(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子情報処理システムのビルディングブロックであって、
２つの超電導電極の間に接続されたジョセフソン接合を含む超電導電極キュービットであって、前記２つの超電導電極が同軸で同一平面上にある、該超電導電極キュービット、
前記超電導電極キュービットに結合され、前記超電導電極キュービットの状態を制御するように構成された制御線、および／または
前記超電導電極キュービットに結合され、前記超電導電極キュービットの状態を測定するように構成された読み出し要素を含み、
前記制御線および／または前記読み出し要素は、前記２つの超電導電極を含む平面に対して平面外に配置されることを特徴とするビルディングブロック。
【請求項２】
請求項１に記載のビルディングブロックであって、
前記制御線は、前記超電導電極キュービットの前記２つの超電導電極と同軸に配置されることを特徴とするビルディングブロック。
【請求項３】
請求項１または２に記載のビルディングブロックであって、
前記読み出し要素は、前記超電導電極キュービットの前記２つの超電導電極と同軸に配置されることを特徴とするビルディングブロック。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のビルディングブロックであって、
前記２つの超電導電極、前記制御線および／または前記読み出し要素は同軸に配置されていることを特徴とするビルディングブロック。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のビルディングブロックであって、
前記２つの超電導電極の外側は接地平面を含むことを特徴とするビルディングブロック。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のビルディングブロックであって、
前記超電導電極キュービットの前記２つの超電導電極は、放射対称であることを特徴とするビルディングブロック。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のビルディングブロックであって、
前記超電導電極キュービットは、周波数同調可能に構成されていることを特徴とするビルディングブロック。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のビルディングブロックであって、
前記制御線は、磁束制御線を含むことを特徴とするビルディングブロック。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載のビルディングブロックであって、
前記制御線は、前記超電導電極キュービットの量子状態のユニバーサル制御を提供するように構成されることを特徴とするビルディングブロック。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載のビルディングブロックであって、
前記制御線は、電磁放射によって前記超電導電極キュービットを放射するように構成されることを特徴とするビルディングブロック。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載のビルディングブロックであって、
前記制御線は、電磁放射のパルスを前記超電導電極キュービットに印加するように構成されることを特徴とするビルディングブロック。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のビルディングブロックであって、
前記読み出し要素は、前記超電導電極キュービットに結合された共振器を含むことを特徴とするビルディングブロック。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のビルディングブロックであって、
前記制御線と、前記読み出し要素とは単一の要素として形成されることを特徴とするビルディングブロック。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載のビルディングブロックを複数個含む量子情報処理システムであって、
複数の前記ビルディングブロックのうちの少なくとも一部は、複数の前記ビルディングブロックのうちの他の１つ以上に結合されることを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のシステムであって、
１つ以上の追加の超電導電極キュービットを更に含むことを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のシステムであって、
前記１つ以上の追加の超電導電極キュービットは、複数の前記ビルディングブロックの１つ以上に結合されることを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１４〜１６のいずれか一項に記載のシステムであって、
前記制御線の各々は、単一の前記超電導電極キュービットにのみ結合されることを特徴とするシステム。
【請求項１８】
請求項１４〜１７のいずれか一項に記載のシステムであって、
前記読み出し要素の各々は、単一の前記超電導電極キュービットにのみ結合されることを特徴とするシステム。
【請求項１９】
請求項１４〜１８のいずれか一項に記載のシステムであって、
複数の前記ビルディングブロックのうちの１つ以上は、それぞれに最も近い他のビルディングブロックに結合されることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
請求項１４〜１９のいずれか一項に記載のシステムであって、
前記ビルディングブロック間の結合はキャパシタを含むことを特徴とするシステム。
【請求項２１】
請求項１４〜２０のいずれか一項に記載のシステムであって、
前記ビルディングブロックは、アレイ状に配置されることを特徴とするシステム。
【請求項２２】
請求項１４〜２１のいずれか一項に記載のシステムであって、
複数の前記ビルディングブロックのうちの１つ以上で動作するように構成された処理回路を更に備えることを特徴とするシステム。
【請求項２３】
請求項２２に記載のシステムであって、
前記処理回路は、１つ以上の量子論理ゲートを実現するように構成されることを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子情報処理システムおよびそのようなシステムのビルディングブロック（構成要素）に関し、特に、量子情報処理システム用の超電導電極ビルディングブロックに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子コンピュータの超電導電極回路の実現において、量子計算の基本単位であるキュービット（量子ビット）は、物理的に多くの異なる方法で実施することができる。典型的には、１つ以上のジョセフソン接合は、キャパシタおよび／またはインダクタと組み合わされて、キュービットとして使用される最低量子化エネルギーレベルである高品質の非調波回路を形成する。例えば、電荷キュービットまたはトランスモンとして知られている一般的に実現され成功した設計は、キャパシタと並列の単一のジョセフソン接合の最も単純な形態のものにある。制御および測定回路は、通常、キュービットを有するオンチップの平坦な集積回路を使用して、および／またはキュービットチップが埋め込まれた３Ｄ電磁波導波管およびキャビティを使用して実現される。
【０００３】
量子情報処理システムの設計において考慮すべき重要な点は、キュービットのコヒーレンス時間（量子計算を実行するために保持しなければならないキュービットの壊れやすい量子状態の寿命）を最大化することである。このためにはキュービットは電磁環境を高レベルで制御する必要があり、この環境の制御はキュービットが量子情報を容易に漏れないように設計する必要がある。この環境の制御を達成するために一般的に実施されているアプローチは、キュービット周波数とは異なる共振周波数を有するオンチップまたは３Ｄのいずれかの高品質電磁共振器内にキュービットを埋め込むか、またはそれらに強く結合し、このようにして、環境がキュービット周波数でエネルギーを受け取ることができないことに起因するこのエネルギー漏れを防止する。この回路量子電気力学として知られているアプローチはまた、キュービットが量子状態を変えるとき共振器は測定可能な周波数シフトを経験するので、キュービットの量子状態の測定の便利な方法を提供する。
【０００４】
超電導電極キュービットの巨視的なサイズにより、制御信号をキュービットに結合することが容易になり、高速動作が比較的容易に行えるようになる。しかし、キュービットの超電導電極の線形配置は、一般的には環境に強く結合し、特に環境中にしばしば存在する、キュービットのサイズスケールで均一な電磁場に強く結合することを意味する。その結果、キュービットを用いた量子計算を可能とするために、できるだけ長いことが望ましいキュービットの量子重畳状態のコヒーレンス時間が短縮される。これは、キュービットが電磁場に結合されたときにエネルギーを放射することが容易になるためである。
【０００５】
有用な量子計算を実行するためには、キュービットのすべて（または重要なサブセット）の制御および読み出しを可能にする配線と同様に、それらの間に結合を有する多数のキュービットからなるアーキテクチャを実現する必要がある。しかしながら、このようなアーキテクチャが、（例えば、製造されたチップまたは回路基板の表面上の）面内結合、および制御および読み出し配線を使用して実現される場合、必要な配線を空間的に収容するためのサイズをもたせることがますます困難になる。これは、Ｎ個のキュービットの２次元アレイのエッジは、例えばＭ個のキュービット（Ｎ＝Ｍ２個のキュービット）の正方形アレイの場合にＭ２の制御線および読み出し線が（４Ｍエッジキュービットの間の）エッジを通ってスレッドされる必要があるように、Ｎの平方根としてスケーリングされるという基本的な事実があるからである。このことは、キュービットの２Ｄアレイを有する実用的なスケールの量子コンピュータの実現を妨げる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、量子コンピューティングシステムのための改善されたスケーラブルなアーキテクチャを提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の態様から見ると、本発明は、量子情報処理システムのビルディングブロックであって、
２つの超電導電極の間に接続されたジョセフソン接合を含む超電導電極キュービットであって、前記２つの超電導電極が同軸で同一平面上にある、該超電導電極キュービット、
前記超電導電極キュービットに結合され、前記超電導電極キュービットの状態を制御するように構成された制御線、および／または
前記超電導電極キュービットに結合され、前記超電導電極キュービットの状態を測定するように構成された読み出し要素を含み、
前記制御線および／または前記読み出し要素は、前記２つの超電導電極を含む平面に対して平面外に配置されることを特徴とするビルディングブロックを提供する。
【０００８】
第２の態様から見ると、本発明は、第１の態様のビルディングブロックを複数個含む量子情報処理システムであって、
複数の前記ビルディングブロックのうちの少なくとも一部（好ましくは全部）は、複数の前記ビルディングブロックのうちの他の１つ以上に結合されることを特徴とするシステムを提供する。
【０００９】
本発明は、超電導電極キュービットを基本ビルディングブロックとして提供する量子情報処理システムに関する。超電導電極キュービットは、２つの同軸および共平面の超電導電極の間に接続されたジョセフソン接合から形成され、すなわち、ジョセフソン接合の弱い結合（例えば絶縁材料のバリア）が、２つの同軸および同一平面の超電導電極の間に提供される。これらの電極間の容量と組み合わされたジョセフソン接合は、電荷キュービットすなわちトランスモン（ジョセフソンエネルギーが容量に関連する充電エネルギーよりもはるかに大きい場合）を実現する。
【００１０】
超電導電極キュービットに結合されるのは、好ましくは、例えば制御された振幅および位相のマイクロ波パルスにキュービットを曝露することによって個々のキュービットの量子状態を制御するように構成された制御線である。この制御線は、例えば本発明の第２の態様に概説されているマルチキュービットシステムにおけるマルチキュービット動作の実施にも使用することができる。また好ましくは、超電導電極キュービットに結合された読み出し要素は、量子アルゴリズムの実施において（例えば量子計算中または量子計算後に）超電導電極キュービットの量子状態を測定し、および量子計算の結果を知るように配設される。制御線および／または読み出し要素は、キュービットの２つの超電導電極の平面に対して平面外に配置され、すなわち、これらの要素は、２つの超電導電極と同じ平面内ではない位置に設けられている。
【００１１】
本発明はまた、複数のビルディングブロックを含み、各ビルディングブロックがシステム内の他のビルディングブロックのうちの少なくとも１つに電磁的に結合される量子情報処理システムを包含する。
【００１２】
超電導電極キュービットが同軸電極を有する量子情報処理システムの構成要素を提供することにより、キュービットの電極は単一の方向に沿って存在しない、すなわちそれらは同軸（例えば、円形の対称性を有する配置）であるので、線形の幾何学的配置を有するキュービットと比較して、キュービットの電磁場への均一な電磁場への電磁結合を著しく減少させるのに役立つことを確認した。キュービットは、同軸成分を有する電磁場またはキュービットの位置における実質的な磁場勾配に結合することができるが、これらの電磁場はキュービットの環境に自然に存在する可能性は非常に低い。したがって、キュービットは電磁環境から効果的に分離され、キュービットのコヒーレンス時間を長くさせるのに役立つことになる。
【００１３】
更に、上述したような電磁環境からの隔離に加えて、同軸電極を有するキュービットの非近接場放射は、キュービットのサイズよりも大きな距離において非常に急速に減少するので、キュービットは、システム内の他の電磁的物体、例えば他のキュービットとは、たとえあったとしても、非常に弱い結合しか形成しない。この電磁的絶縁は、キュービットのコヒーレンス時間を長くさせるとともに、大規模なマルチキュービットシステムにおけるビルディングの実用性を向上させるのに役立つ。これは、典型的には大きな双極子モーメントを有し、キュービットから大きな距離ではるかに有意な電磁場を与える、線形の配置を有する従来のキュービットと比較して対象的である。
【００１４】
出願人はまた、キュービットの２つの超電導電極の平面に対して制御要素と読み出し要素が平面外に配置された量子情報処理システムの構成要素を提供することによって、複数のビルディングブロックを含む量子情報処理システムのトポロジーが、ビルディングブロックの数の増減に応じて拡大縮小することができることを確認した。これができるのは、キュービットに複数の結合が設けられているが、キュービットの電極に対して制御要素および読み出し要素が平面外に配置されているため、電極の平面内にそれらのためのスペースを設ける必要がないからである。このようなことは、従来の量子コンピューティングシステム（例えば、面内ジオメトリを使用して実現されているもの）では、すべての構成要素および接続が同一平面上に提供されなければならないので実現困難であり、システムの数が数キュービットより多くなるにつれてますます困難になることは理解されよう。
【００１５】
キュービットの２つの超電導電極は、任意の適切かつ所望の同軸でかつ同一平面に配置することができる。好ましい実施形態では、キュービットの２つの超電極は、放射対称すなわち円形である。２つの電極をこのように構成することにより、キュービットの環境への電磁結合を低減することが更に助けられるが、これは、電極の平面に、他の方向よりも多く電極が配向されているような方向がないからである。２つの同軸の超電導電極の外側には、システムが複数のキュービットを含むとき、他のキュービットと共有される接地平面を含むことができる。
【００１６】
超電導電極は、連続、例えば円形であってもよい。しかし、一実施形態では２つの電極の外側は、例えば一点において不連続である。したがって、キュービットの外側リング電極に小さな隙間が存在し得る。このことは、２つの超電導電極間で永続的な循環電流およびトラップされた磁束が発生するのを防止するのに役立つ。
【００１７】
キュービットは、任意の適切な所望の方法で形成することができる。好ましい実施形態では、キュービット、すなわち２つの超電導電極および弱いリンクを含むものは、サファイアまたはシリコンのような低損失誘電体基板上に、アルミニウムのような低損失超電導材料の微細加工を用いて形成される。
【００１８】
一実施形態では、キュービットの周波数調整は、例えば２つの超電導電極の間に並列に接続された２つのジョセフソン接合と、超電導電極とジョセフソン接合によって囲まれたギャップに通じる磁束を制御する平面外制御線とを組み込むことによって可能である。この実施形態では、周波数同調可能キュービットを必要とする制御動作の実施が可能である。
【００１９】
ビルディングブロックの制御線は、任意の適切な所望の方法で設けられ得る。好ましい実施形態では、制御線はキュービットの２つの超電導電極と同軸に配置される。追加的または代替的に、制御線は、例えばキュービットの同軸電極と一致または類似する幾何学的形状を有する同軸ケーブルを含む。この構成により、制御線を直接キュービットに結合することができ、マルチキュービットシステムにおける複数のキュービットのなかから単一のキュービットを高度に選択的に制御することができる。
【００２０】
別の実施形態では、制御線は磁束制御線を含む。このような磁束制御線は、好ましくは、電気的に短絡された端部を有する同軸線を含み、同軸線は、例えば、同軸ケーブル内の電流が近くのキュービット内の磁束を生成できるように外部接地導体に接続された中心導体を有する。これにより、例えばキュービットが周波数同調可能である実施形態では、制御線はキュービットの周波数を制御することができる。
【００２１】
制御線は、キュービットの状態を任意の適切かつ所望の方法で制御するように構成されている。好ましくは、制御線は、電磁放射（例えば、マイクロ波）でキュービットを放射するように構成される。電磁放射のパルスの長さ、位相および／または振幅は、ユニバーサルな単一キュービット制御を行うために変更することができる。したがって、好ましくは、制御線はキュービットの量子状態のユニバーサル制御を提供するように構成される。
【００２２】
ビルディングブロックの読み出し要素は、任意の適切な所望の方法で提供され得る。好ましい実施形態では、読み出し要素は、例えばキュービットの２つの超電導電極と同軸に配置され、超電導キュービットに結合される例えばマイクロ波用の共振器を含む。したがって、特に好ましい実施形態では、２つの超電導電極、制御線および／または読み出し要素が同軸に配置される。追加的または代替的に、読み出し要素は、例えばキュービットの同軸電極と一致または類似する幾何学的形状を有する同軸ケーブルを含む。この構成により、読み出し要素をキュービットに直接的に結合することが可能となり、マルチキュービットシステムからの単一のキュービットの高度に選択的な測定を行うことが可能となる。
【００２３】
読み出し要素は、キュービットの状態を任意かつ適切な方法で測定するように構成される。好ましい実施形態（読み出し要素が同軸ケーブルおよびマイクロ波読み出し共振器を含む場合）において、読み出し要素の同軸ケーブルは、例えばある特定の周波数で（キュービットに結合された）読み出しマイクロ波共振器の応答を測定するように構成され、その測定からキュービットの状態を推定し得る。
【００２４】
ビルディングブロックの一実施形態では、制御線および読み出し要素は、単一の要素として、すなわち同一要素に結合され、好ましくは、同軸ケーブルおよび同軸読み出し共振器を含む形で形成することができ、この単一要素は、読み出し共振器の後ろに配置された同軸ケーブルを用いて単一のキュービット制御および測定の両方のために構成される。
【００２５】
量子情報処理システムでは、好ましくは、各制御線および／または読み出し要素は、単一のキュービットにのみ結合され、すなわち、好ましくはキュービットとその関連する制御線および／または読み出し要素との間に１対１の関係がある。量子情報処理システムは、例えば表面コードのような特定の量子コンピューティングアーキテクチャを実現するために全てのキュービットが関連する制御線および／または読み出し要素を有することはないような形で設けられ得る。
【００２６】
量子情報処理システムでは、複数のビルディングブロックのそれぞれは、任意の適切な所望の方法で、複数のビルディングブロックのうちの他の１つ以上に結合することができる。好ましい実施形態では、複数のビルディングブロックの１つ以上、好ましくは全てが、それらに最も近い他のビルディングブロックに結合される。ビルディングブロックを最も近い隣に結合する構成は、表面コードなどのフォールトトレラントな量子計算スキームを実現できる単純でスケーラブルなアーキテクチャを提供するのに役立つ。
【００２７】
好ましくは、結合は、隣接するキュービットの外部電極の間の容量を含み、そのキュービットの容量は、キュービット電極の形状および／または間隔を変えることによって調整することができる。好ましくは、量子情報処理システムは、１つ以上の追加の超電導キュービットを更に備え、超電導キュービットは、隣接するキュービットの外部電極間の容量を介してなどの任意の適切な所望の方法で１つ以上のビルディングブロックに結合することができる。例えば、追加の超電導キュービットは、制御線および／または読み出し要素に結合されても、されなくてもよい。
【００２８】
量子情報処理システムにおける複数のビルディングブロックは、任意の適切かつ所望の方法で配置され得る。好ましい実施形態では、ビルディングブロックは、例えば規則的なアレイをなすように配置される。アレイのタイプは、各ビルディングブロックが結合されることが望まれる他のビルディングブロックの数によって決まるようにしてもよい。例えば、アレイは正方形アレイ（すなわち行と列をなすように配置されたキュービット）を含むことができ、その場合、各キュービットは、（例えば、最も近い隣接結合のみが使用されると仮定して）最大４つの他のキュービットに結合され得る。別の実施形態では、アレイは三角形アレイを含むことができ、その場合、各キュービットは、（例えば、最も近い隣接結合のみが使用されると仮定して）最大６つの他のキュービットに結合され得る。別の実施形態では、アレイは六角形アレイを含むことができ、その場合、各キュービットは、（例えば、最も近い隣接結合のみが使用されると仮定して）最大３つの他のキュービットに結合され得る。他の幾何形状を、適切でありかつ望ましいものとして使用することができる。
【００２９】
量子情報処理システムにおける複数のキュービットは、単一の平面、すなわち超電導電極の平面内に設けられ得る。しかしながら、キュービットの複数の平面が提供される実施形態も想定され、例えばキュービットの平面が平行になるように互いに積み重ねられ得る。
【００３０】
量子情報処理システムは、任意の適切かつ所望のキュービット数を含むことができる。一実施形態では、量子情報処理システムは、１０以上のキュービットを含み、例えば２０以上のキュービット５０以上のキュービット、または１００以上のキュービットを含み得る。
【００３１】
一実施形態では、量子情報処理システムは、複数のキュービットのうちの１つ以上で動作する、例えば１つ以上のキュービットの状態を操作するように構成された処理回路を含む。好ましくは、処理回路は、システム内のキュービットアレイ全体にわたって、１つ以上の、例えば１つ以上の高忠実度シングルおよび２キュービットの量子論理ゲートを実現するように構成される。また、好ましくは、処理回路は、アレイ内のキュービットの少なくともサブセットに対して高忠実度シングルショットキュービット測定を実施するように構成される。また好ましくは、処理回路は、１つ以上の誤り訂正方式、例えばフィードバックアルゴリズムを使用する１つ以上の誤り訂正方式を実装するように構成される。これにより、量子情報処理システムは有用な量子計算を行うことができる。
【００３２】
本発明の実施形態は、添付の図面を参照して、単なる例として以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による量子情報処理システムで使用されるビルディングブロックを示す図である。
【図２】図２は、図１に示すビルディングブロックのグループを示す図である。
【図３】図３は、図１に示すビルディングブロックのアレイを示す図である。
【図４】図４は、図１に示すビルディングブロックのアレイを示す図である。
【図５】図５は、本発明の別の実施形態による量子情報処理システムで使用されるビルディングブロックを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１は、本発明の一実施形態による量子情報処理システムに使用されるビルディングブロック１を概略的に示す。ビルディングブロック１は、２つの超電導電極３、４を有する超電導電極キュービット２と、２つの超電導電極３、４の間にあるジョセフソン接合５とを含む。２本の超電導電極３、４は、同軸で同一平面上の円形の外側超電導電極４が円形の内側超電導電極３を外囲するように設けられている。ジョセフソン接合５は、２つの超電導電極３、４の間で半径方向に延びるように配置されている。超電導電極キュービット２は、サファイアまたはシリコンのような低損失誘電体基板上での、アルミニウムのような低損失超電導電極材料の微細加工を用いて形成することができる。
【００３５】
超電導電極キュービット２の量子状態を制御するために、制御線６が超電導電極キュービット２と同軸に設けられている。制御線６は、超電導電極キュービット２の状態を設定するために、超電導電極キュービット２にマイクロ波を放射するように構成されている。
【００３６】
超電導電極キュービット２の他方の側には、いずれも超電導電極キュービット２と同軸に配置された、読み出し用の共振器７と読み出し線８が設けられる。読み出し用の共振器７は、その共振周波数が超電導電極キュービット２の状態に依存するように超電導電極キュービット２に結合するように構成されている。読み出し線８は、共振器７に放射させ、共振器７の周波数シフト、ひいては反射されたマイクロ波信号による超電導電極キュービット２の状態を測定するように構成される。
【００３７】
図２は、図１に示す３つのビルディングブロック１の直線状に配置されているグループすなわち量子情報処理システム１０を概略的に示す。超電導電極キュービット２はすべて同じ平面内にあり、したがって同じ基板上に形成することができる。共振器７は、同じ基板の裏側に、または別の基板上に形成することができる。図２には示されていないが、図４を参照して示されるように、各超電導電極キュービット２の外側超電導電極４は、最も近い隣接する超電導電極キュービット２の外側超電導電極４にキャパシタを介して接続されている。
【００３８】
図３は、正方形アレイに配置された、図１に示すような９つのビルディングブロック１のグループ２０を概略的に示す。超電導電極キュービット２はすべて同じ平面内にあり、したがって同じ基板上に形成することができる。共振器７は、同じ基板の裏側に、または別の基板上に形成することができる。図３には示されていないが、図４を参照して示されるように、各超電導電極キュービット２の外側超電導電極４は、最も近い隣接する超電導電極キュービット２の外側超電導電極４にキャパシタを介して接続されている。
【００３９】
図４は、図３に示すビルディングブロック１の平面図を概略的に示す。図からわかるように、ビルディングブロック１は、各超電導電極キュービット２の外側超電導電極４がキャパシタ９を介して、最も近い隣接する超電導電極キュービット２の外側超電導電極４に接続された正方形アレイに配置されている。
【００４０】
また、図１〜図４に示すようなビルディングブロック１を含む量子情報処理システムを実現するためには、システムは、例えば、制御線６および読み出し線８等を含む同軸ケーブルのそれぞれの端部に接続された多数の標準制御電子機器（図示せず）とともに、必要な構成要素を超電導電極温度に維持するのに必要な適切な冷却システム（図示せず）を含む。
【００４１】
動作に際して、量子情報処理システム１０または２０は、例えば、量子コンピュータの一部として提供される。制御線６は、それぞれの超電導電極キュービット２にマイクロ波放射のパルスを印加し、パルスの長さ、位相、および／または振幅は、超電導電極キュービット２の状態（すなわちキュービットの状態）を制御し、単一キュービット動作を実行するために使用される。マルチビット（例えば、２キュービット）量子論理演算は、任意の所望の方法、例えば、適切なマイクロ波パルスを制御線６に印加し、キュービット間の容量結合またはその他の結合を利用することによって達成される。超電導電極キュービット２の量子状態は、このように量子論理ゲートのシーケンスによって操作され、量子情報処理システム１０または２０を使用して計算を実行する。
【００４２】
計算が実行されると、読み出し共振器７は、例えば読み出し線８に印加されるマイクロ波信号の振幅および／または位相を測定し、読み出し共振器７をその共振周波数（この共振周波数はそれぞれの超電導電極キュービット２の状態によって決まる）に近づけて放射することによって、それぞれの超電導電極キュービット２の状態を測定するために使用される。計算が実行された後の超電導電極キュービット２の状態は、計算結果を決定するために使用することができる。
【００４３】
図５は、本発明のさらなる実施形態による量子情報処理システムで使用されるビルディングブロック２１を概略的に示す。この実施形態のビルディングブロック２１は、図１〜図４に示すビルディングブロックと同様であり、すなわち、同軸で同一平面上の外側超電導電極２４と、外側超電導電極によって囲まれた円形の内側超電導電極２３として配置された２つの超電導電極２３、２４とを有する超電導電極キュービット２２を含んでいる。
【００４４】
相違点は、超電導電極キュービット２２が、２つの超電導電極２３、２４の間に放射状に延びる２つのジョセフソン接合２５、２６を含むことである。このことにより、超電導電極キュービット２２の磁束を同調可能となる、すなわち、超電導電極キュービット２２の２つの電極の間の２つの空間を貫通する磁束を変えることによって、その遷移周波数を調整することが可能となる。
【００４５】
制御線２７は、超電導電極キュービット２２と同軸に設けられ、超電導電極キュービット２２に磁束制御を提供することができる。超電導電極キュービット２２の反対側に読み出し共振器２８と読み出し線２９が設けられ、読み出し線２９は、図１に示す実施形態では制御線６を使用して達成されている単一キュービット制御の実現のための制御線としても使用される。
【００４６】
５のビルディングブロック２１は、図１〜図４を参照して示されたビルディングブロックと同様に、図量子情報処理システムを形成するビルディングブロックのアレイの一部として構成されている。
【００４７】
図５に示すビルディングブロック２１の（量子情報処理システムの一部としての）動作は、図１〜図４に示すビルディングブロックと同様であり、すなわち制御線２７は、超電導電極キュービット２２に磁束を印加することによって、超電導電極キュービット２２の量子状態を設定するように構成されている。ビルディングブロック２１の状態（量子情報処理システム内の他のものとともに）は、操作され、続いて読み出し共振器２８および読み出し線２９を用いて測定される。
【００４８】
したがって、本発明のビルディングブロックおよび量子情報処理システムは、電導キュービットの超電導電極は単一方向に沿っていないので、線形形状を有する超電導電極キュービットと比較してビルディングブロックの均一な電磁場への電磁結合を大幅に低減するのに役立つことが理解されよう。したがって、ビルディングブロックは、電磁環境から効果的に隔離され、これがキュービットのコヒーレンス時間を長くするのに役立つ。
【００４９】
また、超電導電極キュービットの２つの超電導電極の平面に対して制御線と読み出し要素が平面外に配置された量子情報処理システムのビルディングブロックを提供することにより、複数のビルディングブロックを含む量子情報処理システムのトポロジーは、ビルディングブロック（キュービット）の数と同じ方法で拡大縮小することができる、ということも理解されよう。
【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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