(57)【要約】【課題】  計算量子ビット状態の読み出しにおけるラッチ量子ビットの利用を提供する。【解決手段】  超伝導読み出しシステムは、計算量子ビットと、計算量子ビットの状態を測定する測定装置と、計算量子ビットと測定装置との間の導電結合を仲介するラッチ量子ビットとを含む。ラッチ量子ビットは、互いに直列結合された少なくとも２つの超伝導インダクタンスコイルを含む量子ビットループと、複合ジョセフソン接合内で互いに直列結合された、および量子ビットループに関して互いに並列に結合された少なくとも２つのジョセフソン接合を含む量子ビットループを遮断する複合ジョセフソン接合と、クロック信号を複合ジョセフソン接合に結合する第１のクロック信号入力構造とを含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計算量子ビットと、
前記計算量子ビットの状態を測定する測定装置と、
超電導材料のループにより形成された量子ビットループおよび前記量子ビットループを遮断する複合ジョセフソン接合であって、少なくとも２つのジョセフソン接合により遮断される超電導材料の閉ループにより形成されている複合ジョセフソン接合を含む第１のラッチ量子ビットと、
前記第１のラッチ量子ビットの前記複合ジョセフソン接合にクロック信号を導電的に結合すべく構成された第１のクロック信号入力構造と
を含み、
前記計算量子ビットおよび測定装置の少なくとも一方が前記第１のラッチ量子ビットに導電的に結合すべく構成されることにより、前記第１のラッチ量子ビットが前記計算量子ビットと測定装置との間の導電結合を仲介する超伝導読み出しシステム。
【請求項２】
前記計算量子ビットが、超伝導磁束量子ビット、超伝導電荷量子ビット、超伝導位相量子ビット、および超伝導ハイブリッド量子ビットからなる群から選択される超伝導量子ビットである、請求項１に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項３】
前記測定装置が磁力計を含む、請求項１に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項４】
前記第１のラッチ量子ビットと、前記計算量子ビットおよび測定装置の少なくとも一方との間の導電結合が誘導結合を含む、請求項１に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項５】
前記第１のクロック信号入力構造が、ほぼ断熱的な周波数でクロック信号を結合すべく構成される、請求項１に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項６】
前記断熱周波数が約２０ＧＨｚ未満である、請求項５に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項７】
ほぼ一定のクロック信号が前記第１のラッチ量子ビットの前記複合ジョセフソン接合に印加され、前記複合ジョセフソン接合内の前記少なくとも２つのジョセフソン接合のパラメータが、前記第１のラッチ量子ビットの量子ビットループに結合された信号が前記第１のラッチ量子ビットの量子ビットループから結合された、より大きい振幅の対応信号を生成すべく選択される、請求項１に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項８】
前記第１のラッチ量子ビットと導電的に直列結合すべく構成された少なくとも１個の追加的なラッチ量子ビットを更に含み、前記計算量子ビットが前記第１のラッチ量子ビットと導電的に結合すべく構成され、前記第１のラッチ量子ビットおよび前記少なくとも１個の追加的なラッチ量子ビットの両方が前記計算量子ビットと前記測定装置との間の導電結合を仲介するように前記測定装置が前記少なくとも１個の追加的なラッチ量子ビットと導電的に結合すべく構成される、請求項１に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項９】
前記第１のラッチ量子ビットおよび前記少なくとも１個の追加的なラッチ量子ビットの各々が個別の断熱クロック信号線と導電的に結合すべく構成される、請求項８に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項１０】
複数の計算量子ビットと、
前記計算量子ビットの少なくとも１個の状態を測定する測定装置と、
複数の個別のレジスタを含むシフトレジスタと
を含み、少なくとも１つのレジスタが各計算量子ビットと導電的に結合すべく構成され、少なくとも１つのレジスタが前記測定装置と導電的に結合すべく構成される超伝導読み出しシステム。
【請求項１１】
少なくとも１個の計算量子ビットが、超伝導磁束量子ビット、超伝導電荷量子ビット、超伝導位相量子ビット、および超伝導ハイブリッド量子ビットからなる群から選択される超伝導量子ビットである、請求項１０に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項１２】
前記測定装置が磁力計を含む、請求項１０に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項１３】
前記シフトレジスタが超伝導シフトレジスタを含む、請求項１０に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項１４】
前記超伝導シフトレジスタが、
各々の管理ラッチ量子ビットが導電結合を介して管理クロック信号を受信すべく構成された管理ラッチ量子ビットの組と、
各々のダミーラッチ量子ビットが導電結合を介して第１のダミークロック信号を受信すべく構成される第１のダミーラッチ量子ビットの組と、
各々のダミーラッチ量子ビットが導電結合を介して第２のダミークロック信号を受信すべく構成される第２のダミーラッチ量子ビットと
を含む磁束超伝導シフトレジスタを含み、前記管理ラッチ量子ビットの組で連続する管理ラッチ量子ビットの各ペアに対して、前記第１のダミーラッチ量子ビットの組からのダミーラッチ量子ビットの個別の１個および前記第２のダミーラッチ量子ビットの組からのダミーラッチ量子ビットの個別の１個が、前記連続する管理ラッチ量子ビットの前記ペアの管理ラッチ量子ビット間の磁束を結合すべく配置されていて、
前記磁束超伝導シフトレジスタ内の第１の管理ラッチ量子ビットが第１の計算量子ビットから第１の入力信号を受信すべく構成され、前記磁束超伝導シフトレジスタの第２の管理ラッチ量子ビットが第２の計算量子ビットから第２の入力信号を受信すべく構成される、請求項１３に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項１５】
前記磁束超伝導シフトレジスタ内の第３の管理ラッチ量子ビットが前記測定装置に出力信号を送信すべく構成される、請求項１４に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項１６】
前記管理クロック信号、前記第１のダミークロック信号、および前記第２のダミークロック信号の各々がほぼ断熱的な周波数を有する、請求項１４に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項１７】
前記第１の計算量子ビットと前記第１の管理ラッチ量子ビットとの間で導電的に直列結合すべく構成された少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットを更に含み、前記少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットが前記第１の計算量子ビットと前記第１の管理ラッチ量子ビットとの間の導電結合を仲介すべく構成される、請求項１４に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項１８】
各仲介ラッチ量子ビットが導電結合を介してほぼ断熱的なクロック信号を受信すべく構成される、請求項１７に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項１９】
前記第３の管理ラッチ量子ビットと前記測定装置との間で導電的に直列結合すべく構成された少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットを更に含み、前記少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットが、前記第３の管理ラッチ量子ビットと前記測定装置との間の導電結合を仲介すべく構成され、前記少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットが導電結合を介してほぼ断熱的なクロック信号を受信すべく構成される、請求項１５に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項２０】
計算量子ビットの状態を読み出す方法であって、
前記計算量子ビットからの状態信号を第１のラッチ量子ビットに結合するステップと、
第１のクロック信号を前記第１のラッチ量子ビット内の複合ジョセフソン接合に結合するステップと、
前記第１のクロック信号を用いて前記計算量子ビットと前記第１のラッチ量子ビットとの間における前記状態信号の結合を制御するステップと、
前記第１のラッチ量子ビットからの前記状態信号を測定装置に結合するステップと、
前記第１のクロック信号を用いて前記第１のラッチ量子ビットと前記測定装置との間における前記状態信号の結合を制御するステップとを含む方法。
【請求項２１】
前記第１のラッチ量子ビットからの前記状態信号を直列結合されたラッチ量子ビットの組に結合するステップであって、前記組は少なくとも１個のラッチ量子ビットを含み、前記組の各ラッチ量子ビットは個別のクロック信号線に結合されているステップと、
前記個別のクロック信号線上のクロック信号を用いて、前記ラッチ量子ビットの組を介して前記状態信号の伝播を制御するステップと、
前記ラッチ量子ビットの組の最後のラッチ量子ビットからの状態信号を測定装置に結合するステップと、
前記最後のラッチ量子ビットに対応するクロック信号を用いて前記最後のラッチ量子ビットと前記測定装置との間の結合を制御するステップと
を更に含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
複数の計算量子ビット内の各計算量子ビットの状態を読み出す方法であって、
各計算量子ビットからの個別の信号をシフトレジスタ内の個別のレジスタに結合するステップと、
前記シフトレジスタ内の隣接レジスタ間で信号をシフトさせるステップと、
前記シフトレジスタ内の少なくとも１つのレジスタからの前記信号を少なくとも１つの測定装置に結合するステップと
を含む方法。
【請求項２３】
前記計算量子ビットの各々からの個別の信号をシフトレジスタ内の個別のレジスタに結合するステップが、前記信号を超伝導シフトレジスタの個別のレジスタに結合するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記計算量子ビットの各々からの個別の信号を超伝導シフトレジスタ内の個別のレジスタに結合するステップが、ラッチ量子ビットを含む磁束超伝導シフトレジスタの個別のレジスタに前記信号を結合するステップを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記計算量子ビットの少なくとも１個からの前記信号の、少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットを介した前記シフトレジスタ内の個別のレジスタへの結合を仲介するステップを更に含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記結合を仲介するステップが、前記少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットにクロック信号パルスの組を印加するステップを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記少なくとも１つのレジスタからの信号の、少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットを介した前記測定装置への結合を仲介するステップを更に含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記結合を仲介するステップが、前記少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットにクロック信号パルスの組を印加するステップを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記結合およびシフトさせるステップが、前記シフトレジスタ内のレジスタにクロック信号パルスの組を印加するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連技術の相互参照
本出願は、米国特許法施行規則１１９（ｅ）条に基づき、２００７年９月２４日出願の米国仮特許出願第６０／９７４、７４３号「量子ビット状態を読み出すシステム、方法、および装置(Systems, Methods, and Apparatus for Qubit State Readout)」を優先権主張するものであり、その全文を本明細書に引用している。
【背景技術】
【０００２】
背景
分野
本システム、方法、および装置は、計算量子ビット状態の読み出しにおけるラッチ量子ビットの利用に関する。
【０００３】
関連技術の説明
チューリングマシンは、１９３６年にAlan Turingによって述べられた理論的計算システムである。任意の他のチューリングマシンを効率的にシミュレートすることが可能なチューリングマシンは、汎用チューリングマシン(Universal Turing Machine)（ＵＴＭ）と呼ばれる。チャーチ・チューリングの提唱(Church-Turing thesis)では、いかなる実際的な計算モデルも、ＵＴＭの機能の同等物またはサブセットのいずれかを有すると述べられている。
【０００４】
量子コンピュータは、計算を実行するために１つ以上の量子効果を利用する、任意の物理システムである。任意の他の量子コンピュータを効率的にシミュレートすることが可能な量子コンピュータは、汎用量子コンピュータ(Universal Quantum Computer)（ＵＱＣ）と呼ばれる。
【０００５】
１９８１年に、Richard P.Feynmanは、量子コンピュータは、特定の計算問題を解くために、ＵＴＭよりも効率的に使用されることが可能であり、したがってチャーチ・チューリングの提唱を無効にする、ということを提唱した。例えば、Feynman R.P., "Simulating Physics with Computers", International Journal of Theoretical Physics", Vol.21 (1982) pp.467-488を参照されたい。例えば、Feynmanは、量子コンピュータが、特定の他の量子系をシミュレートするために使用されることが可能であり、それにより、ＵＴＭを使用して可能であるよりも指数関数的に高速な、シミュレートされる量子系の特定の特性の計算を可能にするということを指摘した。
【０００６】
量子計算へのアプローチ
量子コンピュータの設計および動作への、いくつかの一般的なアプローチがある。１つのそのようなアプローチは、量子計算の「回路モデル(circuit model)」である。このアプローチでは、量子ビットが、アルゴリズムのコンパイルされた表現である、論理ゲートのシーケンスによる作用を受ける。回路モデル量子コンピュータは、実際的な実施のためには、いくつかの重大な障害を有する。回路モデルでは、量子ビットが、１ゲート時間(single-gate time)よりもはるかに長い期間にわたってコヒーレントのままであることが要求される。この要求が発生する理由は、回路モデル量子コンピュータは、動作するために、量子誤り訂正と集合的に呼ばれる動作を必要とするからである。量子誤り訂正は、回路モデル量子コンピュータの量子ビットが量子コヒーレンスを、１ゲート時間の１０００倍のオーダーの期間にわたって維持することが可能でなければ、実行されることはできない。多くの研究が、回路モデル量子コンピュータの基本情報単位を形成するための十分なコヒーレンスを有する量子ビットの開発に焦点を置いてきた。例えば、Shor, P.W. "Introduction to Quantum Algorithms", arXiv.org:quant-ph/0005003 (2001), pp.1-27を参照されたい。当該技術分野は、量子ビットのコヒーレンスを、実際的な回路モデル量子コンピュータの設計および動作のための許容可能なレベルまで増加させることが不可能であることによって、依然として阻まれている。
【０００７】
量子計算への別のアプローチは、結合された量子系の、系の自然な物理的進化を、計算システムとして使用することを含む。このアプローチでは、量子ゲートおよび回路を不可欠なものとして使用することはしない。その代りに、このアプローチは、既知の初期ハミルトニアン(initial Hamiltonian)から開始して、結合された量子系の、系のガイドされた物理的進化に依拠し、ここで、解かれるべき問題は、系のハミルトニアンの項内に符号化されており、それにより、結合された量子系の、系の最終状態が、解かれるべき問題への答えに関連する情報を含む。このアプローチは、長い量子ビットコヒーレンス時間を必要としない。このタイプのアプローチの例は、断熱量子計算(adiabatic quantum computation)、クラスタ状態量子計算(cluster-state quantum computation)、一方向量子計算(one-way quantum computation)、量子アニーリング(quantum annealing)および古典的アニーリング(classical annealing)を含み、例えば、Farhi, E et. al., "Quantum Adiabatic Evolution Algorithms versus Simulated Annealing" arXiv.org:quant-ph/0201031 (2002), pp.1-16に記載されている。
【０００８】
量子ビット
前述のように、量子ビットは、量子コンピュータのための情報の基本単位として使用されてもよい。ＵＴＭにおけるビットと同様に、量子ビットは、少なくとも２つの別個の量を意味してもよい。量子ビットは、情報が記憶される実際の物理デバイスを意味してもよく、そして量子ビットは、さらに、その物理デバイスから離れて抽象化された、情報の単位そのものを意味してもよい。量子ビットの例としては、量子粒子、原子、電子、光子、イオンなどが挙げられる。
【０００９】
量子ビットは、古典的デジタルビットの概念を一般化する。古典的情報記憶デバイスは、一般に「０」および「１」とラベル付けされる、２つの離散的な状態を符号化することが可能である。物理的には、これらの２つの離散的な状態は、磁場、電流、または電圧の、方向または大きさなどの、古典的情報記憶デバイスの２つの異なる、かつ区別できる物理的状態によって表され、ここで、ビット状態を符号化する量は、古典物理学の法則に従って振る舞う。量子ビットも、同様に、やはり「０」および「１」とラベル付けされてもよい、２つの離散的な物理的状態を含む。物理的には、これらの２つの離散的な状態は、磁場、電流、または電圧の、方向または大きさなどの、量子情報記憶デバイスの２つの異なる、かつ区別できる物理的状態によって表され、ここで、ビット状態を符号化する量は、量子物理学の法則に従って振る舞う。これらの状態を記憶する物理量が量子力学的に振る舞う場合、デバイスはさらに、０および１の重ね合わせに位置してもよい。すなわち、量子ビットは、同時に「０」および「１」状態の両方に存在してもよく、したがって、両方の状態についての計算を同時に実行することが可能である。一般に、Ｎ個の量子ビットは、２Ｎ個の状態の重ね合わせにあることが可能である。量子アルゴリズムは、いくつかの計算を高速化するために、重ね合わせの特性を利用する。
【００１０】
標準的な記法では、量子ビットの基底状態(basis states)は、｜０＞および｜１＞状態と呼ばれる。量子計算の間、量子ビットの状態は、一般に、基底状態の重ね合わせであり、そのため量子ビットは、｜０＞基底状態を占める０ではない確率と、それと同時の、｜１＞基底状態を占める０ではない確率とを有する。数学的には、基底状態の重ね合わせは、｜Ψ＞で示される量子ビットの全体的状態が、｜Ψ＞＝ａ｜０＞＋ｂ｜１＞の形式を有することを意味し、式中、ａおよびｂは、それぞれ、確率｜ａ｜２および｜ｂ｜２に対応する係数である。係数ａおよびｂは、量子ビットの位相が特徴付けられることを可能にする、実数および虚数成分をそれぞれが有する。量子ビットの量子的性質は、大部分が、基底状態のコヒーレントな重ね合わせに存在する量子ビットの能力、および量子ビットの状態が位相を有する能力に由来する。量子ビットは、デコヒーレンスの源から十分に分離されている場合、基底状態のコヒーレントな重ね合わせとして存在するこの能力を維持する。
【００１１】
量子ビットを使用した計算を完了するためには、量子ビットの状態が測定される（すなわち、読み取られる）。一般に、量子ビットの測定が実行される場合、量子ビットの量子的性質は一時的に失われて、基底状態の重ね合わせは、｜０＞基底状態または｜１＞基底状態のいずれかに崩壊し、それにより、従来のビットとの類似性が取り戻される。崩壊した後の量子ビットの実際の状態は、読み取り動作の直前の確率｜ａ｜２および｜ｂ｜２に依存する。
【００１２】
超伝導量子ビット
量子計算に使用するために検討されている多くのさまざまなハードウェアおよびソフトウェアアプローチがある。１つのハードウェアアプローチでは、アルミニウムまたはニオブなどの超伝導材料で形成された集積回路を使用する。超伝導集積回路の設計および製造に含まれる、技術および処理は、従来の集積回路のために使用されるものに類似している。
【００１３】
超伝導量子ビットは、超伝導集積回路内に含まれることが可能なタイプの超伝導デバイスである。典型的な超伝導量子ビットは例えばスケーラビリティを利点としており、一般に、例えば電荷および位相素子、位相または磁束素子、ハイブリッド素子等を含む情報の符号化に用いられる物理的特性に応じて分類される。超伝導量子ビットは、情報を符号化するために使用される物理的特性に応じて、いくつかのカテゴリに分けられてもよい。例えば、超伝導量子ビットは、例えば、Makhlin et. al., 2001, Reviews of Modern Physics 73, pp.357-400で述べられているように、電荷、磁束、および位相デバイスに分けられてもよい。電荷デバイスは、デバイスの電荷状態内で、情報を記憶および操作し、ここで、電気素量はクーパー対と呼ばれる一対の電子からなる。クーパー対は２ｅの電荷を有し、例えばフォノン相互作用によって共に結合された、２つの電子からなる。例えば、NielsenおよびChuang、Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge University Press、Cambridge (2000), pp.343-345を参照されたい。磁束デバイスは、デバイスの何らかの部分を通る磁束に関連する変数内に、情報を記憶する。位相デバイスは、位相デバイスの２つの領域間の超伝導位相の差に関連する変数内に、情報を記憶する。最近、電荷、磁束、および位相のうちの２つ以上の自由度を使用するハイブリッドデバイスが開発された。例えば、米国特許第６，８３８，６９４号および米国特許第７，３３５，９０９号を参照されたい。
【００１４】
使用されてもよい磁束量子ビットの例としては、１つのジョセフソン接合または複合接合（単一のジョセフソン接合が２つの並列なジョセフソン接合によって置き換えられる）によって遮断される超伝導ループを含む、ｒｆ−ＳＱＵＩＤ、あるいは、３つのジョセフソン接合によって遮断される超伝導ループを含む、永久電流量子ビットなどが挙げられる。例えば、Mooij et. al., 1999, Science 285, p.1036、およびOrlando et. al., 1999, Phys. Rev. B 60, p.15398を参照されたい。超伝導量子ビットのその他の例は、例えば、Il'ichev et. al., 2003, Phys.Rev.Lett.91,097906、Blatter et. al., 2001, Phys. Rev. B 63, 174511、およびFriedman et. al., 2000, Nature 406, p.43に見出すことができる。さらに、ハイブリッド電荷−位相量子ビットも使用されてもよい。
【００１５】
量子ビットは、対応する局所的バイアスデバイスを含んでもよい。局所的バイアスデバイスは、量子ビットに外部磁束バイアスを提供する、超伝導量子ビットに近接した金属ループを含んでもよい。局所的バイアスデバイスは、さらに、複数のジョセフソン接合を含んでもよい。量子プロセッサ内の各超伝導量子ビットが、対応する局所的バイアスデバイスを有してもよく、または、量子ビットよりも少数の局所的バイアスデバイスが存在してもよい。いくつかの実施形態では、電荷ベースの読み出しおよび局所的バイアスデバイスが使用されてもよい。読み出しデバイスは、それぞれがトポロジ内の異なる量子ビットに誘導結合される、複数のｄｃ−ＳＱＵＩＤ磁力計を含んでもよい。読み出しデバイスは、電圧または電流を提供してもよい。少なくとも１つのジョセフソン接合によって遮断される、超伝導材料のループを含むｄｃ−ＳＱＵＩＤ磁力計は、当該技術分野で周知である。
【００１６】
量子プロセッサ
コンピュータプロセッサは、例えば、超伝導量子プロセッサなどの量子プロセッサのような、アナログプロセッサの形態を取ってもよい。超伝導量子プロセッサは、例えば、２つ以上の超伝導量子ビットなどの、複数の量子ビットおよび関連する局所的バイアスデバイスを含んでもよい。本システム、方法、およびデバイスと共に利用できる例示的な量子プロセッサの更なる詳細および実施形態が米国特許出願公開第２００６−０２２５１６５号、米国特許出願第１２／０１３，１９２号、２００７年１１月８日出願の米国仮特許出願第６０／９８６，５５４号「アナログ処理用のシステム、デバイス、および方法(Systems, Devices and Methods for Analog Processing)」、および２００８年３月２６日出願の米国仮特許出願第６１／０３９，７１０号「アナログ処理用のシステム、デバイス、および方法(Systems, Devices, and Methods for Analog Processing)」に記述されている。
【００１７】
超伝導量子プロセッサは、量子ビットのそれぞれ数対を選択的に結合するように動作可能な、複数の結合デバイスを含んでもよい。超伝導結合デバイスの例としては、磁束によって量子ビットを共に結合する、ｒｆ−ＳＱＵＩＤおよびｄｃ−ＳＱＵＩＤが挙げられる。ＳＱＵＩＤは、１つのジョセフソン接合（ｒｆ−ＳＱＵＩＤ）または２つのジョセフソン接合（ｄｃ−ＳＱＵＩＤ）によって遮断される超伝導ループを含む。結合デバイスは、相互接続トポロジ内で結合デバイスがどのように利用されるかに応じて、強磁性結合および反強磁性結合の両方が可能であってもよい。磁束結合の場合、強磁性結合は、平行な磁束がエネルギー的に好都合であることを意味し、反強磁性結合は、逆平行の磁束がエネルギー的に好都合であることを意味する。あるいは、電荷をベースとする結合デバイスが使用されてもよい。その他の結合デバイスは、例えば、米国特許出願公開第２００６−０１４７１５４号および米国特許出願第１２／０１７，９９５号に見出すことができる。結合デバイスのそれぞれの結合強度は、例えば、量子ビット間の強磁性または反強磁性結合を提供するために、０と最大値との間で調整されてもよい。
【００１８】
量子磁束パラメトロン
量子磁束パラメトロン（ＱＦＰ）は、合成ｒｆ−ＳＱＵＩＤと構造が類似している超伝導ジョセフソン接合素子である。しかし「量子磁束パラメトロン」という名称は単に構造だけではなく、ジョセフソン接合素子の動作と構造の両方を指す。例えば、「Hioe and Goto, Quantum Flux Parametron - A Single Quantum Flux Superconducting Logic Device, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., Singapore (1991), pp. 23-41」を参照されたい。ＱＦＰ素子により特定のポテンシャルエネルギー曲線を生成できる。このポテンシャルエネルギー曲線は「Ｗ」字に類似していて、中心ピークすなわち「障壁」の高さが調節可能であり、中央障壁の両側の２つの井戸の独立した深さも同様である。超伝導回路において、ＱＦＰは磁束論理素子として実装できる。従って、ＱＦＰ素子を用いて超伝導シフトレジスタ、超伝導メモリアレイ、超伝導加算器、超伝導フリップフロップ、および他の論理回路を実装できる。
【００１９】
量子機械の観点から、系が所望の基底状態を越えて励起しないように充分緩慢に中央障壁の高さを調整することが可能である。これは、量子系における断熱発展の例である。従って、既存の減衰ＱＦＰ素子が高いスイッチング速度（約２０ＧＨｚ超）で動作すべく設計されているが、本システム、方法および装置は、熱放散を制御する必要がある超伝導回路用の非減衰ＱＦＰ的な素子を提供する。本システム、方法、および装置の動作は一般に断熱的に制御される。本明細書の以下の部分および添付の請求項全体を通じて、「断熱的」、「断熱的に」、「断熱周波数」の各用語は次式を満たす周波数ｆを記述するために用いる。
【数１】
2010541309.tif 000003
ここで、Ｌはループインダクタンス、Ｃはジョセフソン接合の容量である。当業者には、本明細書に記述する大多数の例示的な回路において、スイッチング速度が約２０ＧＨｚ未満であることが理解されよう。
【００２０】
ラッチ量子ビット
超伝導量子ビットをラッチ素子として用いるシステム、方法、および装置が米国特許出願第１２／１０９、８４７号に記述されている。要約すれば、これらの素子は超伝導量子ビット回路の新たな応用を表す。超伝導量子ビット自体は、非減衰ＱＦＰ的な素子に類似しており、適切に制御された場合、多くの類似した論理回路を生成すべく利用できる。本システム、方法、および装置は、超伝導量子プロセッサの少なくとも１つの構成要素の状態の読み出しにおけるラッチ量子ビットの応用を記述する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２１】
少なくとも１つの実施形態を要約すれば、計算量子ビットと、計算量子ビットの状態を測定する測定装置と、量子ビットループ内で互いに直列結合された少なくとも２つの超伝導インダクタンスコイルを含む第１の閉超伝導電流路により形成された量子ビットループを含む第１のラッチ量子ビットと、量子ビットループを遮断する分割接合ループまたは複合ジョセフソン接合（当該複合ジョセフソン接合内で互いに直列結合され且つ当該量子ビットループに関して互いに並列に結合された少なくとも２つのジョセフソン接合を含む第２の閉超伝導電流路により形成されている複合ジョセフソン接合）と、当該複合ジョセフソン接合にクロック信号を導電的に結合すべく構成された第１のクロック信号入力構造とを含む超伝導読み出しシステムであって、第１のラッチ量子ビットが計算量子ビットと測定装置との間で導電結合を仲介すべく計算量子ビットと測定装置の少なくとも一方が第１のラッチ量子ビットと導電的に結合している。
【００２２】
計算量子ビットは超伝導量子ビットであって、例えば超伝導磁束量子ビット、超伝導電荷量子ビット、超伝導位相量子ビット、または超伝導ハイブリッド量子ビットであってよい。測定装置は磁力計を含んでいてよい。第１のラッチ量子ビットと、計算量子ビットおよび測定装置の少なくとも一方との間の導電結合は誘導結合を含んでいてよい。第１のクロック信号入力構造は、ほぼ断熱的な周波数でクロック信号を結合すべく構成されていてよい。断熱周波数は約２０ＧＨｚ未満であってよい。ほぼ一定のクロック信号を第１のラッチ量子ビットの複合ジョセフソン接合に印加することができ、また当該複合ジョセフソン接合内の少なくとも２つのジョセフソン接合のパラメータは、第１のラッチ量子ビットの量子ビットループに結合する信号が第１のラッチ量子ビットの量子ビットループから結合された、より大きい対応信号を生成すべく選択されてよい。超伝導読み出しシステムは更に、第１のラッチ量子ビットと導電的に直列結合された少なくとも第２のラッチ量子ビットを含んでいてよく、計算量子ビットおよび測定装置は、第１および第２のラッチ量子ビットが計算量子ビットと測定装置との間の導電結合を仲介すべく、各々第１および第２のラッチ量子ビットの少なくとも一方と導電的に結合している。第１および少なくとも第２のラッチ量子ビットは各々、個別の断熱クロック信号線と導電的に結合されていてよい。
【００２３】
少なくとも１つの実施形態を要約すれば、複数の計算量子ビットと、計算量子ビットの少なくとも１個の状態を測定する測定装置と、複数の個別のレジスタを含むシフトレジスタとを含む超伝導読み出しシステムであって、少なくとも１つのレジスタが各計算量子ビットと導電的に結合していて、少なくとも１つのレジスタが測定装置と導電的に結合している。
【００２４】
計算量子ビットの少なくとも１個は、超伝導量子ビット、例えば超伝導磁束量子ビット、超伝導電荷量子ビット、超伝導位相量子ビット、または超伝導ハイブリッド量子ビットであってよい。測定装置は磁力計を含んでいてよい。シフトレジスタは超伝導シフトレジスタを含んでいてよい。超伝導シフトレジスタを含む実施形態において、超伝導シフトレジスタは、各々の管理ラッチ量子ビットが管理クロック信号を受信すべく導電的に結合されている管理ラッチ量子ビットの組と、各々のダミーラッチ量子ビットが第１のダミークロック信号を受信すべく導電的に結合されているダミーラッチ量子ビットの第１の組と、各々のダミーラッチ量子ビットは第２のダミークロック信号を受信すべく導電的に結合されているダミーラッチ量子ビットの第２の組とを含む磁束超伝導シフトレジスタを含んでいてよく、管理量子ビットの組の連続する管理ラッチ量子ビットの各ペアに対して、ラッチ量子ビットの第１の組からダミーラッチ量子ビットの個別の１個およびダミーラッチ量子ビットの第２の組からダミーラッチ量子ビットの個別の１個が、連続する管理ラッチ量子ビットのペアの管理ラッチ量子ビット間の磁束を結合すべく配置されていて、磁束超伝導シフトレジスタ内の第１の管理ラッチ量子ビットが第１の計算量子ビットから第１の入力信号を受信すべく結合されていて、磁束超伝導シフトレジスタ内の第２の管理ラッチ量子ビットが第２の計算量子ビットから第２の入力信号を受信すべく結合されている。磁束超伝導シフトレジスタ内の第３の管理ラッチ量子ビットが結合されていて測定装置に出力信号を送信できる。管理クロック信号、第１のダミークロック信号、および第２のダミークロック信号は各々がほぼ断熱的な周波数であってよい。超伝導読み出しシステムは更に、少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットが第１の計算量子ビットと第１の管理ラッチ量子ビットとの間の導電結合を仲介すべく、第１の計算量子ビットと第１の管理ラッチ量子ビットとの間で導電的に直列結合された少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットを含んでいてよい。各仲介ラッチ量子ビットは、ほぼ断熱的なクロック信号を受信すべく導電的に結合されていてよい。超伝導読み出しシステムは更に、少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットが第３の管理ラッチ量子ビットと測定装置との間の導電結合を仲介すべく、第３の管理ラッチ量子ビットと測定装置との間で導電的に直列結合された少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットを含んでいてよく、少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットが、ほぼ断熱的なクロック信号を受信すべく導電的に結合されている。
【００２５】
少なくとも１つの実施形態を要約すれば、計算量子ビットの状態を読み出す方法であって、本方法は、計算量子ビットからの状態信号を第１のラッチ量子ビットに結合するステップと、第１のクロック信号を第１のラッチ量子ビット内の複合ジョセフソン接合に結合するステップと、第１のクロック信号を用いて、計算量子ビットと第１のラッチ量子ビットとの間における状態信号の結合を制御するステップとを含む。
【００２６】
本方法は更に、第１のラッチ量子ビットからの状態信号を測定装置に結合するステップと、第１のクロック信号を用いて第１のラッチ量子ビットと測定装置との間における状態信号の結合を制御するステップとを含む。
【００２７】
少なくとも１つの実施形態を要約すれば、複数の計算量子ビットにおいて各計算量子ビットの状態を読み出す方法であって、本方法は、計算量子ビットの各々からの個別の信号をシフトレジスタ内の個別のレジスタに結合するステップと、シフトレジスタに沿って信号をシフトするステップと、シフトレジスタ内の少なくとも１つのレジスタから少なくとも１つの測定装置に信号を結合するステップとを含む。いくつかの実施形態において、シフトレジスタは超伝導シフトレジスタを含んでいてよい。
【００２８】
計算量子ビットの各々からの個別の信号を超伝導シフトレジスタ内の個別のレジスタに結合するステップは、ラッチ量子ビットを含む磁束超伝導シフトレジスタの個別のレジスタに当該信号を結合するステップを含んでいてよい。本方法は更に、少なくとも１個の計算量子ビットからの信号の超伝導シフトレジスタ内の個別のレジスタへの結合を少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットを介して仲介するステップを含んでいてよい。本方法は更に、少なくとも１つのレジスタからの信号の測定装置への結合を少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットを介して仲介するステップを含む。結合およびシフトを行なうステップは、クロック信号パルスの組を超伝導シフトレジスタ内のレジスタに印加するステップを含んでいてよい。
【００２９】
図面において、同じ参照番号は、同様の要素または動作を識別する。図中の要素のサイズおよび相対位置は、必ずしも一定の縮尺で描かれてはいない。例えば、さまざまな要素の形状、および角度は、一定の縮尺で描かれてはおらず、これらの要素のいくつかは、図面の可読性を向上するために任意に拡大および配置されている。さらに、描かれているとおりの要素の特定の形状は、特定の要素の実際の形状に関するいかなる情報も伝えることは意図されておらず、図中での認識を容易にするためにのみ選択されている。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
図面の簡単な説明
【図１Ａ】超伝導磁束量子ビットとして実装可能な超伝導回路の模式図である。
【図１Ｂ】同様に超伝導磁束量子ビットとして実装可能な代替的な超伝導回路の模式図である。
【図２】超伝導磁束量子ビットにより生成可能なポテンシャルエネルギー曲線の一般的形状を示す近似グラフである。
【図３】ラッチ量子ビットとして動作する超伝導磁束量子ビットの実施形態の模式図である。
【図４】ラッチ量子ビットの実施形態の動作を表す近似グラフである。
【図５】ラッチ量子ビットを用いて計算量子ビットとｄｃ−ＳＱＵＩＤ磁力計との間の結合を仲介する読み出しシステムの実施形態の模式図である。
【図６】基本的論理素子としてラッチ量子ビットを使用する磁束超伝導シフトレジスタの実施形態の模式図である。
【図７】ラッチ量子ビットを含む磁束超伝導シフトレジスタを用いて複数の計算量子ビットの状態を読み出す読み出しシステムの実施形態の模式図である。
【図８】ラッチ量子ビットを含む磁束超伝導シフトレジスタを用いて複数の計算量子ビットの状態を読み出すことが可能な読み出しシステムの別の実施形態の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
発明の詳細な説明
以下の説明は、開示する各種の実施形態が完全に理解されることを目的として記述するものである。しかし、関連技術の当業者には、各種実施形態が、これらの具体的な詳細事項が無くても、あるいは他の方法、構成要素、材料等によっても実施可能であることが理解されよう。他の例では、実施形態の説明が無用に分かり難くならないように、アナログプロセッサに関連付けられた周知の構造、例えば量子プロセッサ、量子素子、結合素子およびマイクロプロセッサおよび駆動回路を含む制御システムの図示および詳述は行ない。
【００３２】
別途文脈上必要とされない限り、本明細書および特許請求の範囲を通じて、用語「含む」および「含んでいる」等の変化形は、開いた包含的な意味、すなわち「含んでいるがこれに限定されない」旨の意味に解釈されるものとする。
【００３３】
本明細書を通じて、「１つの実施形態」または「一実施形態」とは、当該実施形態に関連付けられて記述された特定の特徴、構造または特性が少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。従って、本明細書を通じて各所に現れる「１つの実施形態において」または「一実施形態において」という語句は必ずしも全て同一の実施形態を指す訳ではない。更に、特定の特徴、構造または特性は、任意の適当な方法で１つ以上の実施形態に組み込むことができる。
【００３４】
本明細書および添付の特許請求の範囲において用いられているように、単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、記述内容が別途明示しない限り複数の対象を含んでいる。また、用語「または」は一般に、記述内容が別途明示しない限り「および／または」を含む意味で用いられている点に注意されたい。
【００３５】
本明細書の開示内容の見出しおよび要約は、便宜上のものに過ぎず、実施形態の範囲または意味を解釈するものではない。
【００３６】
更に、本明細書においてある図面は各種の電圧および電流の波形を示す。これらの波形は、実施形態の動作を理解する目的での図示を意図しており、一定縮尺での描画および／または波形の挙動を形状、振幅、デューティサイクル、周波数、歪曲その他の特徴に関して精密且つ正確に表すことは意図していない。
【００３７】
本システム、方法、および装置は、超伝導量子プロセッサ内の少なくとも１つの構成要素の状態を読み出す技術を記述する。これらの技術は、超伝導ラッチ量子ビットを組み込んだ読み出しシステムを実装する。読み出される超伝導量子プロセッサの少なくとも１つの構成要素は超伝導量子ビットを含んでいてよい。本システム、方法、および装置は、量子プロセッサの残りの部分への分離された読み出し動作の影響を減らすことにより超伝導量子プロセッサ内の量子ビットの状態を読み出す既存の技術を改良したものである。
【００３８】
超伝導量子プロセッサ内の量子ビットの状態を読み出す多くの既存技術は、量子ビットの状態を直接測定するステップを含んでいる。例えば、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ等の磁力計を用いて超伝導磁束量子ビットの状態を直接測定できる。しかし、量子ビット状態の直接測定に依存する読み出し方式は、結果的に「読み出し破壊」をもたらす場合があるため、量子ビットの状態を観察する物理的行為が量子プロセッサ内の他の量子ビットの古典的状態に影響を及ぼす。読み出し破壊の問題は当分野で公知である。このような直接測定技術の更なる短所として、測定装置のノイズが量子ビットに無用に結合されてしまう点が挙げられる。超伝導磁束量子ビットに直接結合しているｄｃ−ＳＱＵＩＤの場合、測定が行なわれている間、あるいは２つの素子間の結合が依然として有効な場合は測定が行なわれていなくても、ノイズがｄｃ−ＳＱＵＩＤから超伝導磁束量子ビットまで伝播する場合がある。更に、ｄｃ−ＳＱＵＩＤ自身はノイズの影響を非常に受けやすく、ノイズが多い環境で弱い信号を格納する点で理想的な素子とはいえない。
【００３９】
上で議論したように、量子計算の基本単位は量子ビットである。超伝導量子ビットは、超伝導磁束量子ビットを含む各種の形式をなしていてよい。超伝導磁束量子ビットは、ジョセフソン接合として知られる少なくとも１つのスイッチング素子を含む超伝導ループの形式で実現できる。量子プロセッサはまた、そのような超伝導ループおよびジョセフソン接合を任意の数だけ含んでいてよい。図１Ａは、超伝導磁束量子ビットとして実装可能な基本的回路１００の模式図である。回路１００は、自身が２つのジョセフソン接合１１１、１１２により遮断される第２の超伝導ループ１０２により遮断される第１の超伝導ループ１０１を含んでいる。以下、超伝導ループ１０１を「量子ビットループ」と呼び、超伝導ループ１０２を「複合ジョセフソン接合」または「ＣＪＪ」と呼ぶ。当業者は、回路１００のｒｆ−ＳＱＵＩＤ近似が可能であって、ＣＪＪ１０２およびジョセフソン接合１１１、１１２が全て１つのジョセフソン接合で代替されること、あるいは同様にＣＪＪ１０２において任意の数のジョセフソン接合を使用できることを理解されよう。
【００４０】
動作時において、回路１００の超伝導磁束量子ビットは誘導結合により他の素子と導電可能である。例えば、図１Ｂは、超伝導磁束量子ビットとして実装可能な別の回路１５０の模式図である。図１Ｂは１量子ビット系を表し、且つ他の量子ビットと導電可能であるが図示されていない点に注意されたい。回路１５０において、量子ビットループ１５１は、インダクタンスコイル１６１を含み、信号線に誘導結合される。同様に、ＣＪＪ１５２もまた、別々の信号線に誘導結合する。回路１５０の結合方式を用いて、超伝導磁束量子ビットのエネルギーを制御し、且つ特定のポテンシャルエネルギー曲線を確定できる。図２は、回路１５０により生成可能なポテンシャルエネルギー曲線の一般的形状を示す近似グラフである。主な特徴は、ＣＪＪ１５２との誘導結合により障壁２０１の高さが制御できることである。同様に、障壁２０１のいずれかの側の２つの井戸（２１１、２１２）の相対的な深さは、量子ビットループ１５１への誘導結合により制御できる。
【００４１】
図１Ｂに示す回路１５０は超伝導磁束量子ビットとして使用できるが、量子磁束パラメトロン（ＱＦＰ）の実施形態にも類似している。計算素子として、超伝導磁束量子ビットの構造は（図１Ａ、１Ｂに示すように）、「計算量子ビット」として動作可能である。本システム、方法、および装置の目的のため、用語「計算量子ビット」は量子プロセッサ内の計算素子として用いられる量子ビット構造を指す。すなわち、計算量子ビットは、計算アルゴリズムに従って初期状態から最終状態まで発展する。超伝導磁束量子ビットは、論理素子として、２００７年４月２５日出願の米国仮特許出願第６０／９１３、９８０号「断熱超伝導量子ビット論理素子および方法」および米国特許出願第１２／１０９、８４７号に概説されているようにラッチ量子ビットとして動作可能である。古典的電気回路におけるラッチングの概念は、本明細書に記述する非古典的ラッチングと同様である。本明細書および添付の請求項全体を通じて、磁気信号を「ラッチする」とは、瞬時信号をロードし、ソース信号の摂動または発展にもかかわらず瞬時信号を保持して、ラッチングが消失（クエンチ）するまで瞬時信号を連続的に出力する処理を指す。従って、本明細書では用語「ラッチ量子ビット」を用いて当該処理を実装する素子を示す一方、本明細書では用語「計算量子ビット」を用いて量子計算を実行すべく発展した量子ビットを示す。
【００４２】
図１Ａ、１Ｂに示す超伝導磁束量子ビットの一般的構造は、計算量子ビットまたはラッチ量子ビットとして実装できる。しかし、計算動作用に設計された量子ビット構造はラッチング動作には適せず、ラッチング動作用に設計された量子ビット構造は計算動作に適していない等、計算量子ビットの設計パラメータはラッチ量子ビットのものとは異なる場合がある。本明細書に記述する各種の実施形態において、計算量子ビットは、特に計算動作を実行すべく構造的且つパラメトリックに設計できる。同様に、ラッチ量子ビットは、特にラッチング動作を実行すべく構造的且つパラメトリックに設計できる。計算量子ビットと比較して、ラッチ量子ビットのパラメータは一般に、より大きいジョセフソン接合、ＣＪＪ内のより小さいループ、およびより大きいβｍａｘを含んでいてよい。計算量子ビットのパラメータは量子トンネリングおよび重ね合せ状態の実現を容易にすべく設計でき、ラッチ量子ビットのパラメータは状態間の分離を容易にすべく設計できる。
【００４３】
図３は、ラッチ量子ビット３００として動作している超伝導磁束量子ビットの実施形態の模式図である。図１Ａ、１Ｂと同様に、ラッチ量子ビット３００の回路は量子ビットループ３０１および分割接合ループすなわちＣＪＪ３０２を含み、ＣＪＪ３０２は２つのジョセフソン接合３１１、３１２を含んでいる。ラッチ量子ビット３００は更に、各々入出力信号を転送すべく入出力信号線３０３、３０５と誘導結合するための２つの超伝導インダクタンスコイル３６１、３６２を含んでいる。本実施形態において、ＣＪＪ３０２自体は、クロック信号線３０７に誘導結合すべく構成される。クロック信号線３０７上のクロック信号がラッチ量子ビット３００の動作を制御する。本明細書および添付の請求項全体を通じて、用語「クロック」および「クロック信号」は多くの場合、周期パルスの制御可能な信号を指すために用いられる。しかし、当業者はパルスの制御可能な信号が、電気回路その他の媒体（例：光）内の他の信号または素子により実現可能であり、パルスが周期的でなくてもよいことを理解されよう。従って、本明細書では用語「クロック」および「クロック信号」はその最も広義の意味で用いられており、制御可能なパルスのシーケンスを管理する全ての方法を包含することを意図している。
【００４４】
図３に示すラッチ量子ビット３００の模式図は説明目的であって実施形態の一例を示すものである。当業者は、特定のシステム要件を満たすべく回路に対して様々な変更が可能であることを理解されよう。例えば、量子ビットループ３０１は正方形や長方形等、代替的な形状であってよく、信号線３０３、３０５への結合はガルバニック結合等、代替的な手段を介して行なわれてよく、量子ビットループ３０１には２つより多くのまたは少ない結合位置があってよく、ＣＪＪ３０２には２つより多くのまたは少ないジョセフソン接合があってよく、ジョセフソン接合は量子ビットループ３０１にも挿入されていてよい。このような変更は全て、ラッチ量子ビットが実装されている特定のシステムに固有である一方、本システム、方法、および装置に従いラッチ量子ビットとしての超伝導磁束量子ビットの動作の基礎となる一般的原理は実質的に不変である。
【００４５】
図４にラッチ量子ビット３００のサンプル動作を表す近似グラフを示す。３つの並行信号、すなわちクロック信号、入力信号および出力信号を図４に示す。本実施形態において、クロック信号が立ち上がった際に、ラッチ量子ビットはその瞬間に入力信号をロードし、当該瞬時信号を保持して、クロックパルスが持続する間に出力端へ送信する。例えば、信号入力が高レベルにある間、図４の位置Ａでクロックパルスが立ち上がっている。従って、高レベル信号は、ラッチ量子ビットにより「ラッチされ」、クロックパルスが持続する間、保持される。高レベル信号が保持されている間、高レベル信号はラッチ量子ビットの信号出力に現れる。すなわち、ラッチ量子ビットは、クロックパルスが上方へ立ち上がった際に最初に受信した信号を保持する。入力信号が発展し続けても、ラッチ量子ビットは、クロックパルスが上方へ立ち上がった際の入力信号を効果的に記録し、これがラッチされて出力端へ転送される信号となる。図４において、第１のクロックパルスが依然として高レベルにある間、入力信号は位置Ｃで立ち下がるが、出力信号は、ラッチ量子ビットにより保持されている信号であるため、高レベルであり続ける。出力信号は、クロックパルスが立ち下がるにつれて終了し、クロックが休止している間、信号は送信されない。位置Ｂにおいて、今回は入力信号が低レベルにある間にクロックパルスは再び立ち上がる。従って、低レベル信号がラッチされて、クロックパルスが再び立ち下がるまでラッチ量子ビットにより連続的に出力される。
【００４６】
図４に示す近似グラフは、ラッチ量子ビットの動作の例示的な実施形態を表す。他の実施形態において、ラッチ量子ビットのラッチングは、クロックパルスの立ち下がりにより生起されてもよい。ラッチングのタイミングがクロック周波数により制御されているが、ラッチングを生起させる正確な方法は、クロックパルスが対応する大きさの範囲およびラッチ量子ビットに印加される信号バイアスに依存する。クロックパルスを用いて、系のポテンシャルエネルギー曲線の形状を変えることができる。ラッチ量子ビットに印加される入力信号は、系のポテンシャルエネルギー曲線が放物線または「Ｕ」字状である場合に「消失する」。ラッチ量子ビットに印加される入力信号は、系のポテンシャルエネルギー曲線が図２に示すように「Ｗ」字状である場合に「ラッチされる」。クロックパルスを用いて、（図２における障壁２０１のような）系のポテンシャルエネルギー曲線の障壁を立ち上げることができるため、「Ｗ」字状のポテンシャルエネルギー曲線が生成されてラッチングが生起される。
【００４７】
ラッチングが生じるのは、ラッチ量子ビットの基底状態が外部場に整合していて、断熱障壁の立ち上がりが系を基底状態に保つためである。従って、本システム、方法、および装置に記述するラッチ量子ビットの動作において、断熱発展が制御されていることが望ましい。これは、多くのシステムにおいて、クロック信号が約２０ＧＨｚ未満の周波数で動作する必要があることを意味する。この周波数範囲で動作する利点は、ジョセフソン接合にシャント抵抗を組み込まなくても系の状態を安定化できることである。ラッチ量子ビットは、単一磁束量子（ＳＦＱ）素子よりも発生する熱が少なく、従って、ミリケルビン温度で動作するため熱ノイズの影響を極めて受けやすいシステムの論理素子として有用である。
【００４８】
ラッチ量子ビットは、クロック信号のパルスを発してポテンシャルエネルギー曲線に障壁を生成した時点でロードされた瞬時入力信号を保持する。しかし実際には、ラッチされた信号は、障壁が残っている間に（すなわち、クロックパルスが持続している間に）生じる入力信号の摂動に僅かに影響される場合がある。これらの影響は例えば、素子内および他の近傍素子とのクロストークに起因して生じる場合がある。クロストークの影響は、ラッチ量子ビットとして超伝導磁束量子ビットが動作する場合に考慮しなければならない。
【００４９】
本システム、方法、および装置は、少なくとも１個の計算量子ビットの状態を読み出す際にラッチ量子ビットを使用する場合を記述する。ラッチ量子ビットは、測定システムから計算量子ビットへのノイズの過剰な結合を減少または除去する静かで非破壊的な方法で、計算量子ビットを容易に読み出すことができる。一実施形態において、ラッチ量子ビットを用いて計算量子ビットと測定装置との間の結合を仲介できる。
【００５０】
図５に、ラッチ量子ビット５０１を用いて計算量子ビット５０２とｄｃ−ＳＱＵＩＤ磁力計５０３との間の結合を仲介できる読み出しシステム５００の実施形態の模式図である。当業者は、同様にラッチ量子ビットを用いて多くの異なるタイプの超伝導量子ビットと測定装置との間の結合を仲介できることを理解されよう。図３と比較して、図５では計算量子ビット５０２がラッチ量子ビット５０１の左側に入力される信号を提供し、磁力計５０３がラッチ量子ビット５０１の右側から出力される信号を受信する。計算量子ビット５０２からラッチ量子ビット５０１へ入力された信号はラッチ量子ビット５０１の量子ビットループの循環電流を誘導できる。これが、計算量子ビット５０２の状態の表現として磁力計５０３により最終的に測定できる循環電流である。当業者は、図５に示す実施形態における「左から右への」信号伝播は説明目的に過ぎないことを理解されよう。ラッチ量子ビットへ入出力される信号は、ラッチ量子ビットの本体回りの任意の位置にあってよい。図５に示す実施形態において、ラッチ量子ビット５０１は、クロック信号がクロック信号線５０７にパルスを発する際に計算量子ビット５０２の瞬間的な状態をラッチする。計算量子ビット５０２の状態がラッチ量子ビット５０１によりラッチされている間、ラッチ量子ビット５０１から磁力計５０３へ信号が送信されて読み出し動作を実行する。このように、磁力計５０３は、計算量子ビット５０２の状態がラッチされた後で、ラッチ量子ビット５０１からの信号を測定することにより計算量子ビット５０２の状態を間接的に読み取る。少なくとも１個のラッチ量子ビットを用いて計算量子ビットと状態測定装置との間の結合を仲介することにより、計算量子ビットと測定装置との間に一定レベルの分離をもたらす。この分離により、測定装置から計算量子ビットへのノイズの結合を減少させることができる。分離のレベルは、読み出しシステム内で仲介ラッチ量子ビットの数を増やすことにより向上させることができる。例えば、計算量子ビット５０２と磁力計５０３との間の結合は、互いに直列結合された複数のラッチ量子ビットにより仲介できる。当業者は、任意の数のラッチ量子ビットを互いに直列に結合して、システム内で要求される分離のレベルに応じて計算量子ビットと測定装置との間の結合を仲介できることを理解されよう。
【００５１】
米国公開特許第２００６−０２４８６１８号に、状態を第２の量子ビットへ転送し、次いで第２の量子ビットから転送された状態を読み出すことにより第１の量子ビットの状態を読み出す同様に技術が記述されている。しかし、本システム、方法、および装置に記述するように専用の計算量子ビットの状態を読み出すため専用のラッチ量子ビットを実装することで、米国公開特許第２００６−０２４８６１８号には見られない更なる利点が実現できる。両方の動作を実行する別々の量子ビットを必要としないように計算およびラッチング動作を分離することにより、計算動作の実行により適した計算量子ビットのパラメータを設計し、ラッチング（および読み出し）動作の実行により適したラッチ量子ビットのパラメータを設計できる。例えば、専用の計算量子ビットと比較してより高い中央障壁を自身のポテンシャルエネルギー曲線に実現すべく専用のラッチ量子ビットを設計できる。この高い中央障壁により、ラッチされた古典的状態を目立った顕著なしに比較的長期間格納することができ、読み出し動作を行なう間のノイズの影響を減少させるのに役立つ。本明細書に記述する各種の実施形態において、ラッチ量子ビットは一般に、計算量子ビットと比較してノイズおよび読み出し反動に対してより堅牢である。
【００５２】
専用ラッチ量子ビットを実装する更なる利点として、いくつかの実施形態において、図５に示す読み出しシステム５００を用いて計算量子ビット５０２から磁力計５０３に結合された磁束信号を増幅できる。計算量子ビット５０２から到着した信号を読み出す前に増幅すれば、当該信号をより細かく分解して、読み出された信号をノイズに対してより堅牢にするのに有用な場合がある。読み出しシステム５００の実施形態において、ラッチ量子ビット５０１のＣＪＪに印加されたクロック信号はほぼ一定、例えば約φ０以上の値であってよい。この状況において、ラッチ量子ビット５０１は磁束増幅器としての役割を果たす。ラッチ量子ビット５０１を含む素子のパラメータ（例えば、ジョセフソン接合の臨界電流およびそのインダクタンス）に応じて、ラッチ量子ビット５０１の量子ビットループ内で誘導された循環電流は、計算量子ビット５０２から到着する入力信号より大きくなる場合がある。これが磁力計５０３により最終的に測定可能なラッチ量子ビット５０１の量子ビットループ内の循環電流であるため、計算量子ビット５０２から到着した信号を効果的に増幅できる。当業者は、ラッチ量子ビット５０１を含む各種の素子の設計パラメータを適宜選択することにより増幅のレベルが制御可能であることを理解されよう。
【００５３】
いくつかの実施形態において、ラッチ量子ビット５０１を介して計算量子ビット５０２から磁力計５０３に結合された磁束信号の正の増幅は、計算量子ビット５０２とラッチ量子ビット５０１との間の相互インダクタンスＭと、ラッチ量子ビット５０１の感受率Ｘとの積が１より大きい場合に実現される。すなわち、ラッチ量子ビット５０１は、次式が成立すれば正の磁束増幅を実現できる。
ＭＸ≧１
【００５４】
同様の実施形態において、ラッチ量子ビットは、例えば超伝導量子プロセッサ等の超伝導システムにおける各種構成要素間の調整可能トランスとして用いることができる。このように、ラッチ量子ビット５０１は、計算量子ビット５０２と磁力計５０３との間の結合を仲介することができ、その際に、計算量子ビット５０２から磁力計５０３に結合される信号の大きさを制御できる。
【００５５】
他の実施形態において、本システム、方法、および装置は、複数の計算量子ビットの状態の読み出しにラッチ量子ビットを使用する場合を記述する。そのような実施形態において、ラッチ量子ビットの組を用いて磁束超伝導シフトレジスタを構築するのが有利である。これら複数の計算量子ビットは次いでシフトレジスタ内へラッチされ、そこで計算量子ビット信号を読み出しのために単一の測定装置へシフトすることができる。
【００５６】
図６は、基本的論理素子としてラッチ量子ビットを用いる磁束超伝導シフトレジスタ６００の実施形態の模式図である。ラッチ量子ビットの実装について米国特許出願第１２／１０９、８４７号に記述されている。磁束超伝導シフトレジスタ６００の構造は、各ラッチ量子ビットが少なくとも１個の隣接ラッチ量子ビットに導電的に（すなわち誘導的に）結合すべく構成されるように連鎖的に配置された複数のラッチ量子ビットを含んでいる。特に、連鎖内の各ラッチ量子ビットは、連鎖の最初と最後を除いて連鎖内の他の２個のラッチ量子ビットに結合している。連鎖の最初と最後に位置するラッチ量子ビットは各々他の１個のラッチ量子ビットだけに結合されていてよい。図６ではシフトレジスタ６００は水平方向の直線として描かれているが、当業者は、素子または素子群が実装されている特定のシステムの必要を満たすべく素子の幾何学的配置が任意の形式であってよいことを理解されよう。当業者は、箱または蛇行する「Ｓ」字パターン等、結合されたラッチ量子ビットの２次元配置も同様に実装できることを理解されよう。
【００５７】
当業者は、図６に示す素子を適宜スケーリングすることにより任意の分解能を有する同様のシフトレジスタが構築可能であることを理解されよう。図６に示す実施形態は、ラッチ量子ビット６０１、６０２、６０３を用いて各々離散的磁束量子の形式で少なくとも１つの素子を出入りする１ビットの情報を管理する一方、ラッチ量子ビット６１１、６１２、６２１、６２２はシフトレジスタ６００自体の内部で信号の分離および受け渡しを行なうための「ダミーラッチ量子ビット」として用いられる。ラッチ量子ビット６０１、６０２、６０３は最終的に信号を実装して管理すべく用いられるため、これらを本明細書では「管理ラッチ量子ビット」と呼ぶ。当業者は、本明細書において「管理者」、「管理する」、「管理」等の用語を、データ信号を生成、管理、格納、操作および転送するあらゆる方法をカプセル化すべく用いているが、これに限定されない。従って、本明細書において用語「管理ラッチ量子ビット」は、他の素子に結合されていて当該素子を出入りするデータ信号を管理するラッチ量子ビットを示すために用いる。
【００５８】
シフトレジスタ６００内の各ラッチ量子ビットは図３のラッチ量子ビット３００と同様の仕方で動作する。すなわち、シフトレジスタ６００内の各ラッチ量子ビットは入力信号、出力信号、およびクロック信号に結合される。本実施形態において、シフトレジスタ６００は、図６にクロックＡ、クロックＢ、クロックＣとして示す３本の異なるクロック信号線を有する。入力信号は、対応するクロック信号がパルスを発してポテンシャルエネルギー曲線に障壁を生成した際に各々の素子によりロードおよびラッチされ、ラッチされた信号はクロックパルスが持続する間保持される。シフトレジスタ６００において、入力信号は６０１、６１１、６２１、６０２、６１２、６２２、６０３の順に個々のラッチ量子ビットを通って左から右に伝播される。
【００５９】
図６に示す例示的なシフトレジスタ６００は、７個のラッチ量子ビットにより実装される。すなわち、ラッチ量子ビット６０１、６０２、６０３は管理量子ビットとして、ラッチ量子ビット６１１、６１２、６２１、６２２はシフトレジスタ６００自体の内部で導電すべくダミーラッチ量子ビットとして実装される。本実施形態において、これらのダミーラッチ量子ビットを用いて、管理ラッチ量子ビット信号を互いに分離できる。ラッチ量子ビット６０１、６０２、６０３は、管理ラッチ量子ビットであって、各々が少なくとも１つの素子に出入りする信号を管理すべく用いられる。しかし、これらの素子の動作の特性により、分離のレベルは管理ラッチ量子ビット間にあることが望ましい。図６に示すもののうち任意のラッチ量子ビットが、対応するクロックパルスにより個別に消失するまで信号を保持できる。更に、標準的な論理ゲートとは異なり、隣接ラッチ量子ビット間の信号転送は所望の方向にバイアスされない。所与のラッチ量子ビットにおいてラッチされた信号は、クロックパルス同期に応じて前方と全く同程度に後方に（すなわち図６において左から右と全く同程度に右から左へ）進むことができる。少なくとも２個のダミーラッチ量子ビットが連続する管理ラッチ量子ビットの各ペアを分離するシステムを実装することにより、クロックパルスのよく考慮されたシーケンスが入力信号の前方伝播（すなわち図６の左から右へ）だけを許すように、管理ラッチ量子ビットを充分に分離できる。この実施形態により、消失したラッチ量子ビットの少なくとも１つの層が隣接する管理ラッチ量子ビットを分離可能であり、従って論理信号の逆結合を阻止できることが保証する。ラッチ量子ビットが二端子素子であるため、３本のクロック信号線が用いられる。従って、シフトレジスタ６００内の隣接するラッチ量子ビットは異なる位相で活性化され、論理信号はある活性化素子から隣接する次の活性化素子へ伝播される。図６におけるラッチ量子ビットのシーケンス（すなわち、６０１、６１１、６２１、６０２、６１２、６２２、６０３）がＡｄｍｉｎ０、１Ｄｕｍ０、２Ｄｕｍ０、Ａｄｍｉｎ１、１Ｄｕｍ１、２Ｄｕｍ１、Ａｄｍｉｎ２として読まれている場合、クロック信号はシフトレジスタ６００に結合されてＡｄｍｉｎ０、Ａｄｍｉｎ１、Ａｄｍｉｎ２が全て第１のクロック線（クロックＡ）に結合され、１Ｄｕｍ０および１Ｄｕｍ１の両方が第２のクロック線（クロックＢ）に結合され、２Ｄｕｍ０および２Ｄｕｍ１の両方が第３のクロック線（クロックＣ）に結合される。従って、導電的に（例えば誘導的に）結合されたラッチ量子ビットの線内の同じ相対位置にあるラッチ量子ビットは全て同一クロック信号線に結合する。例えば、全ての管理ラッチ量子ビットが１本のクロック信号線に結合され、左側の管理ラッチ量子ビットに結合する全てのダミーラッチ量子ビットは第２のクロック信号線に結合され、右側の管理ラッチ量子ビットに結合する全てのダミーラッチ量子ビットは第３のクロック信号線に結合される。上述のように、本システム、方法、および装置によれば、各クロック信号が断熱周波数で動作するならば各ジョセフソン接合にまたがるシャント抵抗は無くてもよい。更に、図６に示す全ての導電結合が誘導結合であるが、当業者は、特定の用途において適宜、ガルバニック結合等、導電結合の代替的な手段を代わりに用いてもよいことを理解されよう。
【００６０】
いくつかの実施形態において、入力信号は、当該素子に入るクロックパルスと一致する場合、所与のラッチ量子ビットだけに与えられる。例えば、高レベルの入力信号がラッチ量子ビット６０１に結合された場合、クロックＡがパルスを発してポテンシャルエネルギー曲線に障壁を生成する場合にだけ、当該信号がラッチ量子ビット６０１によりラッチされる。ここで、クロックＡのパルスが持続する間（すなわち、クロックＡが消失した状態に戻る前）にクロックＢがパルスを発する場合、ラッチ量子ビット６１１はラッチ量子ビット６０１からの信号をラッチする。同様に、次いでクロックＣがクロックＢのパルスが持続する間（すなわち、クロックＢが消失した状態に戻る前に）パルスを発する場合、ラッチ量子ビット６２１はラッチ量子ビット６１１からの信号をラッチする。
【００６１】
図６に示す磁束超伝導シフトレジスタの実施形態は説明目的であってラッチ量子ビットをシフトレジスタとして実装可能な方法の一例を示すに過ぎない。当業者は、特定のシステムにおいて、異なる数のダミーラッチ量子ビットおよび／または異なる数のクロック信号線を実装する任意のシステムが有利であることを理解されよう。
【００６２】
本システム、方法、および装置は、複数の計算量子ビット内の各計算量子ビットの状態を読み出す場合における図６に示すシフトレジスタ６００等の磁束超伝導シフトレジスタの特定の実装例を記述する。
【００６３】
図７は、ラッチ量子ビットを含む磁束超伝導シフトレジスタ７０１を用いて複数の計算量子ビット内の各計算量子ビットの状態を読み出す読み出しシステム７００の実施形態の模式図である。シフトレジスタ７０１の動作は、データ信号が単一の信号入力線ではなく、計算量子ビット７２１、７２２を介してシフトレジスタ７０１に入力する点を除いて図６に示すシフトレジスタ６００と極めて良く似ている。シフトレジスタ７０１において、クロックＡにパルスが存在する場合に管理ラッチ量子ビット７１１が計算量子ビット７２１の状態をラッチする。同様に、クロックＡにパルスが存在する場合に管理ラッチ量子ビット７１２が計算量子ビット７２２の状態をラッチする。シフトレジスタ６００について図６に記述されているようにクロック信号Ａ〜Ｃの制御されたパルス生成により、計算量子ビット７２１、７２２の状態をレジスタ７０１に沿って管理量子ビット７１３までシフトさせ、そこで磁力計７３１等の測定装置により信号が読み出される。従って、読み出しシステム７００は、単一の測定装置（磁力計７３１）を介して２個の計算量子ビット（７２１、７２２）の読み出しを可能にする。当業者は、任意の数の計算量子ビットの状態を読み出すべく同様のシフトレジスタ設計が応用可能であることを理解されよう。本システム、方法、および装置は、ラッチ量子ビットを含む磁束超伝導シフトレジスタを介して計算量子ビットの読み出しを実行することにより超伝導プロセッサを動作させるのに必要な外部信号線の数を減らすことができる。従って、個々の計算量子ビットの各々に対応して個別に測定装置を用意することなく、単一の装置（磁力計７３１等）により複数の測定を行なうことができる。
【００６４】
図５において、仲介ラッチ量子ビット５０１は、計算量子ビット５０２と磁力計５０３との間に一定レベルの分離をもたらす。上述のように、分離のレベルは、計算量子ビット５０２と磁力計５０３との間に追加的な仲介ラッチ量子ビットを直列に挿入することにより向上させることができる。同様に、いくつかの実施形態において磁束超伝導シフトレジスタを構成するラッチ量子ビットから計算量子ビットを分離するのが有利な場合もある。
【００６５】
図８は、ラッチ量子ビットを含む磁束超伝導シフトレジスタ８０１を用いて、複数の計算量子ビット内の各計算量子ビットの状態を読み出すことができる読み出しシステム８００の別の実施形態の模式図である。シフトレジスタ８０１は図７に示すシフトレジスタ７０１と同様の仕方で動作するが、読み出しシステム８００は読み出しシステム７００に含まれていない仲介ラッチ量子ビット８４１〜８４３を含んでいる。仲介ラッチ量子ビット８４１を用いて計算量子ビット８２１とシフトレジスタ８０１との間の結合を仲介できる。同様に、仲介ラッチ量子ビット８４２を用いて計算量子ビット８２２とシフトレジスタ８０１との間の結合を仲介できる。また、仲介ラッチ量子ビット８４３を用いてシフトレジスタ８０１と磁力計８３１等の測定装置との間の結合を仲介できる。読み出しシステム８００において、仲介ラッチ量子ビット８４１〜８４３は全て同一のクロック信号線「クロックＤ」により制御されている。従って、計算量子ビットの状態は、クロック信号線クロックＤ上のクロック信号がパルスを発した際にラッチされ、次いでこれらの状態は図６に示すシフトレジスタ６００について説明したのと同様の仕方でシフトレジスタ８０１を通って伝播できる。本実施形態において、クロック信号線クロックＤ上のパルスもまた、シフトレジスタ８０１内のラッチ量子ビット８５１からの信号または状態をラッチして、当該信号または状態を読み出すべく磁力計８３１へ送信する。当業者は、いくつかの実施形態において読み出しシステム内で異なる数のクロック信号線を用いるのが有利であることを理解されよう。例えば、いくつかの実施形態において、各仲介ラッチ量子ビットを自身の個別クロック信号により制御するのが有利であり、または同一クロック信号により仲介ラッチ量子ビットの特定のグループを制御するのが有利な場合がある。
【００６６】
当業者はまた、図５で説明したのとほぼ同様に、シフトレジスタと計算量子ビットまたは測定装置との間の分離を更に広げるべく任意の数の仲介ラッチ量子ビットが互いに直列に結合されていてよいことを理解されよう。所与の結合を仲介すべく互いに結合された複数のラッチ量子ビットを用いる実施形態において、より多くのクロック信号線をシステムに組み込むのが有用な場合がある。更に、仲介ラッチ量子ビット８４１〜８４３等の仲介ラッチ量子ビットを各々用いて、個別の計算量子ビットにより出力された信号（群）を図５に示す仲介ラッチ量子ビット５０１について説明したのと同様の仕方で増幅できる。
【００６７】
要約書の記述を含め、例示する実施形態の上の説明は網羅的ではなく、また実施形態を開示した形式通りに限定することを意図していない。本明細書では特定の実施形態および例を例示目的で記述しているが、当業者には理解されるように、本開示の概念および範囲から逸脱することなく各種の等価な変更を施すことが可能である。本明細書に提示する各種の実施形態は必ずしも上で一般的に述べた例示的な読み出しシステム、方法、およびデバイスではなく、超伝導読み出しシステム、方法、およびデバイスにも適用可能である。
【００６８】
上述の各種の実施形態を組み合わせて更なる実施形態を提供することができる。本明細書で参照した、および／または出願データシートに掲載されている全ての米国特許、米国特許出願公開、米国特許出願、外国特許、外国特許出願、および非特許文献の全文が本明細書に援用されている。すなわち以下の文献が含まれるがこれらに限定されない。２００７年９月２４日出願の米国仮特許出願第６０／９７４，７４３号「量子ビット状態の読み出し用のシステム、方法、および装置(Systems, Methods and Apparatus for Qubit State Readout)」、米国特許第６，８３８，６９４号、米国特許第７，３３５，９０９号、米国特許出願公開第２００６−０２２５１６５号、米国特許出願第１２／０１３，１９２号、２００７年１１月８日出願の米国仮特許出願第６０／９８６，５５４号「アナログ処理用のシステム、デバイス、および方法(Systems, Devices and Methods for Analog Processing)」、米国特許出願公開第２００６−０１４７１５４号、米国特許出願第１２／０１７，９９５号、米国特許出願第１２／１０９，８４７号、米国特許出願公開第２００６−０２４８６１８号。必要に応じて、各種の特許、出願および刊行物のシステム、回路および概念を採用すべく実施形態の態様を修正して更なる実施形態を提供することができる。
【００６９】
上で詳述された内容を考慮して実施形態に対し上記および他の変型を施すことができる。一般に、以下の特許請求の範囲において、使用する用語は、本明細書および特許請求の範囲に開示された特定の実施形態に特許請求の範囲が限定されると解釈すべきではなく、それらの特許請求の範囲が対応する等価物の完全な範囲に含まれる全ての可能な実施形態を含むものと解釈すべきである。従って、特許請求の範囲は本開示に限定されない。
【図１Ａ】
2010541309.tif 000004
【図１Ｂ】
2010541309.tif 000005
【図２】
2010541309.tif 000006
【図３】
2010541309.tif 000007
【図４】
2010541309.tif 000008
【図５】
2010541309.tif 000009
【図６】
2010541309.tif 000010
【図７】
2010541309.tif 000011
【図８】
2010541309.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成22年5月24日(2010.5.24)
【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】
計算量子ビットと、
前記計算量子ビットの状態を測定する測定装置と、
超電導材料のループにより形成された量子ビットループおよび前記量子ビットループを遮断する複合ジョセフソン接合であって、少なくとも２個のジョセフソン接合により遮断される超電導材料の閉ループにより形成されている複合ジョセフソン接合を含む第１のラッチ量子ビットと、
前記第１のラッチ量子ビットの前記複合ジョセフソン接合にクロック信号を導電的に結合すべく構成された第１のクロック信号入力構造と
を含み、
前記計算量子ビットおよび測定装置の少なくとも一方が前記第１のラッチ量子ビットに導電的に結合すべく構成されることにより、前記第１のラッチ量子ビットが前記計算量子ビットと測定装置との間の導電結合を仲介する超伝導読み出しシステム。
【請求項２】
前記計算量子ビットが、超伝導磁束量子ビット、超伝導電荷量子ビット、超伝導位相量子ビット、および超伝導ハイブリッド量子ビットからなる群から選択される超伝導量子ビットである、請求項１に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項３】
前記測定装置が磁力計を含む、請求項１に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項４】
前記第１のラッチ量子ビットと、前記計算量子ビットおよび測定装置の少なくとも一方との間の導電結合が誘導結合を含む、請求項１に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項５】
前記第１のクロック信号入力構造が、少なくともほぼ断熱的な周波数でクロック信号を結合すべく構成される、請求項１に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項６】
前記断熱周波数が約２０ＧＨｚ未満である、請求項５に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項７】
複合ジョセフソン接合の少なくとも１つのパラメータが、前記第１のラッチ量子ビットの量子ビットループに結合された信号が前記第１のラッチ量子ビットの量子ビットループから結合された、より大きい振幅の対応信号を生成すべく選択される、請求項１に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項８】
前記第１のラッチ量子ビットと導電的に直列結合すべく構成された少なくとも１個の追加的なラッチ量子ビットを更に含み、前記計算量子ビットが前記第１のラッチ量子ビットと導電的に結合すべく構成され、前記第１のラッチ量子ビットおよび前記少なくとも１個の追加的なラッチ量子ビットの両方が前記計算量子ビットと前記測定装置との間の導電結合を仲介するように前記測定装置が前記少なくとも１個の追加的なラッチ量子ビットと導電的に結合すべく構成される、請求項１に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項９】
前記第１のラッチ量子ビットおよび前記少なくとも１個の追加的なラッチ量子ビットの各々が個別の断熱クロック信号線と導電的に結合すべく構成される、請求項８に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項１０】
複数の計算量子ビットと、
前記計算量子ビットの少なくとも１個の状態を測定する測定装置と、
複数の個別のレジスタを含むシフトレジスタと
を含み、少なくとも１個の個別のレジスタが各計算量子ビットと導電的に結合すべく構成され、少なくとも１個のレジスタが前記測定装置と導電的に結合すべく構成される超伝導読み出しシステム。
【請求項１１】
少なくとも１個の計算量子ビットが、超伝導磁束量子ビット、超伝導電荷量子ビット、超伝導位相量子ビット、および超伝導ハイブリッド量子ビットからなる群から選択される超伝導量子ビットである、請求項１０に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項１２】
前記測定装置が磁力計を含む、請求項１０に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項１３】
前記超伝導シフトレジスタが、
各々の管理ラッチ量子ビットが導電結合を介して管理クロック信号を受信すべく構成された管理ラッチ量子ビットの組と、
各々のダミーラッチ量子ビットが導電結合を介して第１のダミークロック信号を受信すべく構成される第１のダミーラッチ量子ビットの組と、
各々のダミーラッチ量子ビットが導電結合を介して第２のダミークロック信号を受信すべく構成される第２のダミーラッチ量子ビットと
を含む磁束超伝導シフトレジスタを含み、前記管理ラッチ量子ビットの組で連続する管理ラッチ量子ビットの各ペアに対して、前記第１のダミーラッチ量子ビットの組からのダミーラッチ量子ビットの個別の１個および前記第２のダミーラッチ量子ビットの組からのダミーラッチ量子ビットの個別の１個が、前記連続する管理ラッチ量子ビットの前記ペアの管理ラッチ量子ビット間の磁束を結合すべく配置されていて、
前記磁束超伝導シフトレジスタ内の第１の管理ラッチ量子ビットが第１の計算量子ビットから第１の入力信号を受信すべく構成され、前記磁束超伝導シフトレジスタの第２の管理ラッチ量子ビットが第２の計算量子ビットから第２の入力信号を受信すべく構成され、前記磁束超伝導シフトレジスタ内の第３の管理ラッチ量子ビットが前記測定装置に出力信号を送信すべく構成される、請求項１０に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項１４】
前記管理クロック信号、前記第１のダミークロック信号、および前記第２のダミークロック信号の各々が、少なくともほぼ断熱的な周波数を有する、請求項１３に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項１５】
前記第１の計算量子ビットと前記第１の管理ラッチ量子ビットとの間で導電的に直列結合すべく構成された少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットを更に含み、前記少なくとも１個の仲介ラッチ量子ビットが前記第１の計算量子ビットと前記第１の管理ラッチ量子ビットとの間の導電結合を仲介すべく構成される、請求項１３に記載の超伝導読み出しシステム。
【請求項１６】
計算量子ビットの状態を読み出す方法であって、
前記計算量子ビットからの信号を第１のラッチ量子ビットに結合するステップと、
第１のクロック信号を前記第１のラッチ量子ビットの複合ジョセフソン接合に結合することにより、前記第１のラッチ量子ビットが前記信号をラッチするステップと、
前記第１のラッチ量子ビットからの信号を測定装置に結合するステップと、
前記測定装置を用いて前記信号を読み出すステップと
を含む方法。
【請求項１７】
複数の計算量子ビット内の各計算量子ビットの状態を読み出す方法であって、
各計算量子ビットからの個別の信号をシフトレジスタ内の個別のレジスタに結合するステップと、
前記シフトレジスタ内の隣接レジスタ間で信号をシフトさせるステップと、
前記シフトレジスタ内の少なくとも１個のレジスタからの前記信号を少なくとも１個の測定装置に結合するステップと
を含む方法。
【請求項１８】
前記シフトレジスタがラッチ量子ビットを含む磁束超伝導シフトレジスタであって、前記計算量子ビットの各々からの個別の信号をシフトレジスタ内の個別のレジスタに結合するステップが、断熱クロック信号を各個別管理ラッチ量子ビットに印加することにより、前記計算量子ビットの各々からの信号を前記磁束超伝導シフトレジスタ内の各管理ラッチ量子ビットに結合するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記シフトレジスタ内の隣接レジスタ間で前記信号をシフトさせるステップが、管理ラッチ量子ビットとダミーラッチ量子ビットの直列結合された構成に断熱クロック信号を印加するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【国際調査報告】
2010541309.tif 000013
2010541309.tif 000014