(57)【要約】【課題】量子ビット間の相互作用エネルギーを増強し、量子ビット間の相互作用時間の短縮が図れるようにする。【解決手段】磁束転送器１０１の超伝導配線部１０１ａを、磁束量子ビット１０３，１０４のジョセフソン接合を備えていない辺（第４の辺）の超伝導配線部１０３ａ，１０４ａと共有する。磁束量子ビット１０３の矩形の超伝導配線部１０３ａの右辺と、磁束転送器１０１の超伝導配線部１０１ａの左辺とが、同一である。また、磁束量子ビット１０４の矩形の超伝導配線部１０４ａの左辺と、磁束転送器１０１の超伝導配線部１０１ａの右辺とが、同一である。【選択図】  図１
2005302847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形の超伝導配線部及びこの超伝導配線部の第１，２，３の辺に設けられた第１ジョセフソン接合から構成された２つの磁束量子ビットと、
矩形の超伝導配線部から構成されて２つの前記磁束量子ビット間に相互作用を作用させる磁束転送器と、
前記磁束転送器に流れる超伝導電流をオンオフする切り換え手段と
を備え、
前記磁束転送器の超伝導配線部の２辺は、２つの前記磁束量子ビットの前記第１ジョセフソン接合のない第４の辺の超伝導配線部から構成されている
ことを特徴とする量子ビット可変結合素子。
【請求項２】
請求項１記載の量子ビット可変結合素子において、
前記第４の辺に設けられて前記第１ジョセフソン接合より接合面積の大きい第２ジョセフソン接合を備える
ことを特徴とする量子ビット可変結合素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ビットを用いた量子コンピュータなどに用いられる量子ビット可変結合素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
量子力学が適用可能な物理系では、古典力学系では不可能な状態の重ね合わせが可能であることを積極的に利用することにより、超並列計算（量子コンピューティング）実現の可能性が示されている。量子コンピュータでは、量子ビットが基本構成要素であり、古典的なコンピュータのビットに対応する。また、古典的なコンピュータにおける入力，演算，出力は、量子コンピュータにおける系の、初期状態の準備、系の時間発展、系の読み出しに対応する。
【０００３】
従って、量子ビット間の量子もつれ（エンタングルメント）状態を制御することは、量子コンピューティング実現のための必須技術である。
量子ビットとして３つのジョセフソン接合を含む超伝導磁束量子ビットを用いる場合には、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）を含む超伝導磁束転送器により、量子ビット間の量子もつれ状態を制御することが可能となる（非特許文献１参照）。従って、ＳＱＵＩＤを用いた磁束転送器と２つの量子ビットとにより、量子ビット可変結合素子が実現可能である。
【０００４】
図３は、従来よりある量子ビット可変結合素子の構成例を示す平面図である。図３に示す量子ビット可変結合素子は、超伝導体から構成された磁束転送器３０１、ＳＱＵＩＤから構成された切り替え部３０２、磁束量子ビット３０３，３０４、磁束量子ビット３０３，３０４の状態を読み出す読み出し部３０５，３０６を備えている。
【０００５】
磁束転送器３０１は、例えばアルミニウムやニオブなどの低温にすることで超伝導性を示す材料（超伝導材料）から構成された超伝導配線部３０１ａから構成されている。切り替え部３０２は、超伝導材料から構成された超伝導配線部３０２ａと、トンネル絶縁部を備えた２つのジョセフソン接合３０２ｂとを備えるＳＱＵＩＤである。超伝導配線部３０２ａは、例えば５μｍ角程度の矩形に形成され、図３の紙面上で、対向する上下の辺の中央部に、各々ジョセフソン接合３０２ｂが設けられている。
【０００６】
磁束量子ビット３０３は、超伝導材料からなる超伝導配線部３０３ａと、トンネル絶縁部を備えた３つのジョセフソン接合３０３ｂとを備える。超伝導配線部３０３ａは、例えば５μｍ角程度の矩形に形成され、矩形の３辺の中央部に各々ジョセフソン接合３０３ｂが設けられている。同様に、量子ビット３０４は、超伝導材料からなる超伝導配線部３０４ａと、３つのジョセフソン接合３０４ｂとを備える。
【０００７】
また、読み出し部３０５，３０６は、切り替え部３０２と同様に、各々２つのジョセフソン接合３０５ａ，３０６ａを備えている。読み出し部３０５，３０６は、図示しない層間絶縁層を介して磁束量子ビット３０３，３０４の上層に配置され、磁束量子ビット３０３，３０４とは異なる寸法に形成されている。
【０００８】
また、図３に示す量子ビット可変結合素子は、磁場を作り出すことで磁束量子ビット３０３，３０４の状態を制御する制御ライン３０７，３０８、切り替え部３０２のＳＱＵＩＤを貫通する磁場を作り出すことで切り替え部３０２の状態を制御する制御ライン３０９を備えている。
上述した構成は、図示しない半導体基板の上に絶縁層を介して形成されている。磁束転送器３０１，切り替え部３０２、量子ビット３０３，３０４、制御ライン３０７，３０８、制御ライン３０９は、上記絶縁層による同一面上に配置されている。
【０００９】
図３に示す量子ビット可変結合素子では、制御ライン３０９に流す電流値を調節することにより、切り替え部３０２を貫く磁束を磁束量子Φ0（＝ｈ／（２ｅ））の整数倍あるいは、１／２，３／２，５／２，・・と半奇数倍に設定することによって磁束転送器３０１を流れる超伝導電流値をＯＮ／ＯＦＦ（オンオフ）する。
【００１０】
切り替え部３０２を貫く磁束を磁束量子Φ0（＝ｈ／（２ｅ））の整数倍に設定すると、量子ビット３０３と量子ビット３０４との間の結合がＯＮの状態となる。一方、切り替え部３０２を貫く磁束を磁束量子Φ0の半奇数倍に設定すると、量子ビット３０３と量子ビット３０４との間の結合がＯＦＦの状態となる。
以上のことにより、図３に示す量子ビット可変結合素子では、量子ビット３０３と量子ビット３０４との間の結合を、ＯＮ／ＯＦＦ可能としている。
【００１１】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】J.E.Mooij, T.P.Orlando,L.Levitov, Lin Tian, Casper H. van der Wai, Sethr Lloyd, "Josephson Persistent-Current Qubit" Science, vol.285, pp.1036-1039, 1999.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述した従来の素子では、量子ビット３０３，３０４と磁束転送器３０１との結合が幾何的相互インダクタンスのみに頼っているために、量子ビット間を十分強く結合させることができず、量子ゲート操作に長い時間を必要としていた。このため、従来では、限られたコヒーレンス時間内に２つの量子ビットの量子もつれ状態をつくり、量子ゲート操作を完了することが容易ではなかった。
【００１３】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、量子ビット間の相互作用エネルギーを増強し、量子ビット間の相互作用時間の短縮が図れるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る量子ビット可変結合素子は、矩形の超伝導配線部及びこの超伝導配線部の第１，２，３の辺に設けられた第１ジョセフソン接合から構成された２つの磁束量子ビットと、矩形の超伝導配線部から構成されて２つの磁束量子ビット間に相互作用を作用させる磁束転送器と、磁束転送器に流れる超伝導電流をオンオフする切り替え手段とを備え、磁束転送器の超伝導配線部の２辺は、２つの磁束量子ビットの第１ジョセフソン接合のない第４の辺の超伝導配線部から構成されているようにしたものである。
従って、超伝導状態において生じる動的インダクタンスを介した相互作用が得られる。
【００１５】
上記量子ビット可変結合素子において、第４の辺に設けられて第１ジョセフソン接合より接合面積の大きい第２ジョセフソン接合を備えるようにしてもよい。第２ジョセフソン接合を加えることで、ジョセフソンインダクタンスが得られる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、磁束転送器の超伝導配線部の２辺は、２つの磁束量子ビットの第１ジョセフソン接合のない第４の辺の超伝導配線部から構成したので、２つの磁束量子ビット間の相互作用のエネルギーが増強されるようになり、量子ビット間の相互作用時間の短縮が図れるようになるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本実施の形態における量子ビット可変結合素子の構成例を示す平面図（ａ）、及び部分を示す断面図（ｂ）である。図１に示す量子ビット可変結合素子は、超伝導体から構成された磁束転送器１０１、ＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device）から構成された切り替え部１０２、磁束量子ビット１０３，１０４、磁束量子ビット１０３，１０４の状態を読み出す読み出し部１０５，１０６を備えている。なお、読み出し部１０５，１０６は、図中点線で示し、図示しない層間絶縁層を介して磁束量子ビット１０３，１０４の上層に配置され、磁束量子ビット１０３，１０４とは異なる寸法に形成されている。
【００１８】
磁束転送器１０１は、例えばアルミニウムやニオブなどの低温にすることで超伝導性を示す材料（超伝導材料）から構成された超伝導配線部１０１ａから構成されている。切り替え部１０２は、超伝導材料から構成された超伝導配線部１０２ａと、トンネル絶縁部を備えた２つのジョセフソン接合１０２ｂとを備えるＳＱＵＩＤである。切り替え部１０２は、超伝導体／絶縁体／超伝導体接合から構成され、切り替え動作が行われるときに散逸が生じない絶縁体で構成されているので、磁束量子ビットのコヒーレンスを長く保つことができる。
【００１９】
超伝導配線部１０２ａは、例えば、幅０．３μｍ厚さ０．１μｍで、５μｍ角程度の矩形に形成され、図１の紙面上で、対向する上下の辺の中央部に、各々ジョセフソン接合１０２ｂが設けられている。なお、上述した各寸法は、上述した値に限定するものではなく、超伝導配線部に用いる材料により適宜設定する。
【００２０】
磁束量子ビット１０３は、超伝導材料からなる超伝導配線部１０３ａと、トンネル絶縁部を備えた３つのジョセフソン接合（第１ジョセフソン接合）１０３ｂとを備える。超伝導配線部１０３ａは、例えば幅０．３μｍ厚さ０．１μｍで、５μｍ角程度の矩形に形成され、矩形の３辺の中央部に各々ジョセフソン接合１０３ｂが設けられている。
【００２１】
同様に、磁束量子ビット１０４は、超伝導材料からなる超伝導配線部１０４ａと、３つのジョセフソン接合（第１ジョセフソン接合）１０４ｂとを備える。また、読み出し部１０５，１０６は、切り替え部１０２と同様に、各々２つのジョセフソン接合１０５ｂ，１０６ｂを備えている。
【００２２】
加えて、図１に示す磁束量子ビット可変結合素子では、磁束転送器１０１の超伝導配線部１０１ａを、磁束量子ビット１０３，１０４のジョセフソン接合を備えていない辺（第４の辺）の超伝導配線部１０３ａ，１０４ａと共有する。図１（ａ）に示す例では、紙面左側の磁束量子ビット１０３の矩形の超伝導配線部１０３ａの右辺と、磁束転送器１０１の超伝導配線部１０１ａの左辺とが、同一である。また、紙面右側の磁束量子ビット１０４の矩形の超伝導配線部１０４ａの左辺と、磁束転送器１０１の超伝導配線部１０１ａの右辺とが、同一である。
【００２３】
また、図１に示す磁束量子ビット可変結合素子は、磁場を作り出すことで磁束量子ビット１０３，１０４の状態を制御する制御ライン１０７，１０８、切り替え部１０２のＳＱＵＩＤを貫通する磁場を作り出すことで切り替え部１０２の状態を制御する制御ライン１０９を備えている。
上述した構成は、図示しない半導体基板の上に絶縁層を介して形成されている。磁束転送器１０１，切り替え部１０２、磁束量子ビット１０３，１０４、制御ライン１０７，１０８、制御ライン１０９は、上記絶縁層による同一面上に配置されている。
【００２４】
ここで、ジョセフソン接合について説明する。例えば、図１（ａ）に示すジョセフソン接合１０２ｂは、図１（ｂ）の断面図に示すように、アルミニウムからなる配線１２２とアルミニウムからなる配線１２４とが、酸化アルミニウム膜１２３を介して接合したものである。接合部分の酸化アルミニウム膜１２３が、トンネル絶縁部に対応する。
【００２５】
なお、図示しない半導体基板の上に形成された絶縁層１２１の上に、配線１２２，１２４が配置され、これらを覆うように層間絶縁層１２５が形成されている。配線１２２，１２４と同一の層に、磁束転送器１０１、切り替え部１０２、磁束量子ビット１０３，１０４、制御ライン１０７，１０８、制御ライン１０９が形成されている。また、層間絶縁層１２５の上に、読み出し部１０５，１０６が形成されている。
【００２６】
例えば、図示しない半導体基板の上に絶縁層１２１を形成し、絶縁層１２１の上に、配線１２２を形成する。ついで、配線１２２の露出してる表面を酸化して酸化アルミニウム膜１２３を形成する。ついで、配線１２２の端部で所望の面積で重なるように配線１２４を形成すれば、ジョセフソン接合が得られる。
【００２７】
図１に示す磁束量子ビット可変結合素子では、磁束転送器１０１が、磁束量子ビット１０３，１０４と辺を共有するため、幾何的インダクタンスに加えて、超伝導状態でのみ生じる動的インダクタンスを介した相互作用が可能となっている。図３に示した従来例では、磁束転送器と磁束量子ビットとの間の相互インダクタンスが約１ｐＨであるが、図１に示す磁束量子ビット可変結合素子では、磁束転送器１０１と磁束量子ビット１０３，１０４との間の動的インダクタンスの寄与は約１０ｐＨであり約一桁大きい。なお、図１に示す構造における磁場侵入長は、約０．１μｍ程度である。
【００２８】
図１に示す磁束量子ビット可変結合素子では、制御ライン１０９に流す電流値を調節することにより、切り替え部１０２を貫く磁束を磁束量子Φ0（＝ｈ／（２ｅ））の整数倍あるいは、１／２，３／２，５／２，・・と半奇数倍に設定することにより、増強された相互インダクタンスを持つ磁束転送器１０１を流れる超伝導電流値をＯＮ／ＯＦＦ（オンオフ）できる。この結果、従来構造に比べて１０倍程度に増強された磁束量子ビット１０３と磁束量子ビット１０４との間の結合を、随意にＯＮ／ＯＦＦできる。
【００２９】
なお、切り替え部１０２を貫く磁束を磁束量子Φ0（＝ｈ／（２ｅ））の整数倍に設定すると、磁束量子ビット１０３と磁束量子ビット１０４との間の結合がＯＮの状態となる。一方、切り替え部１０２を貫く磁束を磁束量子Φ0の半奇数倍に設定すると、磁束量子ビット１０３と磁束量子ビット１０４との間の結合がＯＦＦの状態となる。
【００３０】
従って、図１に示す磁束量子ビット可変結合素子によれば、磁束量子ビット１０３と磁束量子ビット１０４との間のコヒーレンス時間内の量子ゲート操作可能回数を約１０倍に増大できる。制御ライン１０９に流す電流を調節し、切り替え部１０２を貫く磁束を磁束量子Φ0の半奇数倍から整数倍の間の任意の値に設定することにより、磁束量子ビット１０３と磁束量子ビット１０４との間の結合の強さを任意に制御することができる。これにより、望ましい相互作用の強さ、換言すれば量子ゲート操作に必要な時間を選択することも可能となる。
【００３１】
次に、本発明の実施の形態における他の磁束量子ビット可変結合素子について説明する。図２は、本実施の形態における磁束量子ビット可変結合素子の構成例を示す平面図である。
図２に示す磁束量子ビット可変結合素子は、超伝導体から構成された磁束転送器２０１、ＳＱＵＩＤから構成された切り替え部２０２、磁束量子ビット２０３，２０４、磁束量子ビット２０３，２０４の状態を読み出す読み出し部２０５，２０６を備えている。なお、読み出し部２０５，２０６は、図中点線で示し、図示しない層間絶縁層を介して磁束量子ビット２０３，２０４の上層に配置され、磁束量子ビット２０３，２０４とは異なる寸法に形成されている。
【００３２】
磁束転送器２０１は、例えばアルミニウムやニオブなどの低温にすることで超伝導性を示す材料（超伝導材料）から構成された超伝導配線部２０１ａから構成されている。切り替え部２０２は、超伝導材料から構成された超伝導配線部２０２ａと、トンネル絶縁部を備えた２つのジョセフソン接合２０２ｂとを備えるＳＱＵＩＤである。超伝導配線部２０２ａは、例えば、幅０．３μｍ厚さ０．１μｍで、５μｍ角程度の矩形に形成され、図２の紙面上で、対向する上下の辺の中央部に、各々ジョセフソン接合２０２ｂが設けられている。
【００３３】
磁束量子ビット２０３は、超伝導材料からなる超伝導配線部２０３ａと、トンネル絶縁部を備えた３つのジョセフソン接合（第１ジョセフソン接合）２０３ｂとを備える。超伝導配線部２０３ａは、例えば幅０．３μｍ厚さ０．１μｍで、５μｍ角程度の矩形に形成され、矩形の３辺の中央部に各々ジョセフソン接合２０３ｂが設けられている。同様に、磁束量子ビット２０４は、超伝導材料からなる超伝導配線部２０４ａと、３つのジョセフソン接合（第１ジョセフソン接合）２０４ｂとを備える。また、読み出し部２０５，２０６は、切り替え部２０２と同様に、各々２つのジョセフソン接合２０５ｂ，２０６ｂを備えている。
【００３４】
加えて、図２に示す磁束量子ビット可変結合素子では、磁束転送器２０１の超伝導配線部２０１ａを、磁束量子ビット２０３，２０４のジョセフソン接合２０３ｂ，２０４ｂを備えていない辺（第４の辺）の超伝導配線部２０３ａ，２０４ａと共有する。図２（ａ）に示す例では、紙面左側の磁束量子ビット２０３の矩形の超伝導配線部２０３ａの右辺と、磁束転送器２０１の超伝導配線部２０１ａの左辺とが、同一である。また、紙面右側の磁束量子ビット２０４の矩形の超伝導配線部２０４ａの左辺と、磁束転送器２０１の超伝導配線部２０１ａの右辺とが、同一である。
【００３５】
また、図２に示す磁束量子ビット可変結合素子は、磁場を作り出すことで磁束量子ビット２０３，２０４の状態を制御する制御ライン２０７，２０８、切り替え部２０２のＳＱＵＩＤを貫通する磁場を作り出すことで切り替え部２０２の状態を制御する制御ライン２０９を備えている。
磁束転送器２０１，切り替え部２０２、磁束量子ビット２０３，２０４、制御ライン２０７，２０８、制御ライン２０９は、図示しない半導体基板の上に絶縁層を介して形成され、絶縁層による同一面上に配置されている。
【００３６】
上述した構成は、図１に示す磁束量子ビット可変結合素子と同様であり、図２に示す磁束量子ビット可変結合素子は、新たに、磁束転送器２０１と磁束量子ビット２０３，２０４とで共有している超伝導配線部に、ジョセフソン接合（第２ジョセフソン接合）２０１ｂを設けるようにした。
ジョセフソン接合２０１ｂは、例えば、ジョセフソン接合１０２ｂに対し、接合の面積が約１０倍となっている。
【００３７】
従って、図２に示す磁束量子ビット可変結合素子では、前述した動的インダクタンスに加え、ジョセフソン接合２０１ｂによるジョセフソンインダクタンスを利用することができる。
ジョセフソンインダクタンスは、以下の（１）式で示される。
【００３８】
【数１】
2005302847.tif 000003
【００３９】
磁束量子はΦ0＝ｈ／（２ｅ）≒２×１０-15Ｗｂ，ジョセフソン接合２０１ｂの臨界電流は、１C≒１μＡ，磁束転送器２０１を流れる電流は、Ｉ0＜０．１μＡとした場合、（１）式で与えられるジョセフソンインダクタンスは、ＬJ≒３００ｐＨとなる。
このように、図２に示す磁束量子ビット可変結合素子によれば、数百ｐＨ程度のジョセフソンインダクタンスが得られるので、磁束転送器と磁束量子ビットとの間の相互インダクタンスを２桁以上増強できるようになる。
【００４０】
図２に示す磁束量子ビット可変結合素子では、制御ライン２０９に流す電流値を調節し、切り替え部２０２を貫く磁束を磁束量子Φ0（＝ｈ／（２ｅ））の整数倍あるいは、１／２，３／２，５／２，・・と半奇数倍に設定することにより、増強された相互インダクタンスを持つ磁束転送器２０１を流れる超伝導電流値をＯＮ／ＯＦＦできる。この結果、従来構造に比べて数１００倍程度に増強された磁束量子ビット２０３と磁束量子ビット２０４との間の結合を、随意にＯＮ／ＯＦＦできる。
【００４１】
なお、切り替え部２０２を貫く磁束を磁束量子Φ0（＝ｈ／（２ｅ））の整数倍に設定すると、磁束量子ビット２０３と磁束量子ビット２０４との間の結合がＯＮの状態となる。一方、切り替え部２０２を貫く磁束を磁束量子Φ0の半奇数倍に設定すると、磁束量子ビット２０３と磁束量子ビット２０４との間の結合がＯＦＦの状態となる。
【００４２】
従って、図２に示す磁束量子ビット可変結合素子によれば、磁束量子ビット２０３と磁束量子ビット２０４との間のコヒーレンス時間内の量子ゲート操作可能回数を数１００倍に増大できる。制御ライン２０９に流す電流を調節し、切り替え部２０２を貫く磁束を磁束量子Φ0の半奇数倍から整数倍の間の任意の値に設定することにより、磁束量子ビット２０３と磁束量子ビット２０４との間の結合の強さを任意に制御することができる。これにより、望ましい相互作用の強さ、換言すれば量子ゲート操作に必要な時間を選択することも可能となる。
【００４３】
なお、上述では、磁束転送器の切り替え部をＳＱＵＩＤから構成したが、これに限るものではなく、例えば、ジョセフソン接合電界効果トランジスタ（ＪＯＦＥＴ）から構成してもよい。例えば、図１の切り替え部１０２の部分に、ＳＱＵＩＤの換わりにＪＯＦＥＴを配置すればよい。ただし、ＪＯＦＥＴは、超伝導体／常伝導体／超伝導体接合から構成され、切り替え動作が行われるときに散逸を生じる常伝導体で構成されているので、磁束量子ビットのコヒーレンスに悪影響を与える場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本実施の形態における量子ビット可変結合素子の構成例を示す平面図（ａ）、及び部分を示す断面図（ｂ）である。
【図２】本実施の形態における磁束量子ビット可変結合素子の構成例を示す平面図である。
【図３】従来よりある量子ビット可変結合素子の構成例を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０１…磁束転送器、１０１ａ…超伝導配線部、１０２…切り替え部、１０２ａ…超伝導配線部、１０２ｂ…ジョセフソン接合、１０３，１０４…磁束量子ビット、１０３ａ，１０４ａ…超伝導配線部、１０３ｂ，１０４ｂ…ジョセフソン接合（第１ジョセフソン接合）、１０５，１０６…読み出し部、１０５ｂ，１０６ｂ…ジョセフソン接合、１０７，１０８，１０９…制御ライン。
【図１】
2005302847.tif 000004
【図２】
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【図３】
2005302847.tif 000006