(57)【要約】【課題】便利にスケーラブル及びリプロデューシブルであり、かつ周囲結合による最小の散逸を有する超伝導量子ビット装置に対する必要性が存在する。【解決手段】本発明によれば、超伝導移相装置が提供される。移相装置は、装置の二端子の秩序変数の位相間に移相を生じさせることができる。二端子は、アングル・サイドを有する異方性超伝導体を通して、または調整不良の位相を有する二つの異方性超伝導体を通して、または接合領域の強磁性体を通して結合することができる。移相装置は、超伝導量子コンピューティング回路で用いることができる。通常の超伝導材料の製造技術とは異なる技術で移相装置を製造する方法を記述する。移相装置のアレイを含んでいる移相器チップを製造する方法を記述する。【選択図】図１Ａ
2004523907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の位相を有している、第１の超伝導端子；
第２の位相を有している、第２の超伝導端子；及び
前記第１の超伝導端子及び前記第２の超伝導端子に結合された移相器
を備え、
前記移相器は、前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすことができるように構成されることを特徴とする移相装置。
【請求項２】
前記移相器は、異方性超伝導体を備えていることを特徴とする請求項１に記載の移相装置。
【請求項３】
前記異方性超伝導体は、ｄ波超伝導体であることを特徴とする請求項２に記載の移相装置。
【請求項４】
前記第１の超伝導端子及び前記第２の超伝導端子は、ｓ波超伝導体を備えていることを特徴とする請求項２に記載の移相装置。
【請求項５】
前記異方性超伝導体は、第１の側を通して前記第１の超伝導端子に結合され；かつ
前記異方性超伝導体は、第２の側を通して前記第２の超伝導端子に結合され；
前記第１の側及び前記第２の側は、不整合角度を規定することを特徴とする請求項２に記載の移相装置。
【請求項６】
前記不整合角度は、約９０度であることを特徴とする請求項５に記載の移相装置。
【請求項７】
前記移相器は、第１のコネクタを通して前記第１の超伝導端子に電気的に結合され；かつ
前記移相器は、第２のコネクタを通して前記第２の超伝導端子に電気的に結合されることを特徴とする請求項２に記載の移相装置。
【請求項８】
前記第１の超伝導端子、前記第２の超伝導端子、前記第１のコネクタ、前記第２のコネクタ、及び前記移相器は、基板の上に横たわることを特徴とする請求項７に記載の移相装置。
【請求項９】
前記第１のコネクタは、前記移相器に隣接し；
前記第１の超伝導端子は、前記第１のコネクタに隣接し；
前記第２のコネクタは、前記移相器に隣接し；かつ
前記第２の超伝導端子は、前記第２のコネクタに隣接する
ことを特徴とする請求項８に記載の移相装置。
【請求項１０】
前記第１のコネクタ及び前記第２のコネクタは、標準的な金属を備えていることを特徴とする請求項７に記載の移相装置。
【請求項１１】
前記第１の超伝導端子の長さ及び幅と前記第２の超伝導端子の長さ及び幅は、約５ミクロンよりも小さく、
前記第１の超伝導端子及び前記第２の超伝導端子は、長さ及び幅を有することを特徴とする請求項２に記載の移相装置。
【請求項１２】
前記移相器と前記第１の超伝導端子との結合は、第１のジョセフソン接合を備え；かつ
前記移相器と前記第２の超伝導端子との結合は、第２のジョセフソン接合を備えることを特徴とする請求項２に記載の移相装置。
【請求項１３】
前記第１の超伝導端子及び前記第２の超伝導端子は、ニオブ、アルミニウム、鉛、または錫を備え；
前記移相器は、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-dを備え、ここでｄは、約０と約０．６の間の値を有し；かつ
前記第１のコネクタ及び前記第２のコネクタは、金、銀、またはプラチナを備える
ことを特徴とする請求項２に記載の移相装置。
【請求項１４】
前記移相器は、複数の異方性超伝導体を備えていることを特徴とする請求項２に記載の移相装置。
【請求項１５】
前記移相器は、
第１の異方性超伝導体；
第２の異方性超伝導体を備え、
前記第１の超伝導体及び前記第２の超伝導体は、ジョセフソン接合によって結合されることを特徴とする請求項１４に記載の移相装置。
【請求項１６】
前記ジョセフソン接合は、粒界を備えていることを特徴とする請求項１５に記載の移相装置。
【請求項１７】
前記第１の異方性超伝導体は、第１の方位を有する第１の秩序変数を有し；かつ
前記第２の異方性超伝導体は、第２の方位を有する第２の秩序変数を有し、
前記第１の方位及び前記第２の方位は、不整合角度を規定することを特徴とする請求項１５に記載の移相装置。
【請求項１８】
前記不整合角度は、約４５度であることを特徴とする請求項１７に記載の移相装置。
【請求項１９】
前記第１の異方性超伝導体及び前記第２の異方性超伝導体は、基板の上に横たわることを特徴とする請求項１５に記載の移相装置。
【請求項２０】
前記第１のコネクタは、前記第１の異方性超伝導体の上に横たわり；かつ
前記第２のコネクタは、前記第２の異方性超伝導体の上に横たわることを特徴とする請求項１９に記載の移相装置。
【請求項２１】
前記第１の超伝導端子は、前記第１のコネクタの上に横たわり；かつ
前記第２の超伝導端子は、前記第２のコネクタの上に横たわることを特徴とする請求項２０に記載の移相装置。
【請求項２２】
前記移相器は、強磁性体を備えていることを特徴とする請求項１に記載の移相装置。
【請求項２３】
前記強磁性体は、銅とニッケルの合金であることを特徴とする請求項２２に記載の移相装置。
【請求項２４】
前記第１の超伝導端子は、基板の上に横たわり；
前記強磁性体は、前記第１の超伝導体端子の上に横たわり；かつ
前記第２の超伝導端子は、前記強磁性体の上に横たわる
ことを特徴とする請求項２２に記載の移相装置。
【請求項２５】
前記第２の超伝導端子は、絶縁体によって前記第１の超伝導端子から分離（隔離）されることを特徴とする請求項２４に記載の移相装置。
【請求項２６】
前記絶縁体は、ポリメタクリス酸メチル）またはＡｌＯxであり、ここにｘは、整数であることを特徴とする請求項２５に記載の移相装置。
【請求項２７】
前記第１の超伝導端子、前記強磁性体及び前記第２の超伝導端子の長さ及び幅、かつ
前記第１の超伝導端子、前記強磁性体及び前記第２の超伝導端子の相対位置は、それらが前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすものであり、
前記第１の超伝導端子、前記強磁性体及び前記第２の超伝導端子は、長さ、幅、及び相対位置を有することを特徴とする請求項２４に記載の移相装置。
【請求項２８】
前記第１の超伝導端子と前記第２の超伝導端子とは、接合領域によって結合され；かつ
前記強磁性体は、前記接合領域に埋め込まれる
ことを特徴とする請求項２２に記載の移相装置。
【請求項２９】
前記第１の超伝導端子、前記強磁性体及び前記第２の超伝導端子の長さ及び幅、かつ
前記第１の超伝導端子、前記強磁性体及び前記第２の超伝導端子の相対位置は、それらが前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすものであり、
前記第１の超伝導端子、前記強磁性体及び前記第２の超伝導端子は、長さ、幅、及び相対位置を有する
ことを特徴とする請求項２８に記載の移相装置。
【請求項３０】
第１の接合によって前記第１の超伝導端子に結合され、かつ第２の接合によって前記第２の超伝導端子に結合された、通常の超伝導端子を更に備え、
前記第１の超伝導端子、前記第２の超伝導端子、及び前記通常の超伝導端子は、ループを形成することを特徴とする請求項１に記載の移相装置。
【請求項３１】
前記第１及び第２の接合は、ｃ軸ヘテロ接合であることを特徴とする請求項３０に記載の移相装置。
【請求項３２】
前記第１の位相と前記第２の位相との間の前記所定の差は、約π／２であることを特徴とする請求項３０に記載の移相装置。
【請求項３３】
第１の位相を有している、第１の超伝導端子手段；
第２の位相を有している、第２の超伝導端子手段；及び
前記第１及び第２の超伝導端子手段に結合され、前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすことができるように構成された移相器手段
を備えていることを特徴とする移相装置。
【請求項３４】
前記移相器手段は、ｄ波超伝導体を備えていることを特徴とする請求項３３に記載の移相装置。
【請求項３５】
第１の位相を有している、第１の超伝導端子を供給する段階；
第２の位相を有している、第２の超伝導端子を供給する段階；及び
前記第１の超伝導端子及び前記第２の超伝導端子に移相器を結合する段階
を具備し、
前記移相器は、前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすことができるように構成されることを特徴とする移相方法。
【請求項３６】
移相器を供給する段階は、異方性超伝導体を供給する段階を具備することを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記移相器を結合する段階は、
前記第１の超伝導端子を前記移相器の第１の側に結合する段階；
前記第２の超伝導端子を前記移相器の第２の側に結合する段階を具備し、
前記移相器の前記第１の側及び前記第２の側は、不整合角度を規定することを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記第１の超伝導端子を前記移相器の前記第１の側に結合する段階は、
前記第１の超伝導端子を第１のコネクタに結合する段階、及び
前記第１のコネクタを前記移相器に結合する段階を具備し；かつ
前記第２の超伝導端子を前記移相器の第２の側に結合する段階は、
前記第２の超伝導端子を第２のコネクタに結合する段階、及び
前記第２のコネクタを前記移相器に結合する段階を具備する
ことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記移相器を供給する段階は、
第１の方位を有する第１の秩序変数を有している、第１の異方性超伝導体を供給する段階、及び
第２の方位を有する第２の秩序変数を有している、第２の異方性超伝導体を供給する段階を具備し、
前記第１の方位及び前記第２の方位は、不整合角度を規定する
ことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記移相器を供給する段階は、
前記第１の超伝導端子及び前記第２の超伝導端子を接合に結合する段階；及び
前記接合に強磁性体を供給する段階
を具備することを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
移相装置であり、
第１の位相を有している、第１の超伝導端子；
第２の位相を有している、第２の超伝導端子；及び
前記第１の超伝導端子及び前記第２の超伝導端子に結合された、移相器
を備え、
前記移相器は、前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすことができるように構成された該移相装置；及び
前記移相装置に結合された超伝導回路
を備えることを特徴とする移相器回路。
【請求項４２】
前記移相器は、異方性超伝導体を備えていることを特徴とする請求項４１に記載の移相器回路。
【請求項４３】
前記異方性超伝導体は、第１の側を通して前記第１の超伝導端子に結合され；かつ
前記異方性超伝導体は、第２の側を通して前記第２の超伝導端子に結合され；
前記第１の側及び前記第２の側は、不整合角度を規定することを特徴とする請求項４１に記載の移相器回路。
【請求項４４】
前記移相器は、第１のコネクタを通して前記第１の超伝導端子に電気的に結合され；かつ
前記移相器は、第２のコネクタを通して前記第２の超伝導端子に電気的に結合されることを特徴とする請求項４１に記載の移相器回路。
【請求項４５】
前記第１の超伝導端子及び前記第２の超伝導端子は、ニオブ、アルミニウム、鉛、または錫を備え；
前記移相器は、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-dを備え、ここでｄは、約０と約０．６の間の値を有し；かつ
前記第１のコネクタ及び前記第２のコネクタは、金、銀、またはプラチナを備える
ことを特徴とする請求項４１に記載の移相器回路。
【請求項４６】
前記移相器は、
第１の方位を有する第１の秩序変数を有している、第１の異方性超伝導体；
第２の方位を有する第２の秩序変数を有している、第２の異方性超伝導体を備え、
前記第１の方位及び前記第２の方位は、不整合角度を規定し、かつ
前記第１の超伝導体及び第２の超伝導体は、ジョセフソン接合によって結合されることを特徴とする請求項４１に記載の移相器回路。
【請求項４７】
前記第１の異方性超伝導体及び前記第２の異方性超伝導体は、基板の上に横たわり；
前記第１のコネクタは、前記第１の異方性超伝導体の上に横たわり；
前記第２のコネクタは、前記第２の異方性超伝導体の上に横たわり；
前記第１の超伝導端子は、前記第１のコネクタの上に横たわり；かつ
前記第２の超伝導端子は、前記第２のコネクタの上に横たわることを特徴とする請求項４１に記載の移相器回路。
【請求項４８】
前記第１の超伝導端子は、基板の上に横たわり；
強磁性体は、前記第１の超伝導体端子の上に横たわり；かつ
前記第２の超伝導端子は、前記強磁性体の上に横たわる
ことを特徴とする請求項４１に記載の移相器回路。
【請求項４９】
前記第１の超伝導端子と前記第２の超伝導端子とは、接合領域によって結合され；かつ
前記強磁性体は、前記接合領域に埋め込まれる
ことを特徴とする請求項４８に記載の移相器回路。
【請求項５０】
前記移相装置は、基板の上に横たわり；
前記超伝導回路は、前記移相装置の上に横たわり；かつ
第１の接触端子及び第２の接触端子は、前記超伝導回路及び前記移相装置を結合することを特徴とする請求項４１に記載の移相器回路。
【請求項５１】
前記基板は、サファイアまたはＳｒＴｉＯ3である
ことを特徴とする請求項５０に記載の移相器回路。
【請求項５２】
絶縁層は、前記移相装置と前記超伝導回路と分離し、
前記第１の接触端子及び前記第２の接触端子は、前記絶縁層の第１の開口及び第２の開口を通して前記超伝導回路及び前記移相装置をそれぞれ結合することを特徴とする請求項５０に記載の移相器回路。
【請求項５３】
前記超伝導回路は、基板の上に横たわり；
前記移相装置は、前記超伝導回路の上に横たわり；かつ
第１の接触端子及び第２の接触端子は、前記超伝導回路及び前記移相装置を結合することを特徴とする請求項４１に記載の移相器回路。
【請求項５４】
絶縁層は、前記移相装置及び前記超伝導回路を分離し、
前記第１の接触端子及び前記第２の接触端子は、前記絶縁層の第１の開口及び第２の開口を通して前記超伝導回路及び前記移相装置をそれぞれ結合する
ことを特徴とする請求項５３に記載の移相器回路。
【請求項５５】
前記超伝導回路は、量子コンピューティング回路
を備えていることを特徴とする請求項４１に記載の移相器回路。
【請求項５６】
第１の位相を有している、第１の超伝導端子手段；
第２の位相を有している、第２の超伝導端子手段；及び
前記第１及び第２の超伝導端子手段に結合され、前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすことができるように構成された、移相器手段
を備えている移相装置手段と；
前記移相装置手段に結合された、超伝導回路手段と、
を備えていることを特徴とする移相器回路。
【請求項５７】
移相装置を供給する段階を具備し；
前記移相装置を供給する段階は、
第１の位相を有している、第１の超伝導端子を供給する段階；
第２の位相を有している、第２の超伝導端子を供給する段階；及び
前記第１の超伝導端子及び前記第２の超伝導端子を移相器に結合する段階、
前記移相器は、前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすことができるように構成され；及び
超伝導回路を前記移相装置に結合する段階
を具備することを特徴とする移相方法。
【請求項５８】
移相器を供給する前記段階は、異方性超伝導体を供給する段階を具備することを特徴とする請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
第１の位相を有している、第１の超伝導端子；
第２の位相を有している、第２の超伝導端子；及び
前記第１の超伝導端子及び前記第２の超伝導端子に結合された、移相器をそれぞれ備え、
前記移相器は、前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすことができるように構成された、
複数の移相装置と、及び
前記複数の移相装置に結合された、超伝導回路と、
を備えていることを特徴とする移相器チップ。
【請求項６０】
前記移相器は、異方性超伝導体をそれぞれ備えていることを特徴とする請求項５９に記載の移相器チップ。
【請求項６１】
前記第１の超伝導端子及び前記第２の超伝導端子は、ニオブ、アルミニウム、鉛、または錫を備え；
前記移相器は、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-dをそれぞれ備え、ここでｄは、約０と約０．６の間の値を有することを特徴とする請求項５９に記載の移相器チップ。
【請求項６２】
前記移相器は、
第１の方位を有する第１の秩序変数を有している、第１の異方性超伝導体；
第２の方位を有する第２の秩序変数を有している、第２の異方性超伝導体をそれぞれ備え、
前記第１の方位及び前記第２の方位は、不整合角度を規定することを特徴とする請求項５９に記載の移相器チップ。
【請求項６３】
前記不整合角度は、約４５度であることを特徴とする請求項６２に記載の移相器チップ。
【請求項６４】
個々の移相器において、前記第１の異方性超伝導体及び前記第２の異方性超伝導体は、ジョセフソン接合によって結合されることを特徴とする請求項５９に記載の移相器チップ。
【請求項６５】
前記ジョセフソン接合は、粒界を備えることを特徴とする請求項６４に記載の移相器チップ。
【請求項６６】
前記第１の異方性超伝導体及び前記第２の異方性超伝導体は、基板の上に横たわり；
前記第１の超伝導端子は、前記第１の異方性超伝導体の上に横たわり；かつ
前記第２の超伝導端子は、前記第２の異方性超伝導体の上に横たわることを特徴とする請求項５９に記載の移相器チップ。
【請求項６７】
前記複数の移相装置は、基板の上に横たわり；
前記超伝導回路は、前記複数の移相装置の上に横たわり；かつ
前記個々の移相装置は、第１の接触端子及び第２の接触端子によって前記超伝導回路に結合されることを特徴とする請求項５９に記載の移相器チップ。
【請求項６８】
絶縁層は、前記複数の移相装置と前記超伝導回路とを分離し、
前記個々の移相装置において、前記第１の接触端子及び前記第２の接触端子は、前記絶縁層の第１の開口及び第２の開口を通して前記超伝導回路及び前記個々の移相装置をそれぞれ結合することを特徴とする請求項６７に記載の移相器チップ。
【請求項６９】
前記超伝導回路は、基板の上に横たわり；
前記複数の移相装置は、前記超伝導回路の上に横たわり；かつ
前記個々の移相装置は、第１の接触端子及び第２の接触端子によって前記超伝導回路に結合されることを特徴とする請求項５９に記載の移相器チップ。
【請求項７０】
絶縁層は、前記複数の移相装置と前記超伝導回路とを分離し、
前記個々の移相装置において、前記第１の接触端子及び前記第２の接触端子は、前記絶縁層の第１の開口及び第２の開口を通して前記超伝導回路及び前記個々の移相装置をそれぞれ結合することを特徴とする請求項６９に記載の移相器チップ。
【請求項７１】
前記超伝導回路は、量子コンピューティング回路を備えていることを特徴とする請求項５９に記載の移相器チップ。
【請求項７２】
第１の位相を有している、第１の超伝導端子手段；
第２の位相を有している、第２の超伝導端子手段；及び
前記第１の超伝導端子手段及び前記第２の超伝導端子手段に結合され、前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすことができるように構成された、移相器
をそれぞれ備えた複数の移相装置手段と、及び
前記複数の移相装置手段に結合された、超伝導回路手段と、
を備えていることを特徴とする移相器チップ。
【請求項７３】
第１の結晶軸方位を有する基板を形成する段階；
前記基板の上に横たわる、第２の結晶軸方位を有するシード層を形成する段階であり、該第２の結晶軸方位が前記第１の結晶軸方位とは異なる、該段階；
前記シード層に複数の開口を形成する段階；及び
前記複数の開口の上に横たわる複数の移相装置を形成する段階
を具備することを特徴とする移相器チップを製作する方法。
【請求項７４】
複数の移相装置を形成する前記段階は、
前記複数の開口にわたり複数の第１の異方性超伝導体を形成する段階；及び
前記シード層にわたり複数の第２の異方性超伝導体を形成する段階を具備することを特徴とする請求項７３に記載の方法。
【請求項７５】
複数の移相装置を形成する前記段階は、
第１の方位を有する第１の秩序変数を有している、複数の第１の異方性超伝導体を形成する段階；及び
第２の方位を有する第２の秩序変数を有している、複数の第２の異方性超伝導体を形成する段階
を具備し、
前記第１の方位は、前記第１の結晶軸方位によって決定され；かつ
前記第２の方位は、前記第２の結晶軸方位によって決定されることを特徴とする請求項７４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導量子コンピューティングの技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子コンピュータは、革命的な新しい技術によって構築され、より改良された計算性能を約束している。超伝導量子コンピューティング・システムに対する最新の提案は、スケーラビリティ及び制御に関して最も有望な技術になっている。
【０００３】
量子コンピュータの基本構造ブロックは、量子ビットまたは量子ビットである。量子ビットは、ちょうど古典的コンピューティングにおけるビットのように、二つの基底状態、｜０＞及び｜１＞を持つことができる。しかしながら、計算中に、量子ビットの状態がその基底状態の量子合成になり、かつ量子力学の規則により発生するような古典コンピューティングのアナロジーが存在しない。量子情報処理が動作する方法に関する詳細は、よく知られており、例えば、その全てが参照文献として採用される、D. DiVincenze, "The Physical Implementation of Quantum Computers", p.1, S. Braunstein and H. Lo, "Scalable Quantume Computers", Wiley-VCH, Berlin, Germany, 2001を参照のこと。
【０００４】
超伝導技術に基づく量子コンピュータは、ジョセフソン接合を含んでいる装置に多くの場合依存する。
【０００５】
ジョセフソン接合は、超伝導ループまたはより高価な回路素子に属しうる、二つの超伝導端子を接続するために用いることができる。超伝導端子は、複合秩序変数を有し、超伝導端子の超伝導状態を表す。複合秩序変数は、その振幅及びその位相によって表すことができる。ジョセフソン接合は、ジョセフソン接合の二端子の位相間の差を誘起することができ、そして接合は、多くの場合、この位相差で呼ばれる。例えば、π／２位相差を誘起するジョセフソン接合は、π／２ジョセフソン接合、またはπ／２接合と呼ばれる。
【０００６】
磁束量子ビットのある実施は、その全て及びその文献に記載された文献の全てが参照文献として採用される、J.E. Mooij, T. P. Orland, L. Levitov, L. Tian, C. H. van der Wal and S. Lloyd, "Josephson Persistent-Current Qubit", Science vol. 285, p. 1036 (1999)に記述されたような、３つまたは４つのジョセフソン接合を有するマイクロメータの大きさのループを含む。このシステムの基底状態は、ループを貫いている磁束の量で異なる。ループに垂直な静磁界の適用は、これらの基底状態の二つのエネルギーを縮退にする。静磁界の適用は、装置のスケーラビリティ及び有用性を低減する。特に、静磁界の適用は、量子ビットとその周囲との間に散逸結合を生じさせ、結果として合成基底状態間の位相のコヒーレンスの損失を導く。
【０００７】
超伝導量子ビットに対する別の提案は、その全て及びその文献に記載された文献の全てが参照文献として採用される、L. Ioffe, V. Geshkenbein, M. Feigel'man, A. Fauchere, and G. Blatter, "Environmentally decoupled s-wave - d-wave - s-wave Josephson junctions for quantum computing" Nature, vol. 398, p. 678 (1999)によって記述されたような、二つの超伝導材料を含み、一つは、等方性秩序変数を有し、別のものは、異方性秩序変数を有する。この論文は、周囲から磁束量子ビットを隔離する機構としてπループを教示している。装置は、複合設計を有し、そして特に、通常の超伝導材料と通常ではない超伝導材料との間に多くのジョセフソン接合を含み、その結果、制約されたスケーラビリティ及びリプロデューシビリティ（再現性）を有する。
【０００８】
【特許文献１】
Geordie Rose, Mohammad H. S. Amin, Timothy Duty, Alexandre Zagoskin, and Alexander Omelyanchouk,“Intrinsic phase shift device as an element of a qubit”, 米国仮出願第６０／２５７，６２４号
【特許文献２】
A. Zagoskin, A. Tsaletchouk, and J. Hilton,２００１年８月２９日出願, 発明の名称“Superconducting low inductance qubit”, 米国仮出願第６０／３１６、１３４号
【特許文献３】
A. Tzalenchuk, Z. Ivanov, and M. Steininger, ２００１年１２月６日出願, 発明の名称“Trilayer Heterostructure Junctions”, 米国特許出願１０／００６，７８７号
【非特許文献１】
D. DiVincenze, "The Physical Implementation of Quantum Computers", p.1,
【非特許文献２】
S. Braunstein and H. Lo, "Scalable Quantume Computers", Wiley-VCH, Berlin, Germany, 2001
【非特許文献３】
J.E. Mooij, T. P. Orland, L. Levitov, L. Tian, C. H. van der Wal and S. Lloyd, "Josephson Persistent-Current Qubit", Science vol. 285, p. 1036, 1999
【非特許文献４】
L. Ioffe, V. Geshkenbein, M. Feigel'man, A. Fauchere, and G. Blatter, "Environmentally decoupled s-wave - d-wave - s-wave Josephson junctions for quantum computing" Nature, vol. 398, p. 678, 1999
【非特許文献５】
C. Bruder, A.van Otterlo, and G.T. Zimanyi, "Tunnel Junctions of Unconventional Superconductors", Phys. Rev. B51, 12904-07, 1995
【非特許文献６】
R. R. Schultz, B. Chesca, B. Goetz, C. W. Schneider, A. Schmehl, H. Bielefeldt, H. Hilgenkamp, J. Mannhart, and C. C. Tsuei, "Design and Realization of an all d-Wave dc π-Superconducting Quantum Interference Device", Applied Physics Letters, 76, p.912-14, 2000
【非特許文献７】
F. Tafuri, F. Carillo, F. Lombardi, F. Miletto Granozio, F. Ricci, U. Scotti di Uccio, A. Barone, G. Testa, E. Sarnelli, J. R. Kirtley, "Feasibility of Biepitaxial Yba2Cu3O7-x Josephson Junctions for Fundamental Studies and Potential Circuit Implementation", Los Alamos preprint cond-mat/0010128, 2000
【非特許文献８】
V. V. Ryazanov, V. A. Oboznov, A. Yu. Rusanov, A. V. Veretennikov, A. A. Golubov, J. Aarts in "Coupling of Two Superconductors Through a Ferromagnet:  Evidence for π-Junction", LANL preprint cond-mat/0008364, August 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、便利にスケーラブル及びリプロデューシブルであり、かつ周囲結合による最小の散逸を有する超伝導量子ビット装置に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の上記課題は、第１の位相を有している、第１の超伝導端子；第２の位相を有している、第２の超伝導端子；及び前記第１の超伝導端子及び前記第２の超伝導端子に結合された移相器を備え、前記移相器は、前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすことができるように構成される移相装置によって達成される。
【００１１】
また、本発明の上記課題は、第１の位相を有している、第１の超伝導端子手段；第２の位相を有している、第２の超伝導端子手段；及び前記第１及び第２の超伝導端子手段に結合され、前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすことができるように構成された移相器手段を備えている移相装置によって達成される。
【００１２】
更に、本発明の上記課題は、第１の位相を有している、第１の超伝導端子を供給する段階；第２の位相を有している、第２の超伝導端子を供給する段階；及び前記第１の超伝導端子及び前記第２の超伝導端子に移相器を結合する段階を具備し、前記移相器は、前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすことができるように構成される移相方法によって達成される。
【００１３】
本発明の上記課題は、移相装置であり、第１の位相を有している、第１の超伝導端子；第２の位相を有している、第２の超伝導端子；及び前記第１の超伝導端子及び前記第２の超伝導端子に結合された、移相器を備え、前記移相器は、前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすことができるように構成された該移相装置；及び前記移相装置に結合された超伝導回路を備える移相器回路によって達成される。
【００１４】
また、本発明の上記課題は、第１の位相を有している、第１の超伝導端子手段；第２の位相を有している、第２の超伝導端子手段；及び前記第１及び第２の超伝導端子手段に結合され、前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすことができるように構成された、移相器手段を備えている移相装置手段と；前記移相装置手段に結合された、超伝導回路手段と、を備えている移相器回路によって達成される。
【００１５】
更に、本発明の上記課題は、移相装置を供給する段階を具備し；前記移相装置を供給する段階は、第１の位相を有している、第１の超伝導端子を供給する段階；第２の位相を有している、第２の超伝導端子を供給する段階；及び前記第１の超伝導端子及び前記第２の超伝導端子を移相器に結合する段階、前記移相器は、前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすことができるように構成され；及び超伝導回路を前記移相装置に結合する段階を具備する移相方法によって達成される。
【００１６】
本発明の上記課題は、第１の位相を有している、第１の超伝導端子；第２の位相を有している、第２の超伝導端子；及び前記第１の超伝導端子及び前記第２の超伝導端子に結合された、移相器をそれぞれ備え、前記移相器は、前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすことができるように構成された、複数の移相装置と、及び前記複数の移相装置に結合された、超伝導回路とを備えている移相器チップによって達成される。
【００１７】
また、本発明の上記課題は、第１の位相を有している、第１の超伝導端子手段；第２の位相を有している、第２の超伝導端子手段；及び前記第１の超伝導端子手段及び前記第２の超伝導端子手段に結合され、前記第１の位相と前記第２の位相との間に所定の差をもたらすことができるように構成された、移相器をそれぞれ備えた複数の移相装置手段と、及び前記複数の移相装置手段に結合された、超伝導回路手段とを備えている移相器チップによって達成される。
【００１８】
更に、本発明の上記課題は、第１の結晶軸方位を有する基板を形成する段階；前記基板の上に横たわる、第２の結晶軸方位を有するシード層を形成する段階であり、該第２の結晶軸方位が前記第１の結晶軸方位とは異なる、該段階；前記シード層に複数の開口を形成する段階；及び前記複数の開口の上に横たわる複数の移相装置を形成する段階を具備する移相器チップを製作する方法によって達成される。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、超伝導移相装置が提供される。本発明の実施形態は、接合の二つの超伝導端子の秩序変数の位相間に移相αを生じさせることができる。αは、−πとπの間の値を仮定することができる。
かかる移相装置は、あらゆる種類の超伝導量子コンピューティング・システムで用いることができる。例えば、移相装置は、磁束量子ビット、または量子ビット、を製造することに役立ちうる。量子ビットの例は、移相装置が二重縮退グラウンド状態を生成するためにループを自己バイアスすることができ、二つの縮退グラウンド状態が両方向に流れる超伝導電流によって識別される、ジョセフソン接合を有する超伝導ループである。二つの縮退グラウンド状態は、量子ビットの基底状態として用いることができ、従って超伝導ループを量子コンピューティングに用いることができる。
【００２０】
本発明によれば、移相装置は、周辺の超伝導回路を製造するために用いた方法とは異なる方法を用いて製造することができる。ある実施形態では、移相装置を基板上に製造し、続いて移相装置の上に横たわっている層に通常の超伝導回路を製造することができるように絶縁することができ、必要なところで移相装置に接続することができる。代替的に、通常の超伝導回路層は、基板上に製造することができ、続いて絶縁され、かつ移相装置は、次いで、通常の超伝導回路層の上に横たわって製造し、回路に接続することができる。ある実施形態では、移相装置は、超伝導回路と同じ層に製造することができる。
【実施例】
【００２１】
移相装置は、Geordie Rose, Mohammad H. S. Amin, Timothy Duty, Alexandre Zagoskin, and Alexander Omelyanchoukによる、発明の名称が“Intrinsic phase shift device as an element of a qubit”である、米国仮出願第６０／２５７，６２４号によって先に記述されている。移相装置は、図１Ａから図１Ｇに関して記述される。
【００２２】
図１Ａは、両方の超伝導端子が移相器、この実施形態ではｄ波超伝導体２４０、に結合された、第１の超伝導端子２１０、第２の超伝導端子２１１のアーキテクチャを有する移相装置１２３の例を示す。第１の超伝導端子２１０は、第１の位相を有している、第１の秩序変数を有し、かつ第２の超伝導端子２１１は、第２の位相を有している、第２の秩序変数を有する。移相器は、第１の位相と第２の位相との間に差を生じさせることができるように構成されている。第１の位相と第２の位相との間の差は、移相（位相のずれ・移相）と呼ばれる。超伝導端子２１０及び２１１を流れる電流は、ＩS0及びＩS1で表示される。
【００２３】
図１Ａは、Ｓ／Ｎ／Ｄ／Ｎ／Ｓヘテロ構造（異形構造）を有している二端子移相装置１２３の実施形態の平面図である。ここで“Ｓ”はｓ波超伝導体、“Ｎ”は標準金属、及び“Ｄ”はｄ波超伝導体をそれぞれ表す。図１Ａに示す実施形態は、移相器に電気的に結合される、標準金属コネクタ２５０に電気的に結合された、ｓ波超伝導端子２１０を含む。
【００２４】
この実施形態では、移相器は、ｄ波超伝導体２４０である。異なる実施形態では、移相器は、あらゆる異方性超伝導体、例えば、ｐ波、ｄ波、またはｓ＋ｄ波超伝導体でありうる。ある実施形態では、ｄ波超伝導体２４０は、ｄが約０と約０．６との間である、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-dのような、高温超伝導体である。ある実施形態では超伝導端子２１０及び２１１は、あらゆる種類の超伝導体でありうる。
【００２５】
ｄ波超伝導体２４０は、ｓ波超伝導端子２１１に電気的に結合される、標準金属コネクタ２５１に更に電気的に結合される。ある実施形態では、超伝導端子２１０及び２１１の長さＬS0、ＬS1、ＬS2、ＬS3及び幅ＷS0、ＷS1は、全て異なりうる。ある実施形態では、超伝導端子２１０及び２１１の長さ及び幅は、約５ミクロンよりも小さいことがありうる。
【００２６】
ｄ波超伝導体２４０は、第１の側で超伝導端子２１０に結合されかつ第２の側で超伝導端子２１１に結合される。第１及び第２の側は、図１Ａに示した、角度θを規定する。角度θは、移相装置１２３によってもたらされた移相を決定する。例えば、第１及び第２の側が互いに直角であるような実施形態では、全移相は、移相装置１２３にわたりπである。第１及び第２の側が直接的に対向しかつ互いに並行（θ＝０°）であるような実施形態では、全移相は、移相装置１２３にわたりゼロである。これにより、総称角度(generic angle)θは、２θの移相を導く。
【００２７】
図１Ｂは、π移相装置の実施形態を示す。角度θは、９０°であり、１８０°またはπラジアンの移相をもたらす。この実施形態では標準金属コネクタ２５０は、ｄ波超伝導体２４０の結晶軸方位に平行であり、かつ標準金属コネクタ２５１は、ｄ波超伝導体２４０の別の結晶軸方位に平行である。ある実施形態では標準金属コネクタ２５０及び２５１は、結晶軸方位に平行であるが、しかし９０°の角度θを形成する。
【００２８】
標準金属コネクタ２５０及び２５１の物理特性、幅及び長さは、超伝導端子２１０とｄ波超伝導体２４０との間、及び超伝導端子２１１とｄ波超伝導体２４０との間にジョセフソン接合を形成するように選択することができる。ｄ波超伝導体２４０及び標準金属コネクタ２５０及び２５１の寸法（ディメンション）は、重要ではない。
【００２９】
ある実施形態では超伝導端子２１０及び２１１は、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）または錫（Ｓｎ）でありうる。本発明の実施形態は、ニオブで作られた超伝導端子２１０及び２１１、金で作られたコネクタ２５０及び２５１、およびＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ6.68で作られたｄ波超伝導体２４０を有しうる。長さＬS0、ＬS1、ＬS2、及びＬS3は概ね０．５ミクロンでありうるし、幅ＷS0及びＷS1は概ね０．５ミクロンでありうるし、そしてコネクタ２５０及び２５１は概ね０．０５ミクロン厚さでありうる。図１Ｂに示す移相装置１２３の実施形態は、超伝導端子２１０と２１１との間の移行で累積されたπの全移相を生成する。
【００３０】
図１Ｃは、移相装置１２３の二端子実施形態の平面図を示す。移相装置１２３は、異方性超伝導体２４１と２４２との間にジョセフソン接合２６０を含んでいるヘテロ構造を含む。ある実施形態では異方性超伝導体２４１及び２４２は、ｄが０＜ｄ＜０．６である、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-dのような、ｄ波超伝導体でありうる。異方性超伝導体２４１及び２４２は、粒界に関して結晶軸方位θ及びθ‘を有し、θ“＝θ−θ‘である、不整合の角度θ“を規定する。一般に、超伝導体の結晶軸方位は、その超伝導体の秩序変数の方位と相関する。粒界に関して異方性超伝導体２４１及び２４２の不整合の角度、θ“を変更することは、粒界２６０にわたる移相に影響を与える。例えば、図１Ｃは、π／２移相をもたらす、θ“＝４５°の不整合角度を示す。かかる接合の動作は、その両方の文献がここに参考文献として採り入れられる、C. Bruder, A.van Otterlo, and G.T. Zimanyi, "Tunnel Junctions of Unconventional Superconductors", Phys. Rev. B51, 12904-07 (1995)、及びR. R. Schultz, B. Chesca, B. Goetz, C. W. Schneider, A. Schmehl, H. Bielefeldt, H. Hilgenkamp, J. Mannhart, and C. C. Tsuei, "Design and Realization of an all d-Wave dc π-Superconducting Quantum Interference Device", Applied Physics Letters, 76, p.912-14 (2000)によって詳細に記述されたように、よく知られている。
【００３１】
ある実施形態ではジョセフソン接合２６０は、粒界接合として形成される。超伝導体は、多くの場合、結晶軸方位即ち超伝導体の秩序変数の方位が基板の結晶軸方位によって決定されるように基板上に形成する。従って、粒界接合は、既存の格子−不整合粒界を有する双結晶（バイ・クリスタル）基板上に異方性超伝導体２４０及び２４１を成長させることによって形成することができる。双結晶基板の粒界は、異方性超伝導体２４０及び２４１をそれ自体が粒界を形成する結晶軸方位で形成させることができ、接合を生成する。
【００３２】
図１Ｄは、移相装置１２３の断面図を示す。異方性超伝導体２４１及び２４２は、基板上で成長される。ある実施形態では、基板９０は、既存の粒界を有する双結晶基板でありうる。基板９０は、市販されている、ＳｒＴｉＯ3（チタン酸ストロンチウム）またはＴｉ：Ａｌ2Ｏ3（サファイア）のような、絶縁体から形成することができる。
【００３３】
この実施形態では異方性超伝導体２４０及び２４１は、ｃ軸ヘテロ構造接合によって超伝導端子２１０及び２１１に結合される。ｃ軸ヘテロ接合は、異方性超伝導体２４１及び２４２に標準金属コネクタ２５０及び２５１をそれぞれ形成することによって生成することができる。超伝導端子２１１及び２１０は、標準金属コネクタ２５０及び２５１にわたり続いて成長させることができる。そして、絶縁層５０を異方性超伝導体２４１及び２４２の上に形成することができるが、超伝導端子２１０及び２１１に対する開口を有している。
【００３４】
標準金属コネクタ２５０及び２５１は、金、銀、またはアルミニウムのような、金属導体、またはドープされたカリウムヒ素のような、半導体から形成することができる。異方性超伝導体２４１及び２４２は、ｄが約０と約０．６との間にある、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7-dのような、ｄ波超伝導体でありうる。絶縁材５０は、超伝導端子２１０及び２１１を電気的に隔離することができるように構成されたあらゆる材料でありうる。
【００３５】
異方性超伝導体２４１及び２４２間のジョセフソン接合２６０は、粒界でありうる。ある実施形態では、接合２６０は、異方性超伝導材が、シード層によって部分的に覆われる基板９０上に成長されるような、バイ−エピタキシャル方法を用いることによって形成することができる。異方性超伝導体が基板及びシード層上に成長される場合には、異方性超伝導体は、基礎角度（下に横たわる角度）の結晶軸によって決定された結晶軸で成長する。シード層の結晶軸は、基板の結晶軸の方位とは異なる方位に配向することができる。この場合には異方性超伝導体は、シード層上及び基板自体の上に異なる結晶軸方位で成長する。従ってシード層のエッジ（縁）で粒界は、異方性超伝導体内に形成され、異方性超伝導体２４０及び２４１を事実上形成する。ある実施形態では基板は、例えば、チタン酸ストロンチウムのような、絶縁体でありうるし、かつシード層は、ＣｅＯ（酸化セリウム）またはＭｇＯ（酸化マグネシウム）でありうる。超伝導装置の製造の形態は、例えば、その全体がここに参考文献として採用される、F. Tafuri, F. Carillo, F. Lombardi, F. Miletto Granozio, F. Ricci, U. Scotti di Uccio, A. Barone, G. Testa, E. Sarnelli, J. R. Kirtley in "Feasibility of Biepitaxial Yba2Cu3O7-x Josephson Junctions for Fundamental Studies and Potential Circuit Implementation", Los Alamos preprint cond-mat/0010128(2000)によって記述されている。
【００３６】
ある実施形態では標準金属コンダクタ２５０は、異方性超伝導体２４１をｓ波超伝導端子２１１に結合する。ある実施形態では標準金属コンダクタ２５１は、異方性超伝導体２４２をｓ波超伝導端子２１０に結合する。ある実施形態では標準金属コネクタ２５０及び２５１は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、プラチナ（Ｐｔ）、またはその他の金属でありうるし、かつｓ波超伝導端子２１０及び２１１は、アルミニウム（Ａｌ）、ニオブ（Ｎｂ）またはその他の通常の超伝導体でありうる。
【００３７】
ある実施形態では長さＬS0、ＬS1、ＬS2、ＬS3、及び幅ＷS0、ＷS1は、全て異なりうる。ある実施形態では長さのそれぞれは、約１ミクロンよりも小さいことがありうる。標準金属コネクタ２５０及び２５１の物理特性及び空間拡張は、超伝導端子２１０と異方性超伝導体２４１の間に、及び超伝導端子２１１と異方性超伝導体２４２との間に、それぞれジョセフソン接合を形成するように選択することができる。超伝導端子２１０及び２１１を流れる電流は、ＩS0及びＩS1でそれぞれ表示される。異方性超伝導体２４１及び２２、及び標準金属コネクタ２５０及び２５１のディメンションは、重要ではない。
【００３８】
図１Ｃに示したような、移相装置１２３の実施形態によれば、超伝導端子２１０及び２１１はニオブ、コネクタ２５０及び２５１は金で製作することができ、かつ異方性超伝導体２４１及び２４２は、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ6.68で製作することができる。長さＬS0、ＬS1、ＬS2、及びＬS3、は、概ね０．５ミクロンでありうるし、幅ＷS0及びＷS1は、概ね０．５ミクロンでありうるし、かつ通常の金コネクタ２５０及び２５１は、概ね０．０５ミクロン厚さでありうる。異方性超伝導体２４１及び２４２は、異方性超伝導体２４１の結晶軸方位が粒界接合２６０と＋２２．５°の角度を成しかつ異方性超伝導体２４２の結晶軸方位が粒界接合２６０と−２２．５°を成す、対称２２．５°／２２．５°格子不整合を有することができる。この種の粒界接合２６０は、超伝導体２４１及び２４２の結晶軸方位間の角度が４５°なので、対称４５°粒界と一般に呼ばれる。この実施形態は、粒界接合２６０にわたり累積されたπの移相を生成する。この実施形態は、対称４５°粒界で自発的超伝導電流または磁束が生成されないし、従って超伝導電子回路の移相装置１２３によるノイズが低減されるという意味で“静か”でもある。
【００３９】
図１Ｅは、二端子移相装置１２３の別の実施形態の平面図を示す。この実施形態は、超伝導端子２１０と超伝導端子２１１との間の接合領域、及び接合領域に形成された強磁性体２７６を含む。この実施形態では強磁性体２７６は、超伝導端子２１０の上にあり、かつ超伝導端子２１１は、強磁性体２７６の上にある。絶縁領域２７５は、超伝導端子２１０及び２１１を互いに隔離するために形成される。超伝導端子２１０と超伝導端子２１１の間のジョセフソン接合は、図１Ｅに示す面に垂直な軸に沿って存在する。
【００４０】
強磁性体２７６の形状は、移相の角度を決定する。図１Ｅにおいて、長さＬS1及びＬS3は、超伝導端子２１０及び２１１の長さをそれぞれ示す。ＨT0及びＨT1は、超伝導端子２１０のエッジと絶縁領域２７５のエッジとの間の距離及び超伝導端子２１１のエッジと絶縁領域２７５のエッジとの間の距離をそれぞれ示す。数量ＨF及びＷFは、強磁性体２７６の高さ及び幅をそれぞれ示す。長さＤT1は、超伝導端子２１１のエッジと超伝導端子２１０のエッジとの間の距離を示す。ある実施形態では長さ及び幅ＤT1、ＨT1、ＬS2、ＨT0、ＷS0、及びＷS1は、全て異なりうるしかつ、ある実施形態では、全て５ミクロンよりも小さい。ある実施形態では長さＨF及びＷFは、異なりうるしかつ、ある実施形態では、所望の移相を与えるように選択されたこれらの長さで、１ミクロンよりも小さいことがありうる。超伝導端子２１０及び２１１を流れる電流は、ＩS0及びＩS1でそれぞれ表示される。
【００４１】
図１Ｆは、ｓ波超伝導端子２１０とｓ波超伝導端子２１１との間に強磁性体２７６を有する移相装置１２３の実施形態の断面図を示す。絶縁領域２７５は、超伝導端子２１０と２１１の間に絶縁を供給する。
【００４２】
ある実施形態では超伝導端子２１０及び２１１は、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、またはｓ波電子対対称(pairing symmetry)を有するその他の超伝導体でありうる。ある実施形態では絶縁領域２７５は、酸化アルミニウム（ＡｌＯ2）、またはその他の絶縁材でありうる。ある実施形態では強磁性体２７６は、銅とニッケルの合金（Ｃｕ：Ｎｉ）、またはその他の強磁性材でありうる。図１Ｅ及び図１Ｆに示された移相装置１２３の実施形態を製造する一つの方法は、その全体が参考文献としてここに採用される、V. V. Ryazanov, V. A. Oboznov, A. Yu. Rusanov, A. V. Veretennikov, A. A. Golubov, J. Aarts in "Coupling of Two Superconductors Through a Ferromagnet:  Evidence for π-Junction", LANL preprint cond-mat/0008364 (August 2000)によって記述される。
【００４３】
図１Ｇは、ｓ波超伝導端子２１０と２１１の間の接合領域に埋め込まれた強磁性体２７６を有している二端子移相装置１２３の別の実施形態の平面図を示す。この実施形態ではｓ波超伝導端子２１０／強磁性体２７６／ｓ波超伝導端子２１１接合は、図１Ｇの面に存在する。それゆえに、強磁性体２７６は、超伝導端子２１０及び２１１の面に直接存在する。強磁性体２７６の形状は、接合の移相を決定する。ある実施形態では長さ及び幅ＤT1、ＨT1、ＬS2、ＷS0、及びＷS1は、全て異なりうるしかつ、ある実施形態では、全てが５ミクロンよりも小さい。ある実施形態では長さＨF及び幅ＷFは、所望の移相を与えるために選択されたこれらの長さで、異なりうるしかつ約１ミクロンよりも小さいものでありうる。超伝導端子２１０及び２１１に流れる電流は、ＩS0及びＩS1でそれぞれ示される。ある実施形態では超伝導端子２１０及び２１１は、ニオブ（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、またはｓ波電子対対称を有するその他の超伝導体でありうる。ある実施形態では強磁性体２７６は、銅とニッケルの合金（Ｃｕ：Ｎｉ）またはその他の強磁性材でありうる。強磁性体２７６は、例えば、超伝導接合への強磁性基板の注入によって準備することができる。
【００４４】
超伝導回路の構成素子として、移相装置１２３は、例えば、G. Rose, M. Amin, T. Duty, A. Zagoskin, and A. Omelyanchoukによる米国仮出願第６０／２５７，６２４号によって先に記述されている。例えば、移相装置１２３は、量子ビット、または超伝導ループに含むことができ、αが０とπとの間の範囲でありうる、移相αを誘起する。
【００４５】
多くの超伝導量子ビット設計は、量子ビット縮退の二つの基底状態を成すことを移相に要求する。ある設計では、基底状態間の縮退は、静磁界の適用によって達成される。かかる磁界は、量子ビットの基底状態の時間進行における散逸をもたらしうるので望ましくない。
【００４６】
図２は、移相装置１２３が量子ビット設計に組込まれる、本発明の実施形態を示す。移相装置１２３は、磁界の適用なしで量子ビット縮退の二つの基底状態を成すことができるように構成される。超伝導低インダクタンス量子ビット（ＳＬＩＱ）として知られた、特定の設計は、この仮出願及びそれに記載された文献が全体としてここに参考文献として採用される、A. Zagoskin, A. Tsaletchouk, and J. Hiltonによる、２００１年８月２９日に出願された、発明の名称が“Superconducting low inductance qubit”である、米国仮出願第６０／３１６、１３４号によって先に開示されている。ＳＬＩＱは、第１の部分及び第２の部分を有する超伝導ループを含む。ループの第１の部分は、二つの異方性超伝導材を分離している、ジョセフソン接合を含む。ループの第２の部分は、第１のループの二つの異方性超伝導材によって形成されたジョセフソン接合にわたるようにループの第１の部分に結合される通常の超伝導材を含む。ある実施形態では、ループの第２の部分の通常の超伝導材は、ｃ軸ヘテロ構造トンネル接合を通してループの第１の部分の材料に結合することができる。
【００４７】
図２は、ＳＬＩＱが、第１のループ部分１００−１及び第２のループ部分１００−２を含むループを含むような、実施形態１００を示す。第１のループ部分１００−１は、接合６０−１及び６０−２を通して第２のループ部分１００−２とインタフェース（連結）する）。第１のループ部分１００−１は、所望の移相を導入することができるように構成された、移相機構３０によって分離された、第１の超伝導材１０、第２の超伝導材２０を含んでいる、移相装置１２３を含む。第２のループ部分１００−２は、超伝導材４０を含む。その他の実施形態では、移相は、例えば、粒界によって導入することができる。ある実施形態における移相の所望の大きさは、α＝π／２であり、そのような移相が二つの基底状態縮退を成し、ＳＬＩＱが量子ビット装置として機能することができる。また、この実施形態は、基板９０及び絶縁材５０も含む。
【００４８】
第１のループ部分１００−１及び第２のループ部分１００−２を製造する方法は、異なる技術を必要としうる。参照した米国仮出願第６０／３１６、１３４号に記述されたような、かかる装置を製造する方法の例は、第１のループ部分１００−１を準備しかつ絶縁する段階、ｃ軸ヘテロ構造接合を準備するために絶縁材の領域をエッチングする段階、中間材を成長させる段階、及び第２のループ部分１００−２を形成する材料を成長させる段階を含む。第１のループ部分１００−１は、第１のループ部分１００−１にわたる移行においてπ／２の移相を生じさせることができる、本発明による移相装置１２３を含むことができる。
【００４９】
ＳＬＩＱ設計により量子ビットを製造するこの方法によれば、移相装置１２３を製造するための技術は、装置の残りの部分を製造するための技術とは異なりうる。この有利な形態は、本発明のこれらの実施形態をスケーリングに対して都合よくし、かつより大きなアレイ及び回路を形成する。
【００５０】
本発明の実施形態は、異なる製造方法を必要としうる装置の一部として、移相装置を製造する方法を提供する。図３は、移相回路２００の実施形態を製造する動作を示す。第１の動作において移相装置１２３を基板１２０の上に製造することができる。絶縁層１３０は、通常の超伝導回路から絶縁層を隔離するために移相装置１２３にわたり成長させることができる。基板１２０を形成するために用いることができる材料は、サファイア及びＳｒＴｉＯ3を含む。接触端子１１１−１及び１１１−２は、移相装置１２３への電気的結合を供給するために絶縁層１３０に開口をまずエッチングすることによって形成することができる。開口は、例えば、電子ビーム・リソグラフィによってエッチングすることができる。それに続いて、接触端子１１１−１及び１１１−２を形成するために開口に導電性材料を成長させることができる。
【００５１】
図４は、移相回路２００を製造する後続の動作を示し、通常の超伝導回路層８００が絶縁層１３０上に成長され、接触端子１１１−及び１１１−２をそれぞれ通して移相装置１２３に接続される。通常の超伝導回路層８００は、アルミニウムのような、ｓ波超伝導体を含んでいる、通常の超伝導体から形成することができる。
【００５２】
図５は、移相回路２００を形成する代替方法を示す。この方法の動作は、通常の超伝導回路層８００を基板１２０上に形成することである。基板１２０は、例えば、サファイア及びＳｒＴｉＯ3から形成することができる。絶縁層１３０の第１の部分は、通常の超伝導回路層８００にわたり成長させることができる。接触端子１１１−１及び１１１−２は、通常の超伝導回路層８００と移相装置１２３との間に電気的結合を供給するために絶縁層１３０の第１の部分に形成することができる。移相装置１２３は、絶縁層１３０の第１の部分の上に横たわるように製造することができる。移相装置１２３は、接触端子１１１−１及び１１１−２を通して超伝導回路層８００に電気的に結合することができる。次に、絶縁層１３０の第２の部分は、その環境（周囲）から移相回路３００（２００）を隔離するために成長させることができる。
【００５３】
本発明のある実施形態は、超伝導量子ビットを製造するために用いたものと同じ製造方法を用いて製造することができる。
【００５４】
超伝導量子ビット案の最も重要な効果の一つは、多数の量子ビットに対するスケーラビリティである。有用な数の量子ビットは、約１０2から１０3の量子ビットでありうる。かかる多数の量子ビットは、量子コンピュータを用いて複雑な量子アルゴリズムを実行するために必要である。それゆえに、本発明の実施形態は、複数の量子ビット装置を製造することにおける初期段階として、複数の移相装置を含むチップを製造する方法を提供する。本発明のある実施形態において多くの移相装置１２３は、移相器チップ５００を形成するためにアレイに配列される。
【００５５】
図６Ａ〜図６Ｃは、Ｎ×Ｍの移相装置１２３を含む移相器チップ５００を形成する方法を示す。
【００５６】
図６Ａは、バイ・エピタキシャル製造で移相器チップ５００を形成する方法を示す。基板９０が形成されかつシード層９５が基板９０の上に横たわるように形成される。開口９０−１，１〜Ｎ，Ｍは、下に横たわっている基板９０を露出するためにシード層９５にエッチングされる。基板９０は、チタン酸ストロンチウムまたはサファイアから形成することができる。シード層９５は、例えばＭｇＯまたはＣｅＯから形成することができる。
【００５７】
図６Ｂは、次の動作において超伝導体２４０がシード層９５の上に（横たわるように）形成されることを示す。シード層９５の開口において超伝導体２４０の結晶軸の方位は、異方性超伝導領域２４１−１，１〜２４１−Ｎ，Ｍを形成するために基板９０の結晶軸の方位、θ1によって決定される。シード層９５の開口から離れた領域において超伝導体２４０の結晶軸の方位は、シード層９５の結晶軸の方位、θ2によって決定される。超伝導体２４０の超伝導秩序変数の方位は、超伝導材２４０の結晶軸の方位に一般に平行または垂直である。ある場合において超伝導体２４０の秩序変数の方位は、下に横たわっている材料の結晶軸と０°または９０°とは異なる角度を形成することができる。超伝導体２４０の結晶軸の方位が開口の領域において及び開口から離れて異なるので、超伝導体２４０の秩序変数の方位は、開口の領域において及び開口から離れて異なる。従って、ジョセフソン接合は、異方性超伝導領域２４１−１，１〜２４１−Ｎ，Ｍと超伝導体２４０との間の境界領域に形成される。
【００５８】
図６Ｃは、移相器チップ５００を形成する次の動作を示す。超伝導体２４０は、領域のアレイ以外では離れるようにエッチングされ、異方性超伝導領域２４２−１，１〜２４２−Ｎ，Ｍを形成する。このアーキテクチャでは、異方性超伝導領域２４２−１，１〜２４２−Ｎ，Ｍは、異方性超伝導領域２４１−１，１〜２４１−Ｎ，Ｍを有するジョセフソン接合を形成する。
【００５９】
異方性超伝導領域２４２−１，１〜２４２−Ｎ，Ｍを形成する方法は、超伝導体２４０の上にマスク層を成長させ、次いで、異方性超伝導領域２４２−１，１〜２４２−Ｎ，Ｍ領域が形成される領域を除いて、全ての場所でマスク層を露出しかつ硬化する段階を含む。硬化されたマスク層領域は、後続のエッチング段階において異方性超伝導領域２４２−１，１〜２４２−Ｎ，Ｍを保護する。次に動作でマスク層は、硬化された領域以外では離れるようにエッチングされる。また、超伝導体２４０及びシード層９５も、マスク層の除去の後に露出されたところから離れるようにエッチングされる。提示したエッチング方法は、異方性超伝導領域２４２−１，１〜２４２−Ｎ，Ｍを生成する。ジョセフソン−接合−結合異方性超伝導領域２４１−１，１〜２４１−Ｎ，Ｍ及び異方性超伝導領域２４２−１，１〜２４２−Ｎ，Ｍは、移相装置１２３−１，１〜１２３−Ｎ，Ｍのアレイを形成する。
【００６０】
次の動作では絶縁層が移相装置１２３−１，１〜１２３−Ｎ，Ｍのアレイの上に成長させられ、かつ接触端子の対応するアレイが形成される。次に、通常の超伝導体回路層が絶縁層の上に形成される。通常の超伝導体ロジックを通常の超伝導体回路に形成することができ、それは接触端子のアレイを通して移相装置１２３−１，１〜１２３−Ｎ，Ｍのアレイに結合される。ヘテロ構造接合は、その文献及びそれに記載された参考文献の全てがここに参考文献として採用される、２００１年１２月６日に出願された、A. Tzalenchuk, Z. Ivanov, and M. Steiningerによる、発明の名称が“Trilayer Heterostructure Junctions”である米国特許出願第１０／００６，７８７号に記述されている。
本発明の様々な形態は、ある一定の実施形態に関して記述されたが、本発明は、添付した特許請求の範囲の全ての範疇内の保護の権利を有するということが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１Ａ】移相装置の実施形態を示す図である。
【図１Ｂ】移相装置の実施形態を示す図である。
【図１Ｃ】移相装置の実施形態を示す図である。
【図１Ｄ】移相装置の実施形態を示す図である。
【図１Ｅ】移相装置の実施形態を示す図である。
【図１Ｆ】移相装置の実施形態を示す図である。
【図１Ｇ】移相装置の実施形態を示す図である。
【図２】移相装置を含む量子ビットの実施形態を示す図である。
【図３】移相装置を製造する動作を示す図である。
【図４】移相装置を製造する動作を示す図である。
【図５】移相装置を製造する動作を示す図である。
【図６Ａ】移相装置のＮ×Ｍアレイを含んでいる移相器チップを製造する動作を示す図である。
【図６Ｂ】移相装置の実施形態を示す図である。
【図６Ｃ】移相装置の実施形態を示す図である。
【国際公開パンフレット】
2004523907.tif 000003
2004523907.tif 000004
2004523907.tif 000005
2004523907.tif 000006
2004523907.tif 000007
2004523907.tif 000008
2004523907.tif 000009
2004523907.tif 000010
2004523907.tif 000011
2004523907.tif 000012
2004523907.tif 000013
2004523907.tif 000014
2004523907.tif 000015
2004523907.tif 000016
2004523907.tif 000017
2004523907.tif 000018
2004523907.tif 000019
2004523907.tif 000020
2004523907.tif 000021
2004523907.tif 000022
2004523907.tif 000023
2004523907.tif 000024
2004523907.tif 000025
2004523907.tif 000026
2004523907.tif 000027
2004523907.tif 000028
2004523907.tif 000029
2004523907.tif 000030
2004523907.tif 000031
2004523907.tif 000032
2004523907.tif 000033
2004523907.tif 000034
2004523907.tif 000035
2004523907.tif 000036
2004523907.tif 000037
2004523907.tif 000038
2004523907.tif 000039
2004523907.tif 000040
2004523907.tif 000041
2004523907.tif 000042
2004523907.tif 000043
2004523907.tif 000044
2004523907.tif 000045
2004523907.tif 000046
2004523907.tif 000047
2004523907.tif 000048
2004523907.tif 000049
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004523907.tif 000050
2004523907.tif 000051
【国際調査報告】
2004523907.tif 000052
2004523907.tif 000053
2004523907.tif 000054
2004523907.tif 000055
2004523907.tif 000056
2004523907.tif 000057