(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイスであって、
筐体と、
前記筐体内に配設される少なくとも２つのキュービットと、
前記筐体内に配設され、前記少なくとも２つのキュービットに結合される共振器と
を備え、
前記少なくとも２つのキュービットが、固定周波数で維持され、前記共振器を介して互いに静的に結合され、
エネルギ・レベル｜０３＞とエネルギ・レベル｜１２＞が厳密に整合され、
前記キュービットに適用される同調マイクロ波信号が２キュービット位相相互作用を活性化する、デバイス。
【請求項２】
前記少なくとも２つのキュービットが、前記共振器からのマイクロ波を介して制御される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記同調マイクロ波信号が、エネルギ・レベル｜０１＞とエネルギ・レベル｜０２＞の周波数差に対応する、請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記少なくとも２つのキュービットが、マイクロ波活性制御される位相（ＭＡＰ）ゲートを介して相互作用する、請求項１ないし３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項５】
前記同調マイクロ波信号に起因して、２キュービット｜１１＞状態が｜０１＞状態と｜１０＞状態の和と異なるときに、マイクロ波活性位相が生成される、請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記同調マイクロ波信号が適用されると、｜１２＞と｜１１＞の間のエネルギ差が｜０２＞と｜０１＞のものとは異なる、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
位相の差がπに等しいことに応じて、制御される位相ゲートが実施される、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記少なくとも２つのキュービットの各々がトランスモン・キュービットである、請求項１ないし７のいずれかに記載のデバイス。
【請求項９】
マイクロ波活性制御される位相（ＭＡＰ）ゲート・システムであって、
筐体と、
前記筐体内に配設される共振器と、
前記筐体内に配設される第１のキュービットと、
前記筐体内に配設され、前記共振器を介して前記第１のキュービットと結合される第２のキュービットと
を備え、
エネルギ・レベル｜０３＞とエネルギ・レベル｜１２＞が厳密に整合され、
前記キュービットに適用される同調マイクロ波信号が２キュービット位相相互作用を活性化する、システム。
【請求項１０】
前記少なくとも２つのキュービット間の前記結合が、遷移周波数におけるマイクロ波駆動により活性化される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記適用されたマイクロ波駆動周波数が、｜０１＞から｜０２＞への遷移に対応する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
マイクロ波活性制御される位相（ＭＡＰ）ゲート・システムであって、
筐体と、
前記筐体内に配設される共振器と、
前記筐体内に配設される第１のキュービットと、
前記筐体内に配設され、共振器駆動線を介して前記第１のキュービットと結合される第２のキュービットと
を備え、
前記第１および第２のキュービットがトランスモン・キュービットであり、
｜０３＞エネルギ・レベルが｜１２＞エネルギ・レベルに等しい、システム。
【請求項１３】
前記第１のキュービットが、グランド状態｜００＞および励起状態｜１０＞のうちの少なくとも一方である、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第２のキュービットにπ／２マイクロ波パルスと、その後に続く｜０１＞から｜０２＞への遷移に対応する周波数におけるマイクロ波駆動が適用される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
適用される前記マイクロ波駆動に応答して、前記第１のキュービットが｜００＞または｜１０＞であるときの間、前記第２のキュービット上の位相の差がπに等しいとき、制御される位相ゲートが実施される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
マイクロ波活性制御される位相（ＭＡＰ）ゲート方法であって、
第１のキュービットを第２のキュービットに共振器線バスを介して結合し、それによりＭＡＰゲートを生成することであって、｜０３＞エネルギ・レベルが｜１２＞エネルギ・レベルに等しい、前記生成することと、
前記ＭＡＰゲートを同調することと、
継続時間Ｔの範囲にわたり掃引することにより時間Ｔｇａｔｅを選択することと、
前記ＭＡＰゲートを介して２キュービット結合システムを確立することと
を含む、方法。
【請求項１７】
前記ＭＡＰゲートを同調することが、前記第２のキュービットにπ／２パルスを適用することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記π／２パルスが、前記第２のキュービットの｜１＞から｜２＞への遷移における駆動周波数を確立する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１のキュービットが、グランド状態｜００＞および励起状態｜１０＞のうちの少なくとも一方である、請求項１６ないし１８のいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記第２のキュービットにπ／２マイクロ波パルスを適用することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
マイクロ波活性制御される位相（ＭＡＰ）ゲート方法であって、
第１のキュービットを第２のキュービットに共振器線バスを介して結合することであって、｜０３＞エネルギ・レベルが｜１２＞エネルギ・レベルに等しい、前記結合することと、
前記第２のキュービットの｜１＞から｜２＞への遷移における駆動周波数で、前記第１のキュービットに交差共振のやり方でマイクロ波駆動信号を適用することとを含み、
前記マイクロ波駆動信号が半分に分割され、πパルスが前記第１および第２のキュービットに適用され、前記分割されるマイクロ波駆動信号の間に挿入されて、さらなる位相エラーを除去する、方法。
【請求項２２】
継続時間Ｔの範囲にわたり掃引することにより前記ＭＡＰゲートを同調することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
ＭＡＰプロトコルに起因して前記第２のキュービットにより、π位相シフトを受けるとき、２キュービット制御される位相ゲートが達成される、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦調査報告
本発明は、米国陸軍から授与された、契約書番号第Ｗ９１１ＮＦ−１０−１−０３２４号の下での米国政府支援で行われた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【０００２】
本発明は量子コンピューティングに関し、より詳細には、２キュービット・マイクロ波活性制御される位相ゲート（two-qubit microwave-activated controlled phase gate）のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
超伝導キュービットは、量子コンピューティングのための、量子ゲートの汎用的な組を生成するための実験的な制御において、最近著しく進展した。伝統的なアルゴリズムが、ＮＡＮＤゲートなどの汎用論理ゲートからどのようにして構築できるのかに類似して、全ての量子アルゴリズムは、量子ゲートの汎用的な組から組み立てることができる。そのような汎用的な組は、任意単一キュービット回転ゲート（arbitrary single qubit rotation gate）および２キュービット・エンタングル・ゲート（two-qubit entangling gate）を含むことが、理論的に証明された。これらのゲートの品質は、ゲート忠実度として知られる尺度により特徴付けられ、この数が単位元（unity）にどれだけ近いのかが、ゲートが入力状態の全部の組を理想的な出力状態にどれだけ良好にマッピングするのかを反映する。
【０００４】
基礎をなすキュービット・アーキテクチャが、実際に実装できるゲートを決定する。超伝導キュービットでは、単一キュービット・ゲートは単純であり、解決済みの問題である。これらは、キュービット遷移に対応する周波数で共振する、成形マイクロ波パルスにより生成され、０．９９９より良好なゲート忠実度が得られた。対照的に、それぞれが、それ自体の利点および欠点の組を有する、エンタングル・２キュービット・ゲートの、多くの異なる実装があった。これらのゲートのいくつかは、追加回路を含み、キュービットの複雑さを制御し、一方他のものは、適用される異なるマイクロ波制御信号の完全性について、厳しい要件を課している。今日まで、これらのアプローチは、成形マイクロ波単一キュービット・ゲートと同じ制御の容易さを提供していない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、当技術分野では、上述の問題に対処する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
例示的な実施形態は、筐体と、筐体内に配設される少なくとも２つのキュービットと、筐体内に配設され、少なくとも２つのキュービットに結合される共振器バスとを含むデバイスであって、少なくとも２つのキュービットが固定周波数で維持され、共振器バスを介して互いに静的に結合され、エネルギ・レベル｜０３＞と｜１２＞が厳密に整合され、キュービットに適用される同調マイクロ波信号（tuned microwave signal）が２キュービット位相相互作用を活性化するデバイスを含む。
【０００７】
さらなる例示的な実施形態は、マイクロ波活性制御される位相ゲート・システムであって、筐体と、筐体内に配設される共振器バスと、筐体内に配設される第１のキュービットと、筐体内に配設され共振器バスを介して第１のキュービットと結合される第２のキュービットとを含み、エネルギ・レベル｜０３＞と｜１２＞が厳密に整合され、システムに適用される同調マイクロ波信号が２キュービット・エンタングル・ゲートを活性化するシステムを含む。
【０００８】
さらなる例示的な実施形態は、マイクロ波活性制御される位相ゲート・システムであって、筐体と、筐体内に配設される共振器バスと、筐体内に配設される第１のキュービットと、筐体内に配設され共振器バスを介して第１のキュービットと結合される第２のキュービットとを含み、第１および第２のキュービットがトランスモン・キュービット（transmon qubit）であるシステムを含む。
【０００９】
さらなる例示的な実施形態は、マイクロ波活性制御される位相ゲート方法であって、第１のキュービットを第２のキュービットに共振器バスを介して結合し、それによりマイクロ波活性制御される位相ゲートを生成することであって、｜０３＞エネルギ・レベルが｜１２＞エネルギ・レベルに等しい、生成することと、マイクロ波活性制御される位相ゲートを同調することと、継続時間Ｔの範囲にわたり掃引することにより時間Ｔｇａｔｅを選択することと、マイクロ波活性制御される位相ゲートを介して２キュービット結合システムを確立することとを含む方法を含む。
【００１０】
さらなる例示的な実施形態は、マイクロ波活性制御される位相ゲート方法であって、第１のキュービットを第２のキュービットに共振器バスを介して結合することであって、｜０３＞エネルギ・レベルが｜１２＞エネルギ・レベルに等しい、結合することと、およそ第２のキュービットの｜１＞から｜２＞への遷移の駆動周波数で、第１のキュービットに交差共振のやり方でマイクロ波駆動信号を適用することとを含み、マイクロ波駆動信号が半分に分割され、πパルスが第１および第２のキュービットに適用され、分割されるマイクロ波駆動信号の間に挿入されて、さらなる位相エラーを除去する、方法を含む。
【００１１】
さらなる特徴および利点が、本発明の技法を通して実現される。本発明の他の実施形態および態様は、本明細書に詳細に記載され、特許請求される発明の一部と考えられる。利点および特徴を備える本発明のより良好な理解のため、記載および図面を参照されたい。
【００１２】
本発明は、ここで、以下の図に示されるように、好ましい実施形態を参照して、単に例として記載されることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来技術にしたがい、本発明の好ましい実施形態が実装され得る、例示的な固定周波数エンタングル２キュービット・ゲート・システムを示す図である。
【図２】従来技術にしたがい、本発明の好ましい実施形態が実装され得る、例示的なエネルギ・レベル図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態にしたがう、例示的な固定周波数エンタングル２キュービット・ゲート・システムを同調して動作させる方法を示す流れ図である。
【図４】本発明の好ましい実施形態にしたがう、ＭＡＰゲート時間を決定するためのプロトコルを描く図である。
【図５】本発明の好ましい実施形態にしたがう、図４のＭＡＰゲート時間のわずかに異なる形態を描く図である。
【図６】本発明の好ましい実施形態にしたがう、１組のキュービットのための、ＭＡＰ相互作用調整に対応するデータを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
例示的な実施形態では、本明細書に記載されるシステムおよび方法は、マイクロ波共振器バスを介して静的に結合される、２つのキュービット間の、固定周波数エンタングル２キュービット・ゲートを含む。図１は、例示的な固定周波数エンタングル２キュービット・ゲート・システムであるシステム１００を示す。図１は、多数の実施形態が意図されることを説明するための、簡略化したシステム・レベル図を示す。システムは、限定するものではないが、アルミニウム（Ａｌ）が挙げられる、任意の好適な超伝導または非超伝導材料であってよい、筐体１０５を含む。システム１００は、筐体１０５内に配設される共通共振器駆動線１１０をさらに含む。システム１００は、互いに結合され、筐体１０５および共通共振器駆動線１１０に結合されるキュービット１１５、１２０をさらに含む。例示的な実施形態では、キュービットは、トランスモン型超伝導ジョセフソン接合であってよい。トランスモン・キュービットは、キュービット容量を大きくすることにより、電荷に対し不感受性にされる超伝導キュービットである。容量およびジョセフソン・インダクタンスを調節する（両方は、製造およびデバイス形状を通して決定される）ことによって、キュービット容量に関連する特性エネルギ（Ｅｃ）およびキュービット・インダクタンスに関連する特性エネルギ（Ｅｊ）は、Ｅｊ＞＞Ｅｃを満足する。他の例示的な実施形態では、他のタイプのキュービットが意図されることを理解することができる。キュービット１１５、１２０は、限定するものではないが、シリコンベースの核スピン、トラップされたイオン、キャビティ量子電気力学素子、核スピン、量子ドット中の電子スピン、超伝導ループおよびジョセフソン接合、液体状態核磁気共鳴（ＮＭＲ）、液体ヘリウムの表面上に浮遊する電子を含む、任意の好適なキュービット・システムであってよいことが理解されよう。
【００１５】
例示的な実施形態では、本明細書でさらに理解するように、システム１００は、いくつかの品質を含む。例示的な実施形態では、システム１００は、固定周波数であってよい、キュービット１１５、１２０の、全マイクロ波制御機構を含む。システム１００は、高忠実度単一キュービット・ゲートのために、かなりのキュービット分離を有し、２キュービット・ゲートの速度を犠牲にすることなく、より高いレベルへとリークを回避する。システム１００は、２キュービット位相ゲートとして機能する能力を有する。システム１００は、共通共振器駆動線１１０を含む、２つのキュービット１１５、１２０のいずれかをアドレス指定する任意の線を介して駆動可能である。共通共振器駆動線１１０を実装することによって、各キュービット１１５、１２０用のオンチップの明示的なマイクロ波駆動線の必要がなくなり、回路を著しく簡略化する。
【００１６】
従来では、超伝導キュービットについて、複数の実験的に具体化された２キュービット・ゲートがあった。それらの機能、実装、利点、および欠点が、ここで記載される。ＩＳＷＡＰゲートでは、２つの同調可能超伝導キュービット（例えば、スプリット対クーパー対ボックス（split-pair Cooper pair box）、磁束キュービット、スプリット対トランスモン（split-pair transmon）、位相キュービット）が、回路要素（例えば、コンデンサ、相互誘導器、共通マイクロ波共振器）を介して明示的に結合される。結合相互作用は、キュービット・エネルギ・レベルを磁束を介して同調することを通して、効果的にオンにされる。単一キュービット動作モードでは、２キュービットのグランド−励起状態エネルギ・レベルは、互いに離調される。２キュービットＩＳＷＡＰゲートは、２つのキュービット間の完全スワッピング相互作用（full swapping interaction）に等しい相互作用時間の間、２つのキュービットを互いに共振へと動的に同調することを含む。ＩＳＷＡＰゲートおよび単一のキュービット・ゲートは一緒に、複雑な量子回路を導出することができ、ベル状態などのエンタングル状態を生成する、ゲートの汎用的な組を形成する。本方式の利点は、（１）キュービットが非常に良好に減結合され、良好な単一キュービット制御を可能にする領域で、オフを開始する能力、および（２）相互作用の速い起動が、非常に短い、すなわち１０〜１００ｎｓとなることができるゲート時間をもたらすことである。本方式の欠点は、（１）ゲート期間または他の動作状況のいずれかにおける磁束ノイズに起因してコヒーレント時間の減少をもたらし得る、同調可能超伝導キュービットが必要であること、（２）キュービットの非調和エネルギ・レベルの存在が、しばしば、同調周波数をおよそ困難にすること、というのは、非調和エネルギ・レベルの存在は、不要な遷移またはより高いレベルの相互作用をもたらす可能性があるからであり、（３）希釈冷凍機および制御電子機器内部に複雑な追加回路もたらす可能性がある、数百ＭＨｚ帯域を有するオンチップの速い磁束バイアス線が必要であることである。
【００１７】
別の従来型の手法は、動的制御される位相ゲートであり、２つの同調可能超伝導キュービット（すなわち、スプリット対トランスモン、容量的にシャントされた磁束キュービット、および位相キュービット）が、回路要素（コンデンサ、相互誘導器、共通マイクロ波共振器）を介して明示的に結合される。動的ＩＳＷＡＰと同様に、結合相互作用は、磁束を介するが、異なる共振条件を介してキュービット・エネルギ・レベルを同調することを通して、効果的にオンにされる。単一キュービット動作モードでは、２キュービットのグランド−励起状態エネルギ・レベルは、再び互いから離調される。しかし、この２キュービット・ゲートは、｜１１＞状態（キュービット１がｎ励起、キュービット２がｍ励起を表す、表記法｜ｎｍ＞を発明者らは使用し、両方のキュービットが、それらの第１の励起状態である状態）のエネルギ・レベルを、｜０２＞または｜２０＞状態（キュービットのうちの一方が第２励起状態にあり、他方のキュービットがグランド状態である状態）を有する共振に動的に同調することを含む。この同調は、磁束を介して再び実施され、｜１１＞状態で１８０度位相シフトを正確にピックアップするという制約のみをもって、ゆっくり（断熱的に）または速く行うことができる。この技法は、簡単なラムゼー縞のような実験を介して校正およびチューンアップすることができる。本方式の利点は、（１）キュービットが非常に良好に減結合され、良好な単一キュービット制御を可能にする領域で、オフを開始する能力、（２）相互作用の速い起動が、非常に短い、すなわち１０〜１００ｎｓとなることができるゲート時間をもたらすこと、および（３）２キュービット位相ゲートとして、単一キュービット位相誤差が残余誤差になりやすいが、これは、スピン−エコーのようなシーケンスで容易に軽減されることである。本方式の欠点は、（１）ゲート期間または他の動作状況のいずれかにおける磁束ノイズに起因してコヒーレント時間の減少をもたらし得る、同調可能超伝導キュービットが必要であること、（２）このゲートは非調和エネルギ・レベルに明示的に依拠するが、キュービットの他のエネルギ・レベルの存在が、依然として、同調周波数をおよそ手に負えなくすること、というのは、他のエネルギ・レベルの存在は、不要な遷移またはより高いレベルの相互作用をもたらす可能性があるからであること、（３）希釈冷凍機および制御電子機器内部に複雑な追加回路をもたらす可能性がある、数百ＭＨｚ帯域を有するオンチップの速い磁束バイアス線が必要であること、（４）非断熱プロトコルでは、磁束バイアスは非常に速く行われる必要があるが、より高いレベルのリークに起因して速すぎずに行われる必要があり、このことが、制御を困難にし、いくつかの場合では不可能にしていることである。
【００１８】
別の従来型の手法は、固定周波数側波帯ゲートであり、同調可能または固定周波数のいずれかであってよい２つの超伝導キュービットが、共通マイクロ波量子バス共振器を介して明示的に結合される。本方式は、キュービットがグランド状態であり、共振器内に光子がない、｜０、ｎ＝０＞と、キュービットが励起状態であり、１光子が共振器内にある、｜１、ｎ＝１＞との間の遷移に対応する、青色側波帯遷移を配置することを必要とする。この遷移は、２光子プロセスを介して、キュービットの各々で直接的に駆動されてよく、両方のキュービットで見いだされなければならない。ＣＮＯＴへのこれらの側波帯パルスの組合せももたらすエンタングル・ゲートは、５つの側波帯パルスおよびいくつかの単一キュービット・ゲートで実施される。本方式の利点は、（１）単一接合トランスモンなどの固定周波数キュービット、またはコヒーレント時間を最適化することができる対称な点にバイアスされた磁束キュービットを使用できること、および（２）２キュービット・ゲートが組み立てられ、単一キュービット・ゲートで使用されるものと同じハードウェアで制御することができる、全マイクロ波制御手段である。本方式の欠点は、（１）共振器を直接的に装着することを含む遷移の使用が、ゲート期間に追加の減衰チャネルをもたらすこと、（２）より速いゲート時間（１００ｎｓ未満の範囲）のために、キュービットが共振器にとても強く結合されなければならず、このことが、より高いパーセル制限された緩和率（Purcell-limited relaxation rate）をもたらす可能性があること、および（３）各キュービットにオンチップの明示的なマイクロ波駆動線を必要とし、このことが、異なるマイクロ波信号についての追加のクロストーク問題を引き起こす可能性があることである。
【００１９】
別の従来型の手法は、固定周波数交差共振ゲート（cross resonancegate）であり、同調可能または固定周波数のいずれかであってよい２つの超伝導キュービット（ＡおよびＢ）が、回路要素（コンデンサ、相互誘導器、共通マイクロ波量子バス共振器）を介して明示的に結合される。各キュービットは、それ自体のマイクロ波駆動線を有する。２つのキュービットは、ゼロでなく小さい残存２キュービット直接結合相互作用、Ｊ＿ｅｆｆがあるが、高忠実度単一キュービット動作を可能にするのに十分な周波数で分離されるような領域で動作される。直接容量性結合またはバス共振器を介する場合、Ｊ＿ｅｆｆは、両方のキュービットが互いに共振近くであるときに最大であるが、しかし、この配置構成は、単一キュービット・ゲートを実施するのに有害な可能性がある。制御されるＮＯＴゲートを生成する２キュービット・ゲートは、キュービットＡを、キュービットＢのグランド−励起状態遷移周波数で駆動することにより実施される。この方式では、キュービットＡが制御機構として働き、キュービットＢがターゲット・キュービットとして働く。相互作用は、キュービットＢに、単一キュービットπ／２励起を適用し、交差共振マイクロ波駆動をオンにし、制御キュービットＡをそのグランドまたは励起状態のいずれかにすることにより観測することができる。２つの実験からの発振の違いによって、相互作用強度が得られ、半周期の発振が、制御されるＮＯＴゲートをもたらす。本方式の利点は、（１）単一接合トランスモンなどの固定周波数キュービット、またはコヒーレント時間を最適化することができる対称な点にバイアスされた磁束キュービットを使用できること、（２）２キュービット・ゲートが組み立てられ、単一キュービット・ゲートで使用されるものと同じハードウェアで制御することができる、全マイクロ波制御手段、（３）より多くのキュービットについて簡単に拡張可能な方式であること、（４）非最近接周波数隣接キュービットを結合できることである。本方式の欠点は、（１）高忠実度単一キュービット・ゲートも可能とされる周波数位置にキュービットが置かれるとき、ゲート時間が遅い（およそ１００〜５００ｎｓ）可能性があること、および（２）各キュービットにオンチップの明示的なマイクロ波駆動線を必要とし、このことが、異なるマイクロ波信号についての追加のクロストーク問題を引き起こす可能性があることである。
【００２０】
例示的な実施形態では、本明細書に記載されるシステムおよび方法は、動的なｃ位相ゲートとは異なり、より高いレベルと計算状態（すなわち、｜００＞、｜０１＞、｜１０＞、または｜１１＞）との間の共振条件を必要としない、２つのキュービットのより高いレベルの存在に依拠する。もっと正確に言えば、キュービット１１５、１２０の設計を注意深く制御すること（すなわち、キュービット容量およびジョセフソン接合臨界電流を制御すること）により、２つの異なるキュービット・エネルギ・レベルを調製して、より高いレベルの非計算状態のみを含む共振条件を経験することが可能である。
【００２１】
図２は、２つのキュービット・レベル｜１２＞、２０１と｜０３＞、２０２を整合させる、または整合に近づけることにより生成される、（例えば、図１のシステム１００の中の）２つのマルチレベル超伝導キュービット上の、マイクロ波活性制御される位相（ＭＡＰ）ゲートに対応する、例示的なエネルギ・レベル図２００を示す。エネルギ・レベル２０１、２０２が縮退または縮退に近いとき、強度Ｊで相互作用１０３が存在し得る。相互作用１０３は、エネルギ差ＡとＢ（２０５と標示される）が異なるように働き、このことによって、ＡまたはＢ遷移の周波数に近いマイクロ波のトーンがシステム１００に適用されると、２キュービット部分空間２０４に基づく状態｜１１＞に位相ゲートをもたらし、２キュービットｃ位相ゲートを生成する。そのため、図２は、｜０３＞に対応するエネルギを｜１２＞に対応するエネルギに整合する、例示的な設計構成を示す。これらの状態のどちらも、２つのキュービットの計算状態ではなく、このことは、この固定されたより高次の結合の存在は、アイドル状態のキュービットに何もしないことを意味する。しかし、｜１２＞と｜１１＞の間のエネルギの差が｜０２＞と｜０１＞の間のエネルギの差と異なっている結果、キュービットが｜１１＞状態にあるときピックアップされる位相の量が、他の状態のいずれかであるときの量と異なるので、｜０１＞から｜０２＞への遷移に対応する周波数（キュービット２についてｆ＿１２）近くにシステムを駆動すると２キュービット相互作用がオンにされる。位相の差がπに等しいと、制御される位相ゲートが実施された。ゲートは、完全にマイクロ波活性制御される位相（ＭＡＰ）ゲートであり、２キュービット相互作用は、適切なマイクロ波放射が適用されるときにのみ経験される。さらに、このマイクロ波制御は、（各キュービットが対応する制御線を有する場合に）いずれかのキュービット、またはキュービットを結合するキャビティに適用することができる。
【００２２】
ＡＣシュタルク効果は、振幅（Ω）を有する外部駆動の存在による、システムのエネルギ・レベルのシフトである。レベルは、外部駆動の累乗（Ω２）を、レベル遷移周波数（ω＋δｎ）と駆動周波数ωｄの差で割ったものに等しい量だけシフトする。システム１００の非調和性は、δにより表される。超伝導キュービット（または、等価なダフィング振動子タイプ・システム）について、ｎ番目のエネルギ・レベルは、以下の式にしたがってシフトする。
【数１】
0006395736.tif 000002
これは、以下の式のキュービット空間内の位相シフトをもたらす。
【数２】
0006395736.tif 000003
【００２３】
式２の数式から、このシフトは、キュービットの有効非調和性を変えることにより制御することができる。これが、別のキュービットの状態を条件として行うことができる場合、条件付き位相ゲートが達成される。｜１２＞レベルが｜０３＞レベルと共振される場合、キュービット周波数は、影響を受けないままとなる。しかし、これら２つのレベルは、回避交差を有し、第２のキュービットの有効非調和性は、δ−＞δ−ζにしたがって変化し、ここで、
【数３】
0006395736.tif 000004
であり、Δは、２つのキュービット間の離調である。キュービット間の離調が第２のキュービットの非調和性の２倍の負数に等しいとき式３が最大値を有し、この動作点において、第１のキュービット状態に条件付けられた位相間の差が、ＭＡＰゲートの比率を与える。
【数４】
0006395736.tif 000005
【００２４】
典型的な値、Ｊについて、式４は、１００ｎｓ〜１μｓの範囲のゲート時間を有することができる。ゲート時間は、パルス整形を介してより速くすることができるが、典型的な値について、数十ナノセカンド程度の短さである可能性がある、基本的な制限を有する。
【００２５】
例示的な実施形態では、第１のキュービットへの直接的な、第２のキュービットの１から２の遷移における駆動を適用することにより、ゲートへの修正がなされ得る。これは、交差共振方式によく似ているが、しかし、非調和性の差から達成される条件付き位相効果を依然として提供し、間接的な駆動を介して第２のキュービットのエネルギ部分空間からの直接的なリークの減少を可能にする。
【００２６】
ゲートの別の変形形態は、全ゲート時間を半分２つに分割し、両方のキュービット上にπパルスを中間に挿入することである。このパルス挿入は、動的な単一キュービット位相に再集束させるよう働き、これは、両方のキュービットからの共振外ＡＣシュタルク駆動におけるＭＡＰゲートの作用結果としてキュービットによりピックアップされる。この反復されるシーケンスによって、補償するための任意の他の追加の単一キュービット・ゲートを適用する必要なしに、ｃ位相ユニタリ・ゲートの調整をより簡単に行う。
【００２７】
図３は、例示的な実施形態にしたがう、例示的な固定周波数エンタングル２キュービット・ゲート・システム（例えば、図１のシステム１００）を同調して動作させる方法３００の流れ図を示す。
【００２８】
全体的なマイクロ波活性制御される位相ゲートは、上に記載されたように、かなり一般的であってよいが、以下は、トランスモン・キュービットが｜１２＞との｜０３＞整合を有するように意図的に設計された状況を調整するための、実装プロトコルである。
【００２９】
ブロック３１０において、システム１００が確立される。例示的な実施形態では、システム１００は、２つのトランスモン・キュービットについて、｜０３＞エネルギ・レベルが｜１２＞エネルギ・レベルに等しいように設計される。両方のキュービットが同じ非調和性Ｅｃを有するように設計されると仮定すると、この条件は、｜１０＞遷移周波数が、｜０１＞遷移周波数から２Ｅｃ離調されるように意図することにより、最も良好に達成される。
【００３０】
ブロック３２０において、ＭＡＰゲートは、最適ＭＡＰゲート時間を決定するためのプロトコル４００を描く、図４に示されるパルス方式を適用することにより調整される。実験４０１および４０２の各々で、シーケンスは、第２のキュービットの｜１＞から｜２＞遷移に近接しなくてはならない周波数ｗ１２でマイクロ波駆動をサンドイッチする、第２のキュービットに適用されるπ／２パルスからなる。これらの実験はラムゼー縞のようなパターンをもたらすが、第１のキュービットがその励起状態である場合に実験４０２により縞が得られ、第１のキュービットがそのグランド状態である場合に実験４０１により縞が得られるという違いだけがある。２つの実験４０１、４０２の間の第１のキュービットの状態は、何もしないこと、またはπパルスを適用することのいずれかにより設定される。ＭＡＰパルスの時間ｔが変えられて、いつ２つの実験４０１、４０２の間の縞の位相が正確に１８０度ずれるのかによって、最適ゲート時間Ｔｇａｔｅが、特定の駆動強度Ａおよび特定のマイクロ波周波数ｗ１２について決定される。ゲートのこのシーケンスでは、ＭＡＰゲートは、キュービットのいずれかに直接、または共通バス共振器駆動上に適用することができることに留意されたい。
【００３１】
例示的な実施形態では、第１のキュービットが、そのグランド状態｜００＞または励起状態｜１０＞のいずれかであり、第２のキュービットに最初に９０度（π／２）パルスが適用され、その後に、第２のキュービットについて、振幅Ａおよび継続時間Ｔを有し、ｆ＿１２に近い周波数ｆでマイクロ波トーンが続き、次いで、第２のキュービットに別の９０度パルスが後に付け加えられる。ｆおよびＡを選択し、継続時間Ｔの範囲にわたり掃引することにより、第１のキュービットの初期状態に応じて異なる縞パターン（ラムゼーのような実験）が観測されることになる。縞が正確にπだけ位相がずれるＴの点がＭＡＰゲート時間Ｔｇａｔｅに対応する。
【００３２】
再び図３を参照して、ブロック３３０において、ｆ０およびＡ０を与えると、Ｔｇａｔｅが、異なるｆおよびＡについて得られ、継続時間の短さおよび縞パターンのコントラストについて最適化される。
【００３３】
ブロック３４０において、任意の２キュービット状態が得られる。例示的な実施形態では、所与のｆ０、Ａ０、およびＴｇａｔｅがＭＡＰゲートを規定し、ＭＡＰゲートは、ここで、両方のキュービット上で単一キュービット・ゲートと一緒に使用して、任意の２キュービット状態を作ることができる。
【００３４】
図５は、ゲートのわずかに異なる形態を描き、ここで、ＭＡＰゲート（キュービット２の｜１＞から｜２＞とほぼ共振）は、２つのセクション５０１に実際に分割され、両方のキュービット５０２に適用され、交差共振のやり方で第１のキュービット上にも適用されるπパルスにより割り込まれる。ＭＡＰゲートの半分２つの間のπパルスは、再集束するように働き、残りの単一キュービットＺがいずれかのキュービット上でゲートする。これらのエコーのようなシーケンスが、ｃ位相ゲートの調整の複雑さを減らしている。
【００３５】
図６は、｜１２＞エネルギ・レベルと｜０３＞エネルギ・レベルの間の相互作用を経験する、１対のキュービットについてのＭＡＰ相互作用調整に対応するデータを示す。レベル６０１および６０２は、図５のパルス・シーケンスを適用する一方、周波数ｗ１２およびＭＡＰゲートの長さを変化させた結果を示す。レベル６０１は、キュービット１がその励起状態で開始する場合であり、レベル６０２は、第１のキュービットがそのグランド状態で開始する場合であるが、両方の場合で縞が観測される。周波数５．４３ＧＨｚにおけるスライスによって、６０３に示されるトレースが得られ、ここで、５１７ｎｓでゲート時間を見いだすことができる。
【００３６】
本明細書において使用する用語は、特定の実施形態を記載することのみを目的としており、本発明を限定することを意図していない。本明細書において使用するとき、文脈上の明確な別段の指示がない限り、単数形「ａ」「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、複数形を同様に含むことを意図している。本明細書において使用するとき、用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」または「備えている、含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」あるいは両方の組合せは、述べた特徴、整数、ステップ、動作、要素、または構成要素あるいはこれらの組合せが存在することを明示するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、またはそのグループあるいはこれらの組合せの存在または追加を排除しないことをさらに理解されよう。
【００３７】
請求項内の全てのミーンズ・プラス・ファンクション要素またはステップ・プラス・ファンクション要素の対応する構造、材料、働き、および等価物は、他の特許請求される要素と組み合わせて、具体的に特許請求されるものとして、機能を実施するため、任意の構造、材料、または働きを含むことが意図される。本発明の記載は、説明および記載のために提示されたが、網羅的であること、または、開示された形式での発明に限定することを意図していない。本発明の範囲および思想から逸脱することなく、多くの変更形態および変形形態が、当業者には明らかであろう。様々な変更形態を備える様々な実施形態が意図された具体的な使用に適するので、実施形態は、本発明の原理および実践的な適用を最もよく説明するため、および当業者が本発明を理解することが可能となるために、選択され記載された。
【００３８】
本明細書に描かれた流れ図は、ほんの１つの例である。本発明の思想から逸脱することなく、こうした図面またはそこに記載されたステップ（または動作）には、多くの変形形態が存在する可能性がある。例えば、ステップは、異なる順序で実施することができ、またはステップは、追加、削除、または変更することができる。これらの変形形態の全ては、特許請求される発明の一部と考えられる。
【００３９】
本発明の好ましい実施形態が記載されてきたが、当業者なら、現在および将来の両方において、特許請求の範囲に含まれる様々な改良および拡張を行うことができることを理解されよう。これらの請求項は、最初に記載した本発明に対して、適切に保護し続けるとみなされるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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