(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導マイクロ波空胴であって、
異なる高さのポストのアレイであって、前記ポストのアレイは各々、局在化されたマイクロ波モードをサポートし、前記ポストのアレイは、低共振周波数ポスト及び高共振周波数ポストを含み、前記高共振周波数ポストは、前記低共振周波数ポストのまわりに配置された、ポストのアレイと、
第１のプレートと、
前記第１のプレートに対向する第２のプレートと、
を備え、
前記第１のプレートおよび前記第２のプレートは超伝導材料で作られ、
前記ポストのアレイ内の前記低共振周波数ポストの一端は、前記第２のプレートに電気的に接続するように前記第２のプレート上に位置決めされ、
前記ポストのアレイ内の前記低共振周波数ポストの他端は、前記前記第１のプレートとの電気的接続を形成しないように開放され、
量子ビットが、前記ポストのアレイ内の前記低共振周波数ポストに接続され、前記量子ビットの各々は、前記ポストのアレイ内の前記低共振周波数ポストの１つ又は２つに物理的に接続されるようになっている、
空胴。
【請求項２】
前記ポストは超伝導材料または常伝導金属で構築される、請求項１に記載の空胴。
【請求項３】
前記第１のプレートは、前記ポストのアレイ内の前記低共振周波数ポストのそれぞれ上方にポートを含み、前記ポートは、前記量子ビットに結合し、これを駆動し、及びこれを測定するように構成される、請求項１又は請求項２に記載の空胴。
【請求項４】
前記高共振周波数ポストは、両端が短絡されており、前記高共振周波数ポストの第１の端が前記第１のプレートに短絡され、第２の端が前記第２のプレートに短絡される、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の空胴。
【請求項５】
前記高共振周波数ポストは、前記ポストのアレイ内の前記低共振周波数ポストのモード局在化を提供するように構成される、請求項４に記載の空胴。
【請求項６】
前記量子ビットは、超伝導量子ビット、半導体スピン量子ビット、光学的にトラップされたイオン、及び結晶の不純物中心のうちの少なくとも１つである、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の空胴。
【請求項７】
前記量子ビットは、同じ格子上の異なるタイプのものである、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の空胴。
【請求項８】
前記量子ビットの各々は、それ自体の読出し共振器をそれぞれ組み込む、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の空胴。
【請求項９】
前記読出し共振器は、前記第２のプレートを通して形成された円筒形共振器の中に延び、前記円筒形共振器は、前記量子ビットの各々の下にそれぞれ位置決めされて前記読出し共振器を受け入れる、請求項８に記載の空胴。
【請求項１０】
前記ポストのアレイが正方形の格子を形成する、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の空胴。
【請求項１１】
前記ポストのアレイが三角形の格子を形成する、請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の空胴。
【請求項１２】
前記量子ビットの格子は、量子誤り訂正コードを実行するように構成される、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の空胴。
【請求項１３】
ポストのアレイは、０．７５ＧＨｚから１５０ＧＨｚまでの共振モードをサポートすることに対応する、長さ０．５ｍｍと１００ｍｍとの間の異なる高さを有する、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の空胴。
【請求項１４】
前記ポストのアレイ内の前記低共振周波数ポスト間の分離距離は、前記低共振周波数ポストの高さより小さい、請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の空胴。
【請求項１５】
超伝導マイクロ波空胴を構成する方法であって、
異なる高さのポストのアレイを設けることであって、前記ポストのアレイは各々、局在化されたマイクロ波モードをサポートし、前記ポストのアレイは、低共振周波数ポストと、前記低共振周波数ポストのまわりに配置された高共振周波数ポストとを含む、ポストのアレイを設けることと、
第１のプレートを第２のプレートに対向して構成することであって、前記第1のプレート及び前記第2のプレートは超伝導材料を含んで構成することと、
前記ポストのアレイ内の前記低共振周波数ポストの一端を、前記第２のプレートに電気的に接続されるように前記第２のプレート上に位置決めすることと、
前記ポストのアレイ内の前記低共振周波数ポストの他端を、前記第１のプレートに対する電気的接続を形成しないように開放するように位置決めすることと、
量子ビットを前記ポストのアレイ内の前記低共振周波数ポストに接続して、前記量子ビットの各々が前記ポストのアレイ内の前記低共振周波数ポストの１つ又は２つに物理的に接続されるようにすることと、
を含む、方法。
【請求項１６】
前記ポストのアレイは、標準機械加工技術、標準ミクロ機械加工技術、及び３Ｄ印刷のうちの少なくとも１つを用いて製作される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
超伝導マイクロ波空胴であって、
側壁で接続された上部プレートと底部プレートとを含む筐体と、
前記筐体内の低共振周波数ポスト及び高共振周波数ポストを含むポストのアレイと、
前記低共振周波数ポストに接続された量子ビットであって、前記量子ビットの各々が、前記ポストのアレイ内の前記低共振周波数ポストの１つ又は２つに物理的に接続されるようになっている、量子ビットと、
を備え、
前記上部プレート、前記底部プレート、及び前記側壁が超伝導材料で作られ、
前記低共振周波数ポストの一端は、前記底部プレートに電気的に接続するように前記底部プレート上に位置決めされ、一方、前記低共振周波数ポストの他端は、前記上部プレートとの電気的接続を形成しないように開放され、
前記高共振周波数ポストは、両端が短絡されており、前記高共振周波数ポストの第１の端が前記上部プレートに短絡され、第２の端が前記底部プレートに短絡され、
前記上部プレートは、前記低共振周波数ポストのそれぞれ上方にポートを含み、前記ポートは、前記量子ビットに結合し、これを駆動し、及びこれを測定するように構成される、
空胴。
【請求項１８】
前記高共振周波数ポストは、前記低共振周波数ポストのまわりに配置される、請求項１７に記載の空胴。
【請求項１９】
前記量子ビットの各々は、それ自体の読出し共振器をそれぞれ組み込む、請求項１７又は請求項１８に記載の空胴。
【請求項２０】
前記読出し共振器は、前記底部プレートを通して形成された円筒形共振器の中に延び、前記円筒形共振器は、前記量子ビットの各々の下にそれぞれ位置決めされて前記読出し共振器を受け入れる、請求項１９に記載の空胴。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導技術に関し、より詳細には、共振器のアレイを形成する超伝導空胴のためのアーキテクチャに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子コンピューティングは、情報を格納するための量子ビットと呼ばれる共振構造体と、量子ビットの読出し及び操作のための共振器（例えば二次元（２Ｄ）導波路として又は三次元（３Ｄ）マイクロ波空胴として）とを使用する。今日まで、主たる焦点は、量子ビットがデコヒーレンスに至って情報が失われる前に計算（すなわち操作及び読出し）を行うことを可能にするために、量子ビットの寿命を改善することに向けられてきた。現在、量子ビットのコヒーレンス時間は、１００ミリ秒ほどの長さにまですることができており、コヒーレンス時間を延長する努力が行われている。超伝導３Ｄ空胴は、整列して空胴の壁を構築するポケットを有する２つの金属部品を嵌合することによって作ることができる。空胴は、銅で作ることができ、銅は希釈冷凍機温度であっても常伝導金属（ｎｏｒｍａｌ  ｍｅｔａｌ）のままであるので、これは全ての共振モードのＱ因子をおよそ１０，０００に制限する。同じ種類のアルミニウム空胴は、種々の洗浄、機械加工、及び材料特性に応じて、１００万から５０００万までの範囲のＱ因子を生成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０２６４２８３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、超伝導マイクロ波共振器空胴及びそれを構成する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの実施形態によれば、超伝導マイクロ波空胴が提供される。空胴は、低共振周波数ポスト及び高共振周波数ポストを含む、異なる高さのポストのアレイを含む。アレイ内の各ポストは、局在化されたマイクロ波モードをサポートする。高共振周波数ポストは、低共振周波数ポストのまわりに配置される。空胴は、第１のプレートと、第１のプレートに対向する第２のプレートとを含む。ポストのアレイ内の低共振周波数ポストの一端は、第２のプレートに電気的に接続するように第２のプレート上に位置決めされる。ポストのアレイ内の低共振周波数ポストの他端は、第１のプレートとの電気的接続を形成しないように開放される。量子ビットがポストのアレイ内の低共振周波数ポストに接続され、量子ビットの各々は、ポストのアレイ内の低共振周波数ポストの１つ又は２つに物理的に接続されるようになっている。
【０００６】
１つの実施形態によれば、超伝導マイクロ波空胴を構成する方法が提供される。この方法は、異なるポストのアレイを設けることを含む。ポストのアレイは、局在化されたマイクロ波モードを各々がサポートする、低共振周波数ポスト及び高共振周波数ポストを含む。高共振周波数ポストは、低共振周波数ポストのまわりに配置される。この方法は、第１のプレートを第２のプレートに対向して構成することと、ポストのアレイ内の低共振周波数ポストの一端を、第２のプレートに電気的に接続されるように第２のプレート上に位置決めすることとを含む。この方法は、ポストのアレイ内の低共振周波数ポストの他端を、第１のプレートに対する電気的接続を形成しないように開放するように位置決めすることと、量子ビットをポストのアレイ内の低共振周波数ポストに接続して、量子ビットの各々がポストのアレイ内の低共振周波数ポストの１つ又は２つに物理的に接続されるようにすることとを含む。
【０００７】
１つの実施形態によれば、超伝導マイクロ波空胴が提供される。空胴は、側壁で接続された上部プレートと底部プレートとを含む筐体と、筐体内の低共振周波数ポスト及び高共振周波数ポストを含むポストのアレイとを含む。また、空胴は、低共振周波数ポストに接続された量子ビットを含み、量子ビットの各々は、ポストのアレイ内の低共振周波数ポストの１つ又は２つに物理的に接続されるようになっている。低共振周波数ポストの一端は、底部プレートに電気的に接続するように底部プレート上に位置決めされ、一方、低共振周波数ポストの他端は、上部プレートとの電気的接続を形成しないように開放される。高共振周波数ポストは、両端が短絡されており、高共振周波数ポストの第１の端が上部プレートに短絡され、第２の端が底部プレートに短絡されるようになっている。上部プレートは、低共振周波数ポストのそれぞれ上方にポートを含み、ポートは、量子ビットに結合し、これを駆動し、及びこれを測定するように構成される。
【０００８】
付加的な特徴及び利点は、本発明の技術を通じて実現される。本発明の他の実施形態及び態様は、本明細書で詳細に説明され、特許請求される発明の一部とみなされる。本発明を利点及び特徴と共により良く理解するために、説明及び図面を参照する。
【０００９】
本発明とみなされる主題は、本明細書の結論部にある特許請求の範囲において具体的に指摘され明確に特許請求される。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付の図面との関連で解釈される以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態による、量子ビット及び側壁を除いた、超伝導マイクロ波共振器空胴の斜視図である。
【図２】実施形態による、上部プレートを除いた、超伝導マイクロ波共振器空胴の平面図である。
【図３】実施形態による、低共振周波数ポストに関連付けられた電場の計算を示す、超伝導マイクロ波共振器空胴の概念図である。
【図４】実施形態による超伝導マイクロ波共振器空胴の態様の概念図であり、図４（Ａ）は、高共振周波数ポストと低共振周波数ポストと量子ビットとの小ピッチの量子ビットアレイのモデルを示し、図４（Ｂ）は、低及び高共振周波数ポストを省いて量子ビットの配置のみを示した略図である。
【図５】実施形態による、低共振周波数ポストの上方の入力ポートを示す、例示的な超伝導マイクロ波共振器空胴の断面図である。
【図６】実施形態による超伝導マイクロ波共振器空胴の略図である。
【図７】実施形態による、低共振周波数ポストに垂直に取り付けられた量子ビットを示す、超伝導マイクロ波共振器空胴の略図である。
【図８】実施形態による、低共振周波数ポストの所与の量子ビットに対する結合強度が低共振周波数ポスト間のポスト間分離によって制御されることを示す、超伝導マイクロ波共振器空胴の略図である。
【図９】実施形態による超伝導マイクロ波共振器空胴の１つの実装の詳細を示す。
【図１０】表面コード誤り訂正スキームのための量子ビットの正方形アレイのセクションを示す。
【図１１】図１０に示す格子の共振器ベースの実装を示す。
【図１２】図１１の量子ビット−共振器ネットワークを、実施形態による本開示の特徴を用いて実装することができることを示す。
【図１３】実施形態による超伝導マイクロ波共振器空胴を構成する方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施形態によれば、複数の量子ビットの容易な結合を可能にし、長いコヒーレンス時間を保ち、量子ビットのフットプリントを（例えば１００倍まで）削減し、従来の機械加工又はミクロ機械加工が適用可能な、超伝導マイクロ波共振器空胴の新規な３Ｄアーキテクチャが開発された。
【００１２】
図１は、超伝導マイクロ波共振器空胴１００の斜視図を示し（量子ビット４０は示さない）、図２は、実施形態による空胴１００の（取外し可能な上部プレート２５を除去した状態の）平面図を示す。空胴１００は、共振器（例えば、λ／２共振器）としての高い共振周波数ポスト１０（斜線）と、共振器（例えば、λ／４共振器）としての低共振周波数ポスト２０（網点）とを含む。高い共振周波数と低共振周波数とのネットワークパターンは、説明目的で単に示したものである。空胴１００は、取外し可能な上部プレート２５と、底部プレート３０とを示すが、図１及び図２において側壁は示されていない。側壁３５は、図３で示される。取外し可能な上部プレート２５、底部プレート３０、高い共振周波数ポスト１０、低共振周波数ポスト２０、及び側壁３５は、全て超伝導材料（例えば、ニオブ、アルミニウム、ニオブチタン、スズめっき銅、窒化チタンめっき銅、窒化チタン、窒化ニオブ、及びタンタルなど）で作られる。１つの事例において、材料は、銅などの非超伝導材料とすることができる。
【００１３】
実施形態は、異なる周波数の同軸共振器ポスト１０及び２０の２つの相互貫入するアレイを備えた超伝導マイクロ波共振器空胴構造体１００を提供する。λ／４共振器ポスト２０のアレイは、種々の低共振周波数を有し、個々の量子ビット４０を制御及び読出しトーンでアドレス指定する。λ／２共振器ポスト１０のアレイは、高い共振周波数を有し、空胴１００内でマイクロ波モードが長距離伝搬することを阻止する役割を果たす。高共振周波数（ｈｉｇｈｅｒ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）及び低共振周波数（ｌｏｗｅｒ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）という用語が本明細書で使用される。高（ｈｉｇｈｅｒ）／高い（ｈｉｇｈ）共振周波数ポスト１０の全てが、低（ｌｏｗｅｒ）／低い（ｌｏｗ）共振周波数ポスト２０の共振周波数より高い共振周波数を有することに留意されたい。
【００１４】
３Ｄ量子ビット４０は、低共振周波数ポスト２０の間に懸架される。例えば、量子ビット４０は、量子ビット４０を支持するポスト２０内のスロットによって所定位置に保持されることができる。１つの実施形態において、量子ビットチップ４０の両端は、低共振周波数ポスト２０に切り込まれたスロットの底に載置され、インジウムと共に所定位置に保持される。放射線の波長と同等である必要があるのは低共振周波数ポスト２０の１つの次元だけなので、量子ビット密度を標準３Ｄアーキテクチャよりもかなり大きくすることができる。標準３Ｄ空胴共振器は、波長と同等の２つの次元と１つの短い次元とを有する箱（又は波長と同等の半径を有する円筒形空胴）である。しかしながら、実施形態によれば、低共振周波数ポスト２０では、波長と同等にすべきなのは高さ（のみ）である。したがって、量子ビット密度は、実施形態において、標準３Ｄアーキテクチャと対照的により密にすることができ、実施形態においてポスト間分離は任意である。
【００１５】
低共振周波数（共振器）ポスト２０及び／又は高共振周波数ポスト１０は、同軸ポスト（例えば、同軸ケーブル）とすることができる。さらに、この空胴１００内の量子ビット４０（例えば、３Ｄトランスモン量子ビット）は、長いコヒーレンス時間を有することができる。量子ビットのコヒーレンス時間は、Ｔ２で表される。量子ビットの緩和時間は、Ｔ１で表される。高及び低周波数共振器ポスト１０及び２０は、１つの実装において超伝導材料で構築することができる。別の実装において、高及び低周波数共振器ポスト１０及び２０は、銅などの常伝導金属（例えば非超伝導材料）で構築することができる。
【００１６】
低共振周波数ポスト２０は、量子ビット４０に局所的に結合される。高い共振周波数ポスト１０は、２つ又はそれより多くの個々の低共振周波数ポスト２０間の結合を阻止する。高い共振周波数ポスト１０は、低共振周波数ポスト２０の各々をそれ自体のモードで保持する（すなわち、各低共振周波数ポスト２０は、それ自体の低共振周波数を有する）。高い共振周波数ポスト１０は、低共振周波数ポスト２０が近くの低共振周波数ポスト２０と共振することを阻止する。具体的には、高い共振周波数ポスト１０は、低共振周波数ポスト２０が他の低共振周波数ポスト２０のいずれか／全てと結合することを防止する。各低共振周波数ポスト２０の共振周波数を別の低共振周波数ポスト２０との結合から隔離することに加えて、高い共振周波数ポスト１０は、上部プレート２５及び底部プレート３０に接続する（並びにこれらを機械的に支持する）。
【００１７】
実施形態によれば、図３は、低共振周波数ポスト２０（λ／４）の１つに関連付けられた電場（矢印で示す）の計算を示す、空胴１００の概念図であり、これは低共振周波数ポスト２０（λ／４）のモード局在化を示す。図３は、この３Ｄアーキテクチャの特定の実装の描画である。図３において、各低共振周波数ポスト２０は、共振器を形成し、これが量子ビット４０（分かりやすくするために図３には示していない）に結合することができる。量子ビット４０は、低共振周波数ポスト２０間に置くことができ、各量子ビット４０は、その量子ビット４０が直接隣接した低共振周波数ポスト２０のモードにのみ強く結合する。
【００１８】
上記のように、低共振周波数ポスト２０は、基部プレート３０に短絡された一端を有し、低共振周波数ポスト２０の他端は、自由空間に開放されている（すなわち空胴１００内に開放されている）。これらの低共振周波数ポスト２０（λ／４共振器を形成する）は、大まかにｃ／４ｄで与えられる低い共振周波数を有し、ここでｃは光速であり、ｄは低共振周波数ポスト２０の高さである。長い高共振周波数ポスト１０は、密閉された空胴１００の基部プレート３０及び上部プレート２５に短絡された両端を有する。これらのプレート２５及び３０は、同軸共振器内で遮蔽の概念的役割を果たす。実施形態において、長い高共振周波数ポスト１０（λ／２共振器を形成する）は、ｃ／２ｈで与えられる高い共振周波数を有し、ここでｈは空胴１００の高さである。短い低共振周波数ポスト２０が空胴１００の高さの少なくとも半分であれば、長い高共振周波数ポスト１０は、それに応じて、短い低共振周波数ポスト２０よりも高い共振周波数を有することになる。高い共振周波数ポスト１０は、短い低共振周波数ポスト２０のモードが良好に局在化された状態を保持して、個々の量子ビット４０のアドレス指定能力（ａｄｄｒｅｓｓａｂｉｌｉｔｙ）を可能にする。この特定の低共振周波数ポスト２０のモード（共振周波数）のこの局在化は、図３において、この特定の低共振周波数ポスト２０について電場矢印の局在化を理論的に示す。
【００１９】
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、実施形態による空胴１００の態様の概念図を示す。図４（Ａ）は、高共振周波数ポスト１０と、低共振周波数ポスト２０と、低共振周波数ポスト２０に接続された量子ビット４０との、小ピッチの量子ビットアレイのモデルを示す。図４（Ｂ）は、量子ビット４０の配置のみを、低共振周波数ポスト２０に対する取付けを省き、高共振周波数ポスト１０を省いて示す略図である。
【００２０】
高共振周波数ポスト１０の高さ及び低共振周波数ポスト２０の高さのみが、そのそれぞれの共振器周波数を制御することに留意されたい。したがって、製作を容易にし、量子ビット４０に対して結合するモードにおける電場の大きさを制御し、及び／又はデバイスをスケール変更するために、高共振周波数ポスト１０及び低共振周波数ポスト２０の直径及び分離を任意に選択することができる。図４は、（ポスト１０及び２０の）ポストアレイ内の量子ビット４０を示す。図４（Ａ）において、読出し及び制御のために各量子ビット４０の下に付加的な円筒形共振器３０５を機械加工することもできる。円筒形共振器３０５は、底部プレート３０を通って量子ビット４０にほぼ達するまで延びる。読出し及び制御のために、円筒形共振器３０５は、マイクロ波パルスがその上方の個々の量子ビット４０に方向付けられることを可能にし、この共振器３０５の周波数を測定することは、その上方の量子ビット４０のみの状態を測定することに対応する。具体的には、量子ビット（共振）周波数で適用されるマイクロ波パルス／トーンが、（対応する円筒形共振器３０５の上方の）特定の量子ビット４０を操作し、一方、円筒形共振器３０５の共振周波数付近で適用されるマイクロ波パルスが、量子ビット４０を測定する。
【００２１】
円筒形共振器３０５は、円筒形共振器３０５の中央を通って上に延びるピンを有する。ピンは、量子ビット４０の近くまで来るが量子ビット４０には触れない。各ピン及び／又は円筒形共振器３０５は、量子ビット４０に容量結合することができる。１つの実装において、量子ビット４０からピンまでの距離は、量子ビット４０のサイズのおよそ１／１０とすることができる。円筒形共振器３０５及びピンは、アルミニウム及びニオブなどの超伝導材料で作ることができる。別の事例において、円筒形共振器３０５及びピンは、銅で作ることができる。１つの事例において、ピンは、誘電体プラグで空胴の縁に固定することができる。例示的な実装は、サブミニチュア・プッシュオン（ＳＭＰ）コネクタの中心ピンである。
【００２２】
円筒形共振器３０５は、簡単にするために図４（Ｂ）には示されていない。簡潔にするために図示されていないが、低共振周波数ポスト２０は、各量子ビット４０の端のところに位置決めされ、各量子ビット４０が各端で２つの低共振周波数ポスト２０に接続（取付け及び接触）されるようになっている。すなわち、量子ビット４０の一方の水平端が１つの低共振周波数ポスト２０に接続され、他方の水平端が異なる低共振周波数ポスト２０に接続される。量子ビット４０を垂直方向に低共振周波数ポスト２０を上って動かすことは、取り付けられた低共振周波数ポスト２０に対する量子ビット４０の結合を増大させることに留意されたい。逆に、量子ビット４０を垂直方向に低共振周波数ポストを下がって動かすことは、取り付けられた（２つの）低共振周波数ポスト２０に対する量子ビット４０の結合を低減させる。
【００２３】
図５は、実施形態による例示的な空胴１００の断面図であり、低共振周波数ポスト２０の上方の入力ポート４０５は、（低共振周波数ポスト２０の）それぞれのモードに選択的に結合することができる。図５は、上部プレート２５内に配置された、それ自体の低周波数共振器ポスト２０に個々に結合する入力ポート４０５を示す。外部Ｑ因子Ｑｅによって測定される結合強度は、当業者に理解されるいずれかの方式で入力ポート４０５を変更することによって制御することができる。入力ポート４０５の各々は、それぞれの低共振周波数ポスト２０の上方にある個々のマイクロ波シリンダコネクタ４１０への（上部プレート２５内の）入口である。最も左側の入力ポート４０５は、断面図で示されており、入力ポート４０５内のより大きい延長部４２０を示す。
【００２４】
個々のマイクロ波シリンダコネクタ４１０は、個々の低共振周波数ポスト２０に容量結合する。図５において、幾つかの量子ビット４０は、この図面の頁の内外方向に延びて、別の低共振周波数ポスト２０と接続することに留意されたい。
【００２５】
図５において、高共振周波数ポスト１０は、空胴１００の側壁３５として実装される。側壁３５は、５つ以下の低共振周波数ポスト２０が利用されている場合に、低共振周波数ポスト２０のモードを局在化するように機能する。例えば、（高共振周波数ポスト１０として機能する）側壁３５は、低共振周波数ポスト２０が他の共振周波数ポスト２０と結合することを防ぐ。
【００２６】
図６は、実施形態による空胴１００の略図を示す。図６は、説明を簡単にするために単一の量子ビット４０だけの例を示すが、本例は複数の量子ビット４０にも適用されることが理解されるであろう。図６は、量子ビット４０を低共振周波数ポスト２０に対して平行に付加することができることを示す。平行な位置決めは、量子ビット４０の長さ（最も長い方向）が空胴内で垂直方向に向けられることを示す。実施形態によれば、図７は、結合強度の必要性及び／又は幾何学的拘束条件に依存して場の勾配が最大である先端部において低共振周波数ポスト２０に対して垂直な量子ビット４０を示す略図である。具体的には、図７は、低共振周波数ポスト２０のみを示し、一方、高共振周波数ポスト１０が図５で論じたように空胴１００の側壁内に実装された、例示的な実施形態である。
【００２７】
実施形態によれば、空胴１００のパラメータは、容易に調整することができる。例えば、図８は、所与の量子ビット４０（図示せず）に対する低共振周波数ポスト２０の結合強度が共振器モードにおける電場の強度を制御する低共振周波数ポスト２０間のポスト間分離Ａによって制御されることを示す、空胴１００の略図である。このポスト間分離Ａは、最短ポストの長さよりも小さく（すなわち低共振周波数ポスト２０の長さよりも小さく）される。量子ビットと共振器との間の結合強度は、典型的には共振器の電場と量子ビットの有効双極子モーメントとのドット積として定量化され、量子ビットの存在が共振器の周波数を摂動させる度合いに影響を与える。
【００２８】
別のパラメータとして、（低共振周波数ポスト２０の）共振器モードの外部Ｑ因子は、低共振周波数ポスト２０の上部と入力ポート４０５との間の間隙Ｇによって制御される。間隙Ｇが大きいほど、外部Ｑ因子は大きい。外部Ｑ因子は、当業者に理解されるように、共振器が環境への結合によってエネルギーを損失する速度に対する共振器周波数の比であり、それゆえ、より大きい外部Ｑ因子は、より弱い外部結合強度に対応する。共振器モードの共振周波数は、低共振周波数ポスト２０の長さＬによって制御される。
【００２９】
低共振周波数ポスト２０の共振周波数の隔離は、高共振周波数（λ／２）ポスト１０の共振周波数によって制御される。
【００３０】
図８は、筐体が、上部プレート２５、底部プレート３０、及び側壁３５を含むことを示し、その各々は、１つの実装において超伝導材料で作られる。存在していることは理解されるが、簡単にするために、低共振周波数ポスト２０に接続されている量子ビット４０は図示せず、量子ビット４０の直下に（図４（Ａ）、図５及び図９に示すように）位置合わせされた円筒形共振器３０５は図示していない。分かりやすくするために省いているが、上部プレート２５は、（図５に示すように）低共振周波数ポスト２０の直上に入力ポート４０５を含むことが理解される。
【００３１】
図９は、実施形態による超伝導マイクロ波共振器空胴１００の１つの実装の詳細を示す。超伝導マイクロ波共振器空胴１００の略した一部のみが示されている。本明細書で論じるように、各量子ビット４０は、２つの低共振周波（λ／４）数ポスト２０に取り付けられ、その一方で、高共振周波数（λ／２）ポスト１０は、低共振周波数（λ／４）ポスト２０のまわりに位置決めされる。図９は、底部プレート３０を、底部プレート３０内の円筒形穴８５０の内側の切取り図と共に示す。量子ビット４０は、基板８１０上に形成されたトランスモン８０５を有するチップである。基板８１０は、サファイア、シリコン等とすることができる。円筒形穴８５０の直上に位置決めされた量子ビット４０の読出しのための微細加工マイクロストリップ共振器８１５（すなわち、読み出し共振器）を、基板８１０に取り付け、又はその上に形成することができる。基板８１０の一部は、円筒形穴８５０の中へ下に延び、この部分が微細加工マイクロストリップ共振器８１５を収容する。基板８１０の他の部分は、円筒形穴８５０の（中ではなく）上方にあり、この部分がトランスモン８０５を収容する。微細加工マイクロストリップ共振器８１５は、円筒形共振器３０５内の中央部品と同じ役割を果たす。
【００３２】
トランスモン８０５は、超伝導電荷量子ビットの１つのタイプであり、電荷ノイズに対する感度が低くなるように設計されている。その名称は、伝送ライン分路プラズマ振動量子ビット（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｌｉｎｅ  ｓｈｕｎｔｅｄ  ｐｌａｓｍａ  ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ  ｑｕｂｉｔ）という用語の略称である。トランスモンは、電荷エネルギーに対するジョセフソン・エネルギーの比を増大させることによって、電荷ノイズに対するその感度の低減を達成する。トランスモン８０５は、図９の量子ビット４０内に明示的に示されている。トランスモン８０５は、他の図の他の量子ビット４０内にも存在することは理解されるが、他の図では分かりやすくするためにトランスモン８０５の明示的な識別は省略されている。
【００３３】
図９は、単一の円筒形穴の中に延びた単一の量子ビット４０のみを示しているが、多数の量子ビット４０がそれ自体の個々の円筒形穴８５０の中にそれぞれ延びていることが理解される。
【００３４】
フォールト・トレラントな量子コンピューティングとの関連で、本実施形態は、表面コードなどの量子誤り訂正スキームの実装のために利用することができる。従来技術において、表面コード量子誤り訂正スキームは、図１０に示すように、各量子ビットをその４つの最隣接量子ビットに結合する能力を必要とする。このパラダイムにおいて、「データ」量子ビット９０５（縦縞模様）は、所望の計算を実行するために用いられ、一方、網点模様の「アンシラ（ａｎｃｉｌｌａ）」量子ビット９１０及び横縞模様の「アンシラ」量子ビット９２０は、データ量子ビット９０５とエンタングルし、それぞれビット反転誤り及び位相反転誤りを検出するようになっている。図１１は、各データ量子ビット９０５を２つの「バス」共振器９２５に結合することを伴う、要求される接続性を実装するための従来技術の手法であり、バス共振器の各々がそれに接続された４つの量子ビット間の相互作用を媒介する。各量子ビットは、この構成において有効には６つの最隣接（すなわち、２つのバス共振器９２５の各々に結合した他の３つの量子ビット）を有するが、そのうちの４つにのみ結合することを必要とすることに留意されたい。この配置に関するさらなる詳細は、特許文献１で見いだすことができる。
【００３５】
図１０は、表面コード誤り訂正スキームに利用される量子ビットの正方形アレイのセクションを示す。上記のように、縦縞模様の量子ビット９０５は、データ量子ビットを表す。網点模様の量子ビット９１０及び横縞模様の量子ビット９２０は、取り囲む４つのデータ量子ビットのＸ／Ｚパリティをチェックするためのアンシラ量子ビットを表す。ライン９３０は、エンタングリング演算によって結合することができる量子ビット対を接続する。正方形９５０は、単一のパリティチェック「プラケット（ｐｌａｑｕｅｔｔｅ）」を示し、その中の数字は、アンシラ量子ビット９２０（中央）と取り囲む４つのデータ量子ビット９０５との間のエンタングリング演算の順番を示す。通常の演算中、この演算サイクルがあらゆるプラケット９５０上で同時に実行される（ここには他のプラケット９５０が存在することが理解される）。例示的なエンタングリング演算は、制御ＮＯＴゲート（ＣＮＯＴ）であり、これは、「ターゲット」量子ビットの状態を、「制御」量子ビットが｜１＞状態にあるときかつそのときのみ反転させるものであり、ここでは、この演算(制御ＮＯＴゲート（ＣＮＯＴ）)は、一端に制御量子ビットを示す黒丸(●)を有し、他端にターゲット量子ビットを示す丸で囲まれた交差（ｃｉｒｃｌｅｄ  ｃｒｏｓｓ:○含まれた＋）を有する実線で表される。図１１は、図１０に示す格子の共振器ベースの実装を示す。図１１において、各量子ビットは、ここでは太線（又は矩形）で示された最隣接の２つのバス共振器９２５に結合する。正方形は、ここでも、２つのバス９２５を介して全部で４つのデータ量子ビット９０５に結合した中央のアンシラ量子ビット９２０から成る単一のプラケット９５０を強調表示している。
【００３６】
この様式で結合された量子ビットのネットワークを想定すると、誤り訂正は、以下の演算の組を５量子ビットのプラケット９５０の各々に対して同時に繰返し実行することによって達成される。
【００３７】
１）アンシラを｜０＞状態に準備する。今日まで、これは典型的には量子ビットがそれ自体緩和するまで待つことによって達成されてきたが、高忠実度の測定及びフィードバックでは、単に量子ビットの状態を測定し、次いで、それを｜０＞状態に戻す必要がある場合に制御パルスを適用することも可能である。
【００３８】
２）アンシラをその４つの隣接データ量子ビットとエンタングルさせる。超伝導量子ビットの場合、エンタングリング・ゲートの例は、交差共振（ｃｒｏｓｓ−ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）及び共振器誘導位相ゲートを含む。アンシラ（すなわち、実装の詳細に応じて「網点模様」又は「横縞」のもの）の半数は、エンタングリング・ゲートの前後にそれらに適用されるアダマール（Ｈａｄａｍａｒｄ）ゲートを有すべきである。
【００３９】
３）アンシラの状態を測定する。この文書において、各量子ビットは、それを介して量子ビットの状態を読み出すことができる第３の共振器にも結合していると想定される。（本明細書で論じる実施形態は、各量子ビットのための読出し共振器の追加に適合したものとすべきであることに留意されたい）
【００４０】
４）最も可能性が高い誤りの組を判定する。このステップは、古典的グラフ・マッチング・アルゴリズムの使用を伴うことが予想される。しかしながら、詳細は、この文書の範囲を超える。
【００４１】
５）必要に応じて訂正を適用する。前のステップから推論された誤りを訂正する必要に応じて、量子ビット制御パルスを調整する。
【００４２】
６）単一量子ビット及び２量子ビット（エンタングリング）ゲートの忠実度が特定の閾値より上であると想定すると、未訂正の誤りの率は、このアルゴリズムを実行する回路のサイズ（すなわち量子ビットの数）の関数として強力に抑制されることが示された。このアルゴリズムは、フォールト・トレラントな「論理」量子ビットを不完全な物理的量子ビットから構築することを簡単に可能にすることに留意されたい。このようなシステム上で論理演算を実行するための可能な方法は、この文書の範囲を超える。
【００４３】
実施形態によれば、図１２は、図１１の量子ビット−共振器ネットワークそのものを、本開示の特徴を用いて実装することができることを示しており、λ／４共振器２０は、隣接する量子ビット４０を結合するバスとして働く。図１２の点線のボックス１０５０の内側のネットワークに対応する５つのλ／４共振器２０と４つの量子ビット４０とを含む概念実証デバイスを生成し、特徴付けた。測定された量子ビット及び共振器パラメータは、過去の測定及びシミュレーションから予測された範囲内であり、この実施形態が意図したとおりに機能することを証明している。図７の概念実証デバイスは、筐体のアルミニウム側壁３５がλ／２共振器１０と同じ機能を行う、すなわちモードを局在化してクロストークを低減するので、λ／２共振器１０を省いたものであることに留意されたい。しかしながら、より大型のデバイスはいずれも、別の実装においてλ／２共振器１０を必要とし得る。
【００４４】
図１２に戻ると、模式図は、本開示を用いて量子誤り訂正に適した量子ビット−共振器ネットワークを実装するやり方を示す。λ／４共振器２０は、量子ビット４０を互いに結合するバス共振器として働き、一方、λ／２共振器１０は、クロストークを低減するように働く。量子ビットは、データ量子ビット４０Ａ、アンシラ量子ビット４０Ｂ（Ｘパリティチェックに利用される）及びアンシラ量子ビット４０Ｃ（Ｚパリティチェックに利用される）として描かれている。
【００４５】
図７の概念実証デバイスは、表面コードによる誤り訂正を実証するには小さすぎるかもしれないが、Ｘ及びＺパリティチェック演算を実証するために用いることができ、次にこれが完全な誤り訂正実証のために利用される。２Ｄ共面アーキテクチャ内の超伝導量子ビットデバイス上の単一パリティチェック演算の詳細は、従来技術で報告されている。同様の実証を図７の概念実証デバイスを用いて行うことができる。
【００４６】
本明細書で説明される例示的な適用は、本開示を用いてどのようにして量子誤り訂正を行うことができるかの一例に過ぎないことに留意されたい。これはまた、既存の、又は未だ設計されていないその他の誤り訂正スキームを実装するためにも、並びに、他の目的のためにも有用であり得る。
【００４７】
図１３は、実施形態による超伝導マイクロ波空胴１００を構成する方法を示す。
【００４８】
ブロック１１０５において、異なる高さのポストのアレイが設けられ、ポストのアレイは各々、局在化されたマイクロ波モードをサポートし、ここでポストのアレイは、低共振周波数ポスト２０及び高共振周波数ポスト１０を含む。
【００４９】
ブロック１１１０において、第１のプレート（例えば上部プレート２５）が第２のプレート（例えば底部プレート３０）に対向して構成される。
【００５０】
ブロック１１１５において、ポストのアレイ内の低共振周波数ポスト２０の一端は、第２のプレート３０に電気的に接続されるように第２のプレート３０の上に位置決めされる。
【００５１】
ブロック１１２０において、ポストのアレイ内の低共振周波数ポスト２０の他端は、第１のプレート２５に対する電気的接続を形成しないように開放される。
【００５２】
ブロック１１２５において、量子ビット４０がポストのアレイ内の低共振周波数ポスト２０に接続され、ポストのアレイ内の１つ又は２つの低共振周波数ポスト２０が量子ビット４０の各々に物理的に接続されるようにする。１つの実装において、各低共振周波数ポスト２０は、その特定の低共振周波数ポスト２０に接続された量子ビット４０に容量結合するように構成される。
【００５３】
第１のプレート２５は、ポストのアレイ内の低共振周波数ポスト２０の各々のそれぞれ上方にポート４０５を含み、ポート４０５は、量子ビット４０に結合し、これを駆動し、及びこれを測定するように構成される。
【００５４】
高共振周波数ポスト１０は、両端が短絡されており、高共振周波数ポスト１０の第１の端が第１のプレート２５に短絡され、第２の端が第２のプレート３０に短絡されるようになっている。高共振周波数ポスト１０は、ポストのアレイ内の低共振周波数ポスト２０のモード局在化を提供するように構成される。
【００５５】
量子ビット４０は、超伝導量子ビット、半導体スピン量子ビット、光学的にトラップされたイオン、及び結晶の不純物中心のうちの少なくとも１つである。
【００５６】
１つの事例において、量子ビット４０は、同じ格子上の異なるタイプのものである。
【００５７】
量子ビット４０の各々は、それ自体の読出し共振器（例えばマイクロストリップ共振器８１５）をそれぞれ組み込む。読出し共振器（マイクロストリップ共振器８１５）は、第２のプレート３０を通して形成された円筒形共振器３０５の中に延び、円筒形共振器３０５は、量子ビット４０の各々の下にそれぞれ位置決めされて読出し共振器８１５を受け入れる。図４（Ａ）及び図９を参照することができる。
【００５８】
１つの実装において、ポストのアレイは、正方形の格子を形成する。別の実装において、ポストのアレイは、三角形の格子を形成する。
【００５９】
実施形態によれば、量子ビット４０の格子は、図７及び図１２に示すように、量子誤り訂正コードを実行するように構成される。
【００６０】
ポストのアレイは、標準機械加工技術、標準ミクロ機械加工技術、及び３Ｄ印刷のうちの少なくとも１つを用いて製作される。
【００６１】
ポストのアレイは、０．７５ＧＨｚから１５０ＧＨｚまでの共振モードをサポートすることに対応する、長さ０．５ｍｍと１００ｍｍとの間の異なる高さを有する。ポストのアレイ内の低共振周波数ポスト２０間の分離距離（例えば距離Ａ）は、低共振周波数ポスト２０の高さ（例えば長さＬ）より小さい。高共振周波数ポスト１０の高さは、低共振周波数ポスト２０の高さよりも大きいことに留意されたい。
【００６２】
図面内のフローチャート及びブロック図は、本発明の種々の実施形態によるシステム、方法、及びコンピュータプログラム製品の可能な実装のアーキテクチャ、機能、及び動作を示す。この点に関して、フローチャート又はブロック図内の各ブロックは、指定された論理機能を実装するための１つ又は複数の実行可能命令を含む、モジュール、セグメント、又は命令の一部を表すことができる。幾つかの代替的な実装において、ブロック内に記された機能は、図面に記された順序とは異なる順序で行われることがある。例えば、連続して示された２つのブロックは、関与する機能に応じて、実際には実質的に同時に実行されることもあり、又はこれらのブロックはときとして逆順で実行されることもある。ブロック図及び／又はフローチャート図の各ブロック、及びブロック図及び／又はフローチャート図中のブロックの組合せは、指定された機能又は動作を実行する専用ハードウェア・ベースのシステムによって実装することもでき、又は専用ハードウェアとコンピュータ命令との組合せを実行することもできることにも留意されたい。
【符号の説明】
【００６３】
１０：高共振周波数ポスト
２０：低共振周波数ポスト
２５：上部プレート
３０：底部プレート
３５：側壁
４０：量子ビット
１００：超伝導マイクロ波共振器空胴
３０５：円筒形共振器
４０５：入力ポート
４１０：マイクロ波シリンダコネクタ
４２０：延長部
８０５：トランスモン
８１０：基板
８１５：微細加工マイクロストリップ共振器
８５０：円筒形穴
９０５：データ量子ビット
９１０、９２０：アンシラ量子ビット
９２５：バス共振器
９５０：プラケット
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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