに）ことができることである。そのような変換では、パルスが低速でかつ同時的に与えられないと仮定する場合、調整可能カプラの励起状態をポピュレートすることは、パルスを与える間、およびその後、強く抑制される。対照的に、非断熱ホロノミック・ゲートは高速パルスを同時的に使用する。この場合、励起状態はパルス後ではなく、パルスを与える間にポピュレートされる。やはり、断熱的な移動は、遷移周波数から僅かに離調した変調周波数を含意しているが、本明細書においてそうではないと述べられない限り本発明の実施形態において、変調周波数は一般的に遷移周波数か、またはそれに近いものであるべきである。
【００６９】
図１〜図５、および図７を参照すると、次に本発明の実施形態の別の態様が議論されており、量子処理デバイス１、３、４に関している。そのようなデバイスの主な態様は、本方法に関して既に議論した。したがって、以下ではそのようなデバイスをほんの簡単に説明する。
【００７０】
最低でも、そのようなデバイス１、３、４は、量子回路が結合される調整可能カプラ２０に加えて、２つの固定周波数量子回路１１〜１４、１ｎを備える。やはり、量子回路は結合素子２０とは反対に、コンピュータ用量子ビットとして使用されることを意図されている。しかしながら、本デバイスは、図５におけるように、３つ以上の量子回路および２つ以上のカプラ２０を備えることができる。加えて、そのような量子処理デバイス１、３、４は、（制御システム３２の）コントローラ３０を含む。コントローラ３０は、処理デバイス１、３、４では、量子処理デバイス１、３、４において一次エネルギー遷移を駆動するように、調整可能カプラ２０に与えられる信号の周波数を変調するように構成される。先に説明したように、これによって、動作中、量子回路のうちの１つの励起が、調整可能カプラ２０を介して残りの回路のうちの１つまたは複数に（少なくとも一部）移動できるようになる。
【００７１】
コントローラ／制御システム３２は、典型的には信号を与えるための制御ライン３０（すなわち、物理的配線）を含む（または、そのようなものとして実装される）。コントローラにより、多周波数信号を与え、必要であれば、与えられる信号の振幅および位相を適切に設定することができる。制御システム３２は、当業者により理解されるような１つまたは複数の制御ライン３０を介して、本明細書において議論される信号を与えるように構成される。
【００７２】
特に、制御ライン３０を有するコントローラは、カプラ２０の周波数を、（第１の遷移を駆動し、それにより、励起をある量子回路からカプラ２０に移動するために）第１の周波数で、また第１の周波数とはそれぞれ異なる１つまたは複数の第２の周波数で、変調するように構成することができる。この方法で、先に説明した原理に一貫して、この励起をカプラ２０から残りの量子回路のうちの１つまたは複数にさらに移動するために、１つまたは複数の第２の遷移を駆動することができる。やはり、第１の遷移および第２の遷移のそれぞれは、一次エネルギー遷移、例えば赤方サイドバンド遷移である。
【００７３】
制御ライン３０を有するコントローラは、特に、与えられる様々な変調同士の間に一定の時間ギャップを課すように構成することができる。好ましくは（しかし必須ではない）、先に説明したように、コントローラは、第１および第２の遷移を随伴的に駆動するように、調整可能カプラ２０に与えられる信号を随伴的に変調することができる。
【００７４】
図３、図５、図７に図示されるように、本量子処理デバイス３、４の実施形態は、３つ以上、例えば３つ、４つ、６つ、またはそれより多くの固定周波数量子回路１ｎを含むことができ、それぞれの回路は調整可能カプラ２０に結合される。制御ライン３０を有するコントローラは、（第１の遷移を駆動するために）第１の周波数で、また２つ以上の第２の遷移を随伴的に駆動するように、２つ以上の第２の周波数でカプラ２０の周波数を随伴的に変調するようにさらに構成される。したがって、動作中、調整可能カプラ２０から、残りの量子回路１ｎのうち少なくとも２つに、励起を移動することができる。
【００７５】
好ましくは（しかし必須ではない）、本量子回路１１〜１４、１ｎは、超電導量子回路として具体化され、基礎となるコンピュータ用素子を形成する。特に、本回路は、単一のジョセフソン接合の超電導量子ビットとして実現される固定周波数の、ｔｒａｎｓｍｏｎ型量子回路であり得る。この方法で、処理デバイス１、３、４は固定周波数ｔｒａｎｓｍｏｎの長いコヒーレンス時間を利用している。カプラ２０も、ｔｒａｎｓｍｏｎによって実現することができるが、カプラ２０は基礎となるコンピュータ用素子１１〜４０、１ｎの一部を形成しないことに留意されたい。
【００７６】
すべての事例において、調整可能カプラ２０は、量子回路１１〜１４、１ｎのそれぞれに容量結合することができる。例えば、図１に図示されるように、処理デバイス１は、基礎となるコンピュータ用素子および調整可能カプラ２０として、長いコヒーレンス時間（例えば、ｔｒａｎｓｍｏｎ型デバイス）を伴う、２つの固定周波数の、単一のジョセフソン接合の超電導量子ビット１１、１２を含むことができる。この例では、調整可能カプラ２０が、ｔｒａｎｓｍｏｎ型の量子ビットなどの、非高調波（non-harmonic）発振器回路としてレイアウトされている。さらになお、カプラは、超電導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）ループを形成している、Ｘ記号を有する追加的なジョセフソン接合（
【数５】
2021516389.tif 000007
）として余分な自由度を与えられる。結果として、ＳＱＵＩＤループを使用してカプラの周波数を調整することができる。図１の例では、調整可能カプラの周波数の変調は、２つのジョセフソン接合により形成されるＳＱＵＩＤループを貫通する磁束Φ（ｔ）を誘導結合される磁束バイアス・ライン３０を通過する電流Ｉ（ｔ）を介して変更することにより実現される。磁束の変調は、結合強度の変調を誘導するＪ（ｔ）＝Ｊｃｏｓ（Δｔ）。それぞれの量子ビット１１、１２は、単一量子ビット・ゲート演算用の、読み出し共振器４１、４２（すなわち、図１においてやはりＲ１およびＲ２と表記される）、およびチャージ・バイアス・ライン（図示せず）に容量結合している（
【数６】
2021516389.tif 000008
）（平行線の記号を有する）。
【００７７】
結合は、調整可能カプラ２０の周波数を、一次エネルギー遷移、例えば図６に図示されるような赤方サイドバンド遷移に相当する周波数の近傍で、またはその周波数において変調することによって実施される。これは、結果として２量子ビットの量子ゲートの実装を可能にする。
【００７８】
カプラは、１つまたは複数の電極、ならびにＳＱＵＩＤループによって形成されるものとして見なすことができる（ＳＱＵＩＤループは２つのジョセフソン接合を含む）。調整可能カプラ２０は、別個の電極を介して（後者はＳＱＵＩＤループにより分離されている）、または単一の電極を介して、例えば２つの（またはそれより多くの）ｔｒａｎｓｍｏｎ１１、１２に結合することができ、ＳＱＵＩＤループはグラウンドに結合している。図２は、周波数調整可能結合素子として機能する第３のｔｒａｎｓｍｏｎ２０を介して結合される２つのｔｒａｎｓｍｏｎ型量子ビット１１、１２についての例示のジオメトリを示している。誘導結合されるバイアス・ライン３０を介して与えられる外部磁束は、調整可能カプラ２０の中心にＳＱＵＩＤループを通し、実効ジョセフソン・インダクタンスを修正することにより、その周波数を修正する。磁束バイアス・ライン３０の対照的な配置は、磁束ライン３０への容量結合を最小にすることによって、結合しているｔｒａｎｓｍｏｎ２０の崩壊を阻害する。
【００７９】
調整可能カプラ２０は、図３で図示されるように、３つ以上の量子ビットに容量結合するように設計することができる。図３の例示のアーキテクチャは、追加的な量子ビットの対１３、１４（すなわち、Ｑ３、Ｑ４）がここでは第１の対１１、１２（すなわち、Ｑ１、Ｑ２）の鏡面対象となっていることを除いて、本質的には図１のアーキテクチャに類似している。それぞれの追加的な量子ビット１３、１４は、やはり読み出し共振器４３、４４（すなわち、図３のＲ３およびＲ４）およびチャージ・バイアス・ライン（図示せず）に容量結合している。この例でも、調整可能カプラの周波数の変調は、ＳＱＵＩＤループを貫通する磁束Φ（ｔ）を誘導結合される磁束バイアス・ライン３０を通過する電流Ｉ（ｔ）を介して変更することにより達成することができる。これは、結果として結合強度の変調を誘導し、これは本方法により、一次エネルギー遷移をトリガするために活用される。同様に、図４の例示のジオメトリは、量子ビット１３、１４の追加的な対を除いて図２のジオメトリに類似している。加えて、それぞれの量子ビットは、今度は以前の量子ビットに対して回転しており、カプラのジオメトリは４量子の配置に構成されている。
【００８０】
次に、量子処理チップ４に関連する、本発明の実施形態の別の態様を、図５を参照して説明する。量子処理チップ４は、複数のセル６０を含み、それぞれ２つ以上の固定周波数量子回路１ｎ、ならびに２つ以上の量子回路１ｎが結合される調整可能カプラ２０を含んでいる。図５の例示のアーキテクチャでは、セルは二次元格子を形成している。なおさらに、４つの内側量子ビットによって境界付けられる中央の正方形は、それらが同一の調整可能カプラに結合されていないため、この例のセルには相当しない。４つの内側量子ビットのそれぞれは、１つのセルを隣接セルへブリッジしており、それにより、セルは事実上それぞれ平均して３つの量子ビットを含んでいる。さらに、描かれるアーキテクチャは、１セルあたり４つの量子ビットが動作できるようにしている。それ以外は、それぞれのセル６０は、図３に描かれている４つの量子ビットの配置構成に類似している。図５のアーキテクチャでは、すべての最も近い隣接量子ビットを結合することができる（中央の正方形上の量子ビット対を除く）。しかしながら、このアーキテクチャは、量子ビット同士の接続性を向上するために、中央のカプラを含むように修正することができる。
【００８１】
図５では、制御システム（ループ内で、制御ライン３０である、制御ライン３０を含む、または制御ライン３０に接続される、あるいはその組合せ）は、選択されたセルにおいて一次エネルギー遷移を駆動するように、それぞれの調整可能カプラ２０に与えられる信号の周波数を、例えば個別の制御ライン３０を介して変調するために使用される。換言すると、セルは、個別の制御ライン３０を介して独立して動作させることができる。しかしながら、セルの動作は、例えばゲートのシーケンスを可能とするように、制御システム（図７の制御システム３２など）によって実装されるロジックにしたがい、これは結果として量子処理チップ４によって、より複雑な演算を実施できるようにしている。
【００８２】
それぞれ動作させられるセル６０について、動作中、量子回路１ｎのうちの１つの励起は、個別の調整可能カプラ２０を介して、セルの残りの回路１ｎのうちの１つまたは複数に移動することができる。
【図１】
2021516389.tif 000009
【図２】
2021516389.tif 000010
【図３】
2021516389.tif 000011
【図４】
2021516389.tif 000012
【図５】
2021516389.tif 000013
【図６】
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【図７】
2021516389.tif 000015
【図８】
2021516389.tif 000016
【図９】
2021516389.tif 000017
【図１０】
2021516389.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】令和2年9月23日(2020.9.23)
【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】
量子処理デバイスを動作させる方法であって、
２つの一次エネルギー遷移を駆動するように調整可能カプラの周波数を変調することを含み、
前記量子処理デバイスは、前記調整可能カプラに結合される少なくとも２つの固定周波数量子回路を備え、前記調整可能カプラの前記周波数は前記量子処理デバイスにおいて少なくとも２つの選択的にアドレス可能なエネルギー遷移を駆動するように変調動作可能であり、
前記方法はさらに、
前記２つの一次エネルギー遷移を駆動するように前記調整可能カプラの前記周波数を変調することに応じて、前記少なくとも２つの固定周波数量子回路のうちの１つの第１の励起を引き起こし、それにより前記第１の励起を少なくとも部分的に前記調整可能カプラを介して前記少なくとも２つの固定周波数量子回路のうちの少なくとももう１つに移動させることを含み、
前記調整可能カプラの前記周波数は、
第１の遷移を駆動することにより、前記少なくとも２つの固定周波数量子回路のうちの前記１つの第１の励起を少なくとも部分的に前記調整可能カプラに移動させるような、第１の周波数、および
少なくとも１つの第２の遷移を個別に駆動することにより、前記第１の励起を少なくとも部分的に前記調整可能カプラから前記少なくとも２つの固定周波数量子回路のうちの前記少なくとももう１つにさらに移動させるような、前記第１の周波数とは異なる少なくとも１つの第２の周波数
において変調され、
前記第１の遷移および前記少なくとも１つの第２の遷移のそれぞれは一次エネルギー遷移である、量子処理デバイスを動作させる方法。
【請求項２】
前記調整可能カプラの前記周波数が、最初に前記第１の周波数において変調されて前記第１の遷移を駆動し、続いて前記少なくとも１つの第２の周波数において変調されて前記第１の遷移の後に前記少なくとも１つの第２の遷移を駆動する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記調整可能カプラの前記周波数を変調することについて、前記第１の周波数および前記少なくとも１つの第２の周波数の各々が、前記量子処理デバイスの励起状態の対同士のエネルギーの差にそれぞれ相当することにより励起状態のそれぞれの対が基準励起状態｜ｇｇ・・・，１〉を含み、前記調整可能カプラの励起状態｜１〉および前記少なくとも２つの固定周波数量子回路のそれぞれの基底状態｜ｇ〉を伴うテンソル積として表現可能である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の周波数および前記少なくとも１つの第２の周波数の各々が、前記基準励起状態｜ｇｇ・・・，１〉と、励起状態｜ａｂ・・・，０〉との間のエネルギーの差に相当し、前記励起状態｜ａｂ・・・，０〉は前記調整可能カプラの基底状態｜０〉と前記少なくとも２つの固定周波数量子回路の状態｜ａｂ・・・〉とを伴うテンソル積として表現可能であり、ここで前記状態｜ａｂ・・・〉は、前記少なくとも２つの固定周波数量子回路のうちの１つだけの励起状態｜ｅ〉と前記少なくとも２つの固定周波数量子回路の残りのそれぞれの基底状態｜ｇ〉とを伴うテンソル積として表現可能である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記一次エネルギー遷移が、前記調整可能カプラに高調波マイクロ波信号を与えることによって駆動され、前記調整可能カプラの前記周波数を変調するように前記高調波マイクロ波信号が変調されることによって、前記第１の遷移および前記少なくとも１つの第２の遷移が駆動される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記量子処理デバイスが、それぞれが前記調整可能カプラに結合される、少なくとも３つの固定周波数量子回路をさらに備え、
前記調整可能カプラの前記周波数が、前記第１の遷移を駆動するように前記第１の周波数で随伴的に変調され、また、２つ以上の第２の遷移をそれぞれ随伴的に駆動するように２つ以上の第２の周波数で随伴的に変調されることにより、励起が少なくとも部分的に前記調整可能カプラから前記少なくとも３つの固定周波数量子回路のうちの２つ以上の他のものに移動し、前記２つ以上の第２の遷移のそれぞれが一次エネルギー遷移である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも３つの固定周波数量子回路の多者間もつれ状態を達成するように、前記調整可能カプラに与えられる信号の振幅および位相を適切に設定することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記調整可能カプラの前記周波数が、前記少なくとも２つの固定周波数量子回路の状態に基づいてゲートのユニバーサル・セットを実装するように変調され、
前記ゲートのユニバーサル・セットが前記調整可能カプラの状態に基づいていない、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ｉＳＷＡＰゲート、ｃ−Ｐｈａｓｅゲート、Ｆｒｅｄｋｉｎゲート、およびＳＷＡＰゲートの平方根からなる群より選択される１つまたは複数を達成するように、前記調整可能カプラに与えられる信号の振幅および位相を設定することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも２つの固定周波数量子回路と、
前記少なくとも２つの固定周波数量子回路が結合される調整可能カプラと、
請求項１ないし９のいずれかに記載の方法を実施するように構成されるコントローラと
を備える、量子処理デバイス。
【請求項１１】
少なくとも２つの固定周波数量子回路、および
前記少なくとも２つの固定周波数量子回路が結合される調整可能カプラ
を各セルが備える、複数のセルと、
請求項１ないし９のいずれかに記載の方法を実施するように構成される、コントローラ・システムと、
を備える、量子処理チップ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
別の態様によると、本発明の実施形態は、請求項１０で特許請求される量子処理デバイスを提供する。
【国際調査報告】
2021516389.tif 000019
2021516389.tif 000020
2021516389.tif 000021