(57)【要約】  量子ビットの状態を読み出すために、量子ビットの状態を記憶する情報記憶素子（１０１）と、情報記憶素子（１０１）に電磁気的に結合された読み出し共振器（１０２）とを備えるシステムに、読み出し入力波形が注入される（１６０２）。システムから読み出し出力波形を取り出して検出する（１１０２）。読み出し入力波形の注入（１６０２）は、量子ビットの状態に影響を与えるために情報記憶素子（１０１）に励起波形を注入するのにも使用される励起ポート（１０３）を介して行われる。読み出し入力波形の位相は、それをシステムに注入する過程で制御可能にシフトされる（１６０４）。【選択図】図１１
2022502793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ビットの状態を読み出す装置であって、
前記量子ビットの状態を記憶する情報記憶素子（１０１）と、
前記情報記憶素子（１０１）に電磁気的に結合された読み出し共振器（１０２）と、
前記量子ビットの状態に影響を与えるために前記情報記憶素子（１０１）に励起波形（４０１）を注入する励起ポート（１０３）と、
前記情報記憶素子（１０１）及び前記読み出し共振器（１０２）を含むシステムに読み出し入力波形（４０２）を注入し、前記システムから読み出し出力波形（４０３）を取り出す１つ又は複数の読み出しポート（１０４、１０５、２０６）と、
前記読み出し入力波形を生成する読み出し波形源（１１０１）と、
前記読み出し出力波形を検出する読み出し波形検出器（１１０２）と、
を備え、
前記読み出し波形源（１１０１）が、前記励起ポート（１０３）を介して、前記読み出し入力波形を同時に前記システムに注入するように構成されており、
前記読み出し波形源（１１０１）が、読み出し入力波形を前記システムに注入する過程で、読み出し入力波形の位相を制御可能にシフトさせるように構成されていることを特徴とする、
装置。
【請求項２】
前記励起ポート（１０３）は、前記情報記憶素子（１０１）に結合されており、
前記読み出しポート（１０４、１０５、２０６）の１つ又は複数は、前記共振器（１０２）に結合され、前記励起ポート（１０３）とは異なる
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記情報記憶素子（１０１）及び前記読み出し共振器（１０２）が、超伝導材料でできている、
請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記情報記憶素子（１０１）が、トランスモンである、
請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記読み出し波形源（１１０１）が、前記励起ポート（１０３）及び前記１つ又は複数の読み出しポートのうちの第１の読み出しポート（２０６）の両方を介して、同時にシステムに読み出し波形を注入するように構成され、前記第１の読み出しポート（２０６）は前記励起ポート（１０３）とは異なる、
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記読み出し波形源（１１０１）が、前記励起ポート（１０３）を介して前記システムに注入された読み出し入力波形と、前記第１の読み出しポート（２０６）を介してシステムに注入された読み出し入力波形の両方の位相（１１０３、１１０４）及び振幅（１１０５、１１０６）を制御するように構成されている、
請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記読み出し波形源（１１０１）が、
第１の確率分布の平均点をＩ−Ｑ空間の原点に維持する一方で、第２の確率分布の平均点を前記Ｉ−Ｑ空間の前記原点から遠ざけるように、第１ペアの読み出し入力波形の位相及び振幅をマッチングさせた状態で、前記第１ペアの同時読み出し入力波形を、前記励起ポート（１０３）及び前記第１の読み出しポート（２０６）の各々を介してシステムに注入し、前記第１の確率分布は、前記情報記憶素子（１０１）に記憶されている量子ビットの第１の可能な状態に関連付けられ、前記第２の確率分布は、前記情報記憶素子（１０１）に記憶されている前記量子ビットの第２の可能な状態に関連付けられており、
続いて、前記第２の確率分布の前記平均点を前記Ｉ−Ｑ空間の前記原点に戻すように、第２ペアの読み出し入力波形の位相及び振幅をマッチングさせた状態で、前記第２ペアの同時読み出し入力波形を、前記励起ポート（１０３）及び前記第１の読み出しポート（２０６）の各々を介して前記システムに注入するように構成されている、
請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記読み出し波形検出器（１１０２）が、前記第２ペアの同時読み出し入力波形の前記システムへの後続する前記注入の前に、前記システムから取り出された読み出し出力波形の検出を実行するように構成されている、
請求項７に記載の装置。
【請求項９】
量子ビットの状態を読み出す方法であって、
前記量子ビットの前記状態を記憶する情報記憶素子と、前記情報記憶素子に電磁気的に結合された読み出し共振器とを備えるシステムに、読み出し入力波形を注入すること（１６０２）と、
前記システムから取り出された読み出し出力波形を検出すること（１６０３）と、
を含み、
前記読み出し入力波形の前記注入（１６０２）は、前記量子ビットの前記状態に影響を与えるために前記情報記憶素子に励起波形を注入するためにも使用される励起ポートを介して行われ、かつ、
前記読み出し入力波形を前記システムに注入する過程で、前記読み出し入力波形の位相を制御可能にシフトさせる（１６０４）、
方法。
【請求項１０】
前記システムへの読み出し入力波形の前記注入（１６０２）は、前記励起ポート（１７０１）を介して、及び前記システムの第１の読み出しポート（１７０２）を介して、両方同時に前記システムに読み出し波形を注入することを含み、前記第１の読み出しポートは、前記励起ポートとは異なる、
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記励起ポートを介して前記システムに注入された前記読み出し入力波形と、前記第１の読み出しポートを介して前記システムに注入された前記読み出し入力波形の両方の位相及び振幅を制御すること（１６０４）を含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
第１の確率分布の平均点をＩ−Ｑ空間の原点に維持する一方で、第２の確率分布の平均点を前記Ｉ−Ｑ空間の前記原点から遠ざけるように、第１ペアの読み出し入力波形の位相及び振幅をマッチングさせた状態で、前記第１ペアの読み出し入力波形を、前記励起ポート及び前記第１の読み出しポートの各々を介して前記システムに注入すること（１８０１）を含み、前記第１の確率分布は、前記情報記憶素子に記憶されている量子ビットの第１の可能な状態に関連付けられ、前記第２の確率分布は、前記情報記憶素子に記憶されている量子ビットの第２の可能な状態に関連付けられており、
続いて、前記第２の確率分布の前記平均点を前記Ｉ−Ｑ空間の前記原点に戻すように、第２ペアの読み出し入力波形の位相及び振幅をマッチングさせた状態で、前記第２ペアの読み出し入力波形を、前記励起ポート及び前記第１の読み出しポートの各々を介して前記システムに注入すること（１８０３）を更に含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２ペアの同時読み出し入力波形の前記システムへの後続する前記注入の前に、前記システムから取り出された読み出し出力波形を検出すること（１６０３）を含む、
請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、量子計算の技術に関する。特に、本発明は、量子ビットの状態を高速かつ信頼性の高い方法で読み出す技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子コンピュータでは、情報の基本単位だけでなく、１つの量子ビットの情報を記憶するために使用される情報記憶素子にも「量子ビット」という用語を使用することが一般的になっている。一例として、１つ以上の量子ビット（即ち、量子ビットサイズの情報記憶素子）を有する超伝導メモリ回路を考えることができる。このような例では、量子ビットはトランスモンなどの非調和振動子であり、その中に記憶された量子ビットの状態の読み出しを容易にするために、近くの読み出し共振器に結合されていてもよい。
【０００３】
図１は４つの量子ビット（即ち、４つの量子ビットサイズの情報記憶素子）を含むメモリ回路の一例を示す概略図である。左上の量子ビット１０１とそれに付随するマイクロ波共振器１０２は、破線の長方形で示されている。太い実線で示された伝送線と量子ビットの内部構造とは、低温で超伝導になる材料でできている。動作中、量子ビット１０１は、励起ポート１０３にもたらされる特定の周波数の励起波形によって励起され得る。水平方向に長い伝送線は、読み出し線である。量子ビットの記憶された値を読み出すために、読み出し波形が読み出し入力ポート１０４に結合され、得られた読み出し信号の位相が読み出し出力ポート１０５で検出される。この例示的な回路では、４つの共振器１０２、１０６、１０７、１０８の各々が異なる共振周波数を有しているので、読み出し波形の周波数によって、どの量子ビットが実際に読み出されるかが決定される。
【０００４】
図２は、量子ビット１０１とそれに付随する共振器１０２とを表す等価回路図である。量子ビット１０１は、ジョセフソン接合２０１とシャント容量２０２とで構成されている。共振器は、静電容量２０３とインダクタンス２０４とからなるＬＣ回路として示されている。励起ポート１０３は、図１のものに対応しており。結合容量２０５を介して量子ビットに結合されている。図２の読み出しポート２０６は、図１の読み出し入力ポート１０４と読み出し出力ポート１０５の機能を組み合わせたものであり、共振器１０２へのその結合容量を２０７として図示している。中央の静電容量２０８は、量子ビット１０１と共振器１０２との間の主に容量性の電磁結合を表している。
【０００５】
読出し波形の光子が共振器１０２に注入されると、それらは量子ビット１０１の状態と相互作用する。その結果、読み出し出力ポートで検出可能な読み出し波形の位相が変化し始める。読出し波形の位相と振幅で定義されるＩ‐Ｑ空間内の点は、確率分布に属するものと考える必要がある。図３は、確率分布の平均点が２次元Ｉ−Ｑ空間にとりうる軌跡を、時間の関数として示す。ここでは、時刻ｔ＝０で読み出し波形の入射が始まり、確率分布の平均点が４０ナノ秒間隔で観察されると仮定する。各円は、量子ビットが励起状態にあることが分かった場合の、４０ナノ秒の間隔で連続する確率分布の平均点の位置を表す。これに対応して、各十字は、量子ビットが基底状態にあることが分かった場合の、４０ナノ秒の間隔で連続する平均点の位置を表す。連続曲線は、４０ナノ秒の間隔の間での平均点の軌跡を表す。
【０００６】
座標系の単位は任意であるが、重要なのは軌跡の形態であるため、単位は重要ではない。図３は、最初は、量子ビットの状態に依存する差（即ち、２つの軌跡間の最短距離）が比較的ゆっくりと増加し、最初は、２つの軌跡が原点から左に向けられ、互いから徐々に乖離するだけであることを示す。量子ビットの状態を知ることは、時間または信頼性の観点から考えることができる。検出するまでの待ち時間が長ければ長いほど、結果の信頼性は高くなる。
【０００７】
量子ビットの状態を合理的な信頼性で読み出す際の長い遅延時間は、状態を読み取る必要がある量子計算のステップを進める速度に制限を設けるので、不利である。量子ビットの状態を読み出すより速い方法を有することが最も望ましい。換言すれば、量子ビットの状態を短い遅延時間だけで読み出すことができる信頼性を高めることが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、従来の既知の技術よりも高速及び／又は高信頼性で、量子ビットの状態を読み出すための装置及び方法を提供することにある。本発明の他の目的は、量子ビットの状態が読み出された後、できるだけ迅速に量子ビットの読み出しをリセットすることを可能にすることである。
【０００９】
本発明の目的は、量子ビットに励起波形を注入するためにも使用される励起ポートを介して、量子ビットとその読み出し共振器を含むシステムに読み出し波形を注入すること、及び、波形の位相及び振幅のマッチングを適切に実行することによって達成される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の態様によれば、量子ビットの状態を読み出すための装置が提供される。この装置は、量子ビットの状態を記憶する情報記憶素子と、前記情報記憶素子に電磁気的に結合された読み出し共振器とを備える。この装置は、量子ビットの状態に影響を与えるために情報記憶素子に励起波形を注入する励起ポートと、前記情報記憶素子及び前記読出し共振器を備えるシステムに読み出し入力波形を注入し、システムから読み出し出力波形を取り出す１つ又は複数の読み出しポートとを備える。この装置は、前記読み出し入力波形を生成する読み出し波形源と、前記読み出し出力波形を検出する読み出し波形検出器とを備える。前記読み出し波形源は、少なくとも前記励起ポートを介して前記読み出し入力波形をシステムに注入するように構成され、前記読み出し波形源は、前記読み出し入力波形をシステムに注入する過程で、読み出し入力波形の位相を制御可能にシフトさせるように構成されている。
【００１１】
一実施形態によれば、前記励起ポートは、前記情報記憶素子に結合される。前記読み出しポートのうちの１つ又は複数は、前記共振器に結合され、前記励起ポートとは異なる。これには、読み出し波形をシステムに注入するための様々な可能性が利用可能であるという利点がある。
【００１２】
一実施形態によれば、前記情報記憶素子及び前記読み出し共振器は、超伝導材料でできている。これには、システムの作業モデルを構築し、既知の技術を用いた実際の測定でその性能を検証することができるという利点がある。
【００１３】
一実施形態によれば、前記情報記憶素子はトランスモンである。これには、情報記憶素子の動作の理論が周知であり、システムの動作の理論的解析に適用可能であるという利点がある。
【００１４】
一実施形態によれば、前記読み出し波形源は、前記励起ポートと、前記１つ又は複数の読み出しポートのうちの第１の読み出しポートの両方を介して、同時にシステムに読み出し波形を注入するように構成され、前記第１の読み出しポートは前記励起ポートとは異なる。これには、Ｉ−Ｑ空間における共振器の確率分布の軌跡を、様々な方法で制御することができるという利点がある。
【００１５】
一実施形態によれば、前記読み出し波形源は、前記励起ポートを介してシステムに注入される読み出し波形と、前記第１の読み出しポートを介してシステムに注入される読み出し波形の、両方の位相及び振幅を制御するように構成されている。これには、Ｉ‐Ｑ空間における共振器の確率分布の軌跡を、様々な方法で制御することができるという利点がある。
【００１６】
一実施形態によれば、本方法は、第１の確率分布の平均点をＩ-Ｑ空間の原点に維持する一方で、第２の確率分布の平均点を前記Ｉ-Ｑ空間の前記原点から遠ざけるように、前記第１ペアの同時読み出し波形の位相及び振幅をマッチングさせて、前記第１ペアの同時読み出し波形を、前記励起ポート及び前記第１の読み出しポートの各々を介してシステムに注入することを含む。前記第１の確率分布は、前記情報記憶素子に記憶された量子ビットの第１の可能な状態に関連付けられ、前記第２の確率分布は、前記情報記憶素子に記憶された量子ビットの第２の可能な状態に関連付けられる。
本方法は、前記第２の確率分布の平均点をＩ-Ｑ空間の原点に戻すように、前記第２ペアの同時読み出し波形の位相及び振幅をマッチングさせて、前記第２ペアの同時読み出し波形を、前記励起ポート及び前記第１の読み出しポートの各々を介してシステムに続けて注入することを含んでいてもよい。これには、読み出しが実行された後、共振器を素早くリセットできるという利点がある。
【００１７】
一実施形態によれば、前記読み出し波形検出器は、前記第２ペアの同時読み出し波形のシステムへの前記後続の注入の前に、前記システムから取り出された読み出し出力波形の検出を実行するように構成されている。これには、読み出しとリセット動作がうまく同期するという利点がある。
【００１８】
第２の態様によれば、量子ビットの状態を読み出す方法が提供される。本方法は、量子ビットの状態を記憶するための情報記憶素子と、前記情報記憶素子に電磁気的に結合された読み出し共振器とを備えるシステムに、読み出し入力波形を注入することと、前記システムから取り出された読み出し出力波形を検出することとを含む。前記読み出し入力波形の注入は、前記情報記憶素子に励起波形を注入して前記量子ビットの状態に影響を与えるために使用される励起ポートを介して行われる。読み出し入力波形の位相は、読み出し入力波形をシステムに注入する過程で、制御可能にシフトされる。
【００１９】
一実施形態によれば、システムへの読み出し入力波形の注入は、前記励起ポートと前記システムの第１の読み出しポートの両方を介して、システムに読み出し波形を同時に注入することを含み、前記第１の読み出しポートは、前記励起ポートとは異なる。これには、読み出し波形をシステムに注入するための様々な可能性が利用可能であるという利点がある。
【００２０】
一実施形態によれば、本方法は、前記励起ポートを介して前記システムに注入される読み出し波形と、前記第１の読み出しポートを介して前記システムに注入される読み出し波形の、両方の位相及び振幅を制御することを含む。これには、Ｉ‐Ｑ空間における共振器の確率分布の軌跡を、様々な方法で制御できるという利点がある。
【００２１】
一実施形態によれば、本方法は、第１の確率分布の平均点をＩ−Ｑ空間の原点に維持する一方で、第２の確率分布の平均点を前記Ｉ−Ｑ空間の前記原点から遠ざけるように、前記第１ペアの読み出し波形の位相及び振幅をマッチングさせて、前記励起ポート及び前記第１の読み出しポートの各々を介して第１ペアの同時読み出し波形をシステムに注入することを含む。前記第１の確率分布は、前記情報記憶素子に記憶された量子ビットの第１の可能な状態に関連付けられ、前記第２の確率分布は、前記情報記憶素子に記憶された量子ビットの第２の可能な状態に関連付けられる。
本方法は、続いて、前記第２の確率分布の平均点をＩ-Ｑ空間の原点に戻すように、前記第２ペアの読み出し波形の位相及び振幅をマッチングさせて、前記励起ポート及び前記第１の読み出しポートの各々を介して、第２ペアの同時読み出し波形をシステムに注入することを含んでいてもよい。これには、読み出しが実行された後、共振器を素早くリセットできるという利点がある。
【００２２】
一実施形態によれば、本方法は、第２ペアの同時読み出し波形のシステムへの前記後続する注入の前に、システムから取り出された読み出し出力波形を検出することを含んでいてもよい。これには、読み出しとリセット動作が上手く同期するという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
添付の図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書の一部を構成し、本発明の実施形態を例示し、明細書と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。図面において、
【図１】図１は、超伝導量子メモリ回路を示す図である。
【図２】図２は、等価回路図を示す。
【図３】図３は、第１のケースにおける状態に関連する確率分布の分離を示す図である。
【図４】図４は、量子ビットと読み出し共振器とを備えたシステムを示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態を説明する多数の数式を示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態を説明する多数の数式を示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態を説明する多数の数式を示す図である。
【図８】図８は、本発明の実施形態を説明する多数の数式を示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態を説明する多数の数式を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態を説明する多数の数式を示す図である。
【図１１】図１１は、量子ビットの状態を読み出すための装置を示す図である。
【図１２】図１２は、第２のケースにおける状態に関連する確率分布の分離を示す図である。
【図１３】図１３は、第３のケースにおける状態に関連する確率分布の分離を示す図である。
【図１４】図１４は、第４のケースにおける状態に関連する確率分布の分離を示す図である。
【図１５】図１５は、いくつかのケースにおける状態に関連する確率分布の分離の比較を示す図である。
【図１６】図１６は、量子ビットの状態を読み出す方法の手順を示す図である。
【図１７】図１７は、量子ビットの状態を読み出す方法の手順を示す図である。
【図１８】図１８は、量子ビットの状態を読み出す方法の手順を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図４は、量子ビットの状態を読み出すための装置の原理を示す概略図である。この装置は、量子ビットの状態を記憶するための情報記憶素子１０１を備えている。図中の２本の水平線は、量子ビットが有し得る２つの可能な基底状態を示す。量子計算用のハードウェア装置の技術分野では、情報の概念的な基本単位だけでなく、情報記憶素子１０１を構成するハードウェアにも、量子ビットという用語を使用するのが通例である。
【００２５】
この装置は、情報記憶素子、即ち、量子ビット１０１に電磁気的に結合された読み出し共振器１０２も備えている。読み出し共振器１０２は、高調波発振器であり、ある共振周波数を有している。共振器１０２と情報記憶素子（即ち、量子ビット）１０１との間の電磁結合の強さは、結合係数ｇで記述することができる。参照を容易にするために、量子ビット１０１とその読み出し共振器１０２とは、一般に、「システム」と称することができる。
【００２６】
この装置は、情報記憶素子１０１に励起波形４０１を注入するための励起ポート１０３を備えている。励起波形は、既知の方法で量子ビットの状態に影響を及ぼす。この技術分野の一般的な用語では、量子ビットを「励起」すると言うのが一般的であり、これは励起ポート１０３を介して励起波形を注入することと本質的に同義である。
【００２７】
この装置は、読み出し入力波形４０２をシステムに注入するための１つ又は複数の読み出しポート１０４を備えている。１つ又は複数の読み出しポート１０４は、読み出し出力波形４０３をシステムから抽出するためにも使用される。読み出し入力波形４０２をシステムに注入することは、一般に、共振器１０２を「駆動」することと言われる。結合係数κ（ギリシャ文字の小文字カッパ）は、共振器１０２から読み出しポート１０４（複数可）までの特性減衰時間を表す。定数ｇ及び定数κの相対的な大きさは、この明細書において後でより詳細に説明されるように、読み出し機構が動作する方法に対して一定の重要性を有する。
【００２８】
読み出し入力波形４０２は、図４に図示されていない読み出し波形源から生じる。システムから抽出される読み出し出力波形の検出は、同じく図４に図示されていない読み出し波形検出器で行われる。
【００２９】
技術分野における従来のものとは対照的に、読み出し波形入力源は、読み出し入力波形の少なくとも一部を、少なくとも励起ポート１０３を介してシステムに注入するように、配置することができる。このようにして、励起ポート１０３は同時にシステムの読み出しポートの１つになる。これは、量子ビットの状態の読み出しが進行し得る速度に著しい影響を及ぼす。
【００３０】
この状況は、概念的には以下のように説明され得る。読み出し入力波形が読み出しポート１０４を介してのみ注入される従来の読み出し方式では、共振器１０２は最初から空であった。読み出し入力波形（又は、読み出し光子とも呼ばれる）は、量子ビット１０１に記憶された状態との相互作用を開始する前に、まず共振器１０２に入力する必要があった。出力波形から得られる有用な情報は、振幅と位相の積に比例するため、共振器１０２の振動の振幅が意味のある大きさに達し、結合ｇを介して量子ビット１０１内の状態と相互作用するのに十分な時間が経過した後にのみ、それらの位相を検出することが合理的となる。
【００３１】
読み出し入力波形が励起ポート１０３を介してシステムに注入されると、その波形は、量子ビット１０１内に格納されている状態と直ぐに「一致し（meets）」、これにより共振器１０２内に到達する前にすでに、状態と相互作用し始めることができる。換言すれば、共振器１０２には、読み出されるべき量子ビットの状態を既に反映している位相の読み出し光子が入力し始める。その結果、適切な読み出し出力波形を従来の方法よりも早く検出することが可能になる。
【００３２】
より正式な取り扱いは以下の通りである。非結合量子ビット１０１の固有周波数を、ωｋ＝ｋωｒ＋Δｋとする。ここで、ωｒは共振器１０２の共振周波数であり、Δｋは量子ビットと共振器のｋ番目のエネルギー準位間の離調度（detuning）を表す。基底状態ではΔ０＝０、第１励起状態ではΔ１＝Δ、第２励起状態ではΔ２＝２Δ＋α（ここで、αは非調和性である）、といった具合である。分散領域では、離調度は、量子ビットと共振器との結合ｇよりも大きく、これは|Δ|≫ｇを意味する。この系を記述するハミルトニアンは、図５のライン(1)で示されるように記述でき、自由、相互作用、量子ビット駆動、及び共振器駆動のハミルトニアンは、それぞれ図５のライン(2) 、(3) 、(4) 、(5)で与えられる。
【００３３】
数学的な表記では、
2022502793.tif 000003
は、共振器モードの消滅演算子を表し、
2022502793.tif 000004
は、量子ビットのｋ番目の固有状態を表す。添え字「ｒ」は共振器、添え字「ｑ」は量子ビット、添え字「ｄ」は読み出し（即ち、駆動）波形を表す。
【００３４】
トランスモンの場合、異なるトランスモン・レベルの結合定数は、通常、
2022502793.tif 000005
2022502793.tif 000006
の形であると仮定される。駆動周波数ωｄにおける実駆動（即ち、読み出し）波形
2022502793.tif 000007
は、図５のライン(6)に示すように、複素振幅の実部と虚部（即ち、ＩとＱの４乗）から構成される。
【００３５】
ハミルトニアン
2022502793.tif 000008
は、角周波数ωｄで回転するフレームに変換することができる。図５のライン(7)で与えられたユニタリー演算子
2022502793.tif 000009
を適用し、ｇ≪|２ωｒ|と、|ωｒ−ωｄ|≪|ωｒ＋ωｄｒ|とで正当化される回転波近似を用いると、図６のライン(8) 、(9) 、(10) 、(11)で与えられる変換後のハミルトニアンが得られる。頭字語のＨ.ｃ.はエルミート共役を表し、
2022502793.tif 000010
は、シフトした離調度を表す。
【００３６】
一瞬の間、
2022502793.tif 000011
を無視すると、変換されたハミルトニアン
2022502793.tif 000012
の全体は、図７中のライン(12)によって与えられる。
【００３７】
従来の読み出し方式では、読み出し波形は、読み出しポートからのみシステム内に注入されるため、Ωｄ＝０となる。したがって、共振器の位相空間分布は、量子ビットの状態に依存した角周波数で、原点を中心に回転することになる。ここで、フレームが、
2022502793.tif 000013
だけずれているという重要な観測を行う。したがって、シフトしていないフレームでは、共振器の位相空間分布は、点αＶＯを中心に回転するはずである。αＶＯの位置は、読み出し波形のΩｑｄとωｄによって完全に制御可能である。
【００３８】
共振器の状態の減衰を考慮するために、図７のライン(13)で示されるリンドブラッドのマスター方程式を用いる。ここで、ρは共鳴器の縮小密度演算子を表し、κは共鳴器のエネルギー減衰率を表し、
2022502793.tif 000014
である。
【００３９】
この観察結果をより明らかにするために、標準的な分散近似を行う。まず、図７のライン(14)で与えられた演算子
2022502793.tif 000015
を用いて別の変換を行う。
2022502793.tif 000016
について
2022502793.tif 000017
という仮定の下で、
2022502793.tif 000018
の２次までの
2022502793.tif 000019
を計算する。分かりやすくするために、式を、トランスモン
2022502793.tif 000020
の最初の３つのレベルのみに制限してもよい。ハミルトニアンは、図７のライン(15) 、(16) 、(17)で示された形をしている。ここで、分散定数を、
2022502793.tif 000021
2022502793.tif 000022
2022502793.tif 000023
と定義することができる。最後に、変位演算子
2022502793.tif 000024
を導入すると、全体のハミルトニアンは、図８のライン(18)から(21)で与えられる形になる。
【００４０】
ライン(18)は、結合と駆動による一定の周波数シフトを表す。ライン(19)は、量子ビット側からの駆動、即ち、励起ポートからシステムに読み出し波形を注入することで、量子ビットのハミルトニアンが傾くことを示す。ライン(20)は、今回の読み出し方式にとって重要である。なぜならば、コヒーレントな状態は、点αＶＯを中心に回転すると予測されるからである。この回転の角周波数は、ωｒ−ωｄ＝χ１／２を選択することにより、αｇとαｅの各々について、
2022502793.tif 000025
及び−χとすることができる。図８のライン(21)は、この変換が共振器駆動の振幅に影響を与えることを示しているが、これは、Ωｒを変更することで補うことができる。従来の分散系のハミルトニアンは、αＶＯ＝０とすることで得られる。
【００４１】
図７のライン(13)の式を、近似ハミルトニアン
2022502793.tif 000026
と共に用いると、図９のライン(22)のように、期待値
2022502793.tif 000027
の解析式が得られる。共振器が最初から空の状態（いわゆる「真空状態」）であり、読み出しパルスが変化しない
2022502793.tif 000028
と仮定すると、図９のライン(23)のような解が得られる。
【００４２】
上記の形式的な取り扱いは、一般的な場合に有効であり、例えば、量子ビットの特定の物理的な実装に拘束されるものではない。以下の３つの特殊なケースを挙げることができる。
【００４３】
第１の特殊なケースは、従来の読み出し方式で、励起ポートを介してシステムに読み出し波形が注入されていない場合、つまりΩｑｄ＝０となる場合である。この場合、２つの量子ビットの状態
2022502793.tif 000029
及び状態
2022502793.tif 000030
に関連する確率分布は、位相空間の異なる点を中心に回転する。両者は、図３に示した軌跡と関連して前述したように、最初は同じ方向に進む。ｔ＜χ−１における状態分離は、図１０のライン(24)によって示されるように、時間と共に二次関数的に増加する。
【００４４】
第２の特殊なケースは、読み出し波形が励起ポートからのみシステムに注入される場合、つまりΩｒｄ＝０となる場合である。この読み出し方式は、従来の方式との違いを示すために、バックドア読み出し方式と呼ばれることがある。２つの量子ビットの状態
2022502793.tif 000031
及び状態
2022502793.tif 000032
に関連する確率分布は、点ｚの周りを回転するが、その周波数は異なる。ｔ＜χ−１における状態の分離は、図１０のライン(25)によって示されるように、時間と共に直線的に増加する。さらに進化するには、κの大きさに依存する。κが小さい場合、確率分布はｚの周りを回転しながら、それぞれの定常状態にゆっくりと収束していく。この場合、Ｓｂａｃｋが振動するため、シングルショットの読み出しが困難になる可能性がある。従来の読み出し方式でも同じ問題が発生する可能性があるが、κを大きくすることで問題を回避することができる。
【００４５】
第３の特殊なケースは、図９の式(23)の分子がゼロになるように、励起ポートと読み出しポートの両方から読み出し波形をシステムに注入することである。これにより、量子ビットの状態
2022502793.tif 000033
に関連する確率分布は、原点に留まることになる。また、量子ビットの状態
2022502793.tif 000034
に関連する確率分布は、点
2022502793.tif 000035
を中心に回転する。ｔ＜χ−１における状態の分離は、前の場合と同様に、即ち、Ｓｂａｃｋ（ｔ）として増加する。
【００４６】
図１１は量子ビット１０１の状態を読み出すための装置を示し、図２の等価回路図表現が例示的な比較のために採用される。この配置は、読み出し波形を生成するための読み出し波形源１１０１を備えている。また、この配置は、量子ビット（即ち、情報記憶素子）１０１と読み出し共振器１０２を備えたシステムから抽出された読み出し出力波形を検出するために、読み出し波形検出器１１０２を備えている。読み出し波形源１１０１は、少なくとも励起ポート１０３を介して読み出し入力波形をシステムに注入するように配置されている。図１１に示す実施形態では、読み出し波形源１１０１は、読み出しポート２０６を介して読み出し入力波形をシステムに注入するようにさらに配置されている。
【００４７】
読み出し波形源１１０１は、読み出し入力波形をシステムに注入する過程で、読み出し入力波形の位相を制御可能にシフトするように配置されている。この能力は、図１１に概略的に示されており、制御可能な位相シフター１１０３及び１１０４が、読み出し波形ソース１１０１の出力から読み出しポート２０６及び励起ポート１０３にそれぞれ引き回されるラインに配置されている。また、読み出し波形源１１０１は、読み出し入力波形の振幅を制御するように配置されてもよい。読み出し波形源１１０１のこの能力は、図１１に概略的に示されており、制御可能な減衰器１１０５及び１１０６が、読み出し波形源１１０１の出力から読み出しポート２０６及び励起ポート１０３にそれぞれ引き回されるラインに配置されている。
【００４８】
図１１に示すように、励起ポート１０３は量子ビット（即ち、情報記憶素子）１０１に結合され、読み出しポート２０６は共振器１０２に結合されている。正確には、図１１では、励起ポート１０３が読み出しポートを兼ねているので（読み出し入力波形がそこを通して注入されるため）、励起ポート１０３とは異なる他の１つの読み出しポート２０６が共振器１０２に結合されていると言うことができる。
【００４９】
量子ビット（即ち、情報記憶素子）１０１と共振器１０２とは、超伝導体材料でできており、一例として、図１に示すような超伝導量子メモリ回路上に現れてもよい。しかしながら、これは必須の要件ではなく、他の種類の量子ビット技術を使用することもできる。超伝導体材料とは、ここでは、十分に低い温度に冷却することによって超伝導にすることができる材料を意味する。このような材料の例としては、アルミニウムがあるが、モリブデン、ニオブ、スズ、タンタル、又は鉛などの、他の超伝導体材料も使用することができる。動作のために、超伝導量子メモリ回路は、数ケルビン、または１ケルビン以下、または数十ミリケルビンのオーダである、非常に低い温度に冷却される。量子ビット１０１は、好ましくはトランスモンなどの非調和振動子である。
【００５０】
図１２は、「バックドア読み出し」の場合に、２つの量子ビットの状態
2022502793.tif 000036
及び状態
2022502793.tif 000037
に関連する２つの確率分布の平均点が、位相空間内でどのように移動するかの一例を示している。これは、読み出し波形源１１０１が、励起ポート１０３を介してのみ読み出し波形をシステムに注入する場合を指す。なお、図１２のグラフ表記は、先の図３と同様である。
【００５１】
図１３は、「非対称バックドア読み出し」の場合に、２つの量子ビットの状態
2022502793.tif 000038
及び状態
2022502793.tif 000039
に関連する２つの確率分布の平均点が、位相空間内でどのように移動するかの一例を示している。これは、読み出し波形源１１０１が、励起ポート１０３と読み出しポート２０６の両方を介して同時にシステムに読み出し波形を注入する場合を指す。一般性を考慮して、装置は１つ以上の読み出しポートを含むことができ、ポート２０６は、前記１つ又は複数の読み出しポートのうちの第１の読み出しポートであり、励起ポート１０３とは異なる読み出しポートであると言える。
【００５２】
特に、図１３の場合、読み出し波形源１１０１は、図９の式(23)において分子がゼロに等しくなるように、励起ポート１０３を介してシステムに注入される読み出し波形と、第１の読み出しポート２０６を介してシステムに注入される読み出し波形の、両方の位相及び振幅を制御するように構成することができる。これにより、確率分布の一方は、Ｉ-Ｑ空間の原点又は原点に非常に近い位置に留まり、他方は、曲線的な軌跡に沿って原点から離れるように移動する。
【００５３】
図１４は、読み出し共振器の高速リセットを実行するために、上述した原理をどのように採用することができるかを示す。まず、読み出し波形源１１０１は、励起ポート１０３及び読み出しポート２０６のそれぞれを介して、第１ペアの同時読み出し波形をシステムに注入する。この第１ペアの読み出し波形の位相及び振幅は、図１３を参照して上述した原理に従ってマッチングされる。このマッチングは、第１の確率分布の平均点をＩ-Ｑ空間の原点に維持する一方で、第２の確率分布の平均点をＩ-Ｑ空間の原点から遠ざけるように行われる（矢印１４０１）。ここで、第１の確率分布は、情報記憶素子１０１に記憶されている量子ビットの第１の可能な状態に関連付けられ、第２の確率分布は、情報記憶素子１０１に記憶されている量子ビットの第２の可能な状態に関連付けられる。
【００５４】
続いて、読み出し波形源１１０１は、前記励起ポート及び前記第１の読み出しポートのそれぞれを介して、第２ペアの同時読み出し波形をシステムに注入する。この第２ペアの読み出し波形の位相及び振幅は、前記第２の確率分布の平均点をＩ−Ｑ空間の原点に戻すようにマッチングされる（図１４の矢印１４０２）。この後者のステップは、読み出し波形の光子が読み出し共振器から自然に減衰するのをただ待つ代わりに実行され、これにより最終的には２つの確率分布が再びＩＱ空間内の同じ点に到達することになる。
【００５５】
共振器のリセットだけでなく、システムから抽出された読み出し波形の検出も、従来の方法よりも高速に行うことができる。読み出し波形検出器１１０２は、上述した後者のステップの前、即ち、読み出し波形源１１０１が第２ペアの同時読み出し波形をシステムに注入する前に、検出を実行するように構成することができる。状態分離における直線的な増加のために、検出におけるより短い積分時間は十分に信頼できる結果を与える。少し異なる視点で考えると、従来技術の方法と同じ積分時間を用いても、検出結果の信頼性を高めることができる。
【００５６】
図１５は、従来の読み出し方式（グラフ１５０１）、バックドア読み出し方式（グラフ１５０２）、及び非対称バックドア読み出し方式（グラフ１５０３）における、状態分離が経時的にどのように進展するかを比較したグラフを示す。
【００５７】
図１６は、量子ビットの状態を読み出す方法の基本的な概略図である。ステップ１６０１は、前回読み出された後に何かが量子ビットの状態を変更した可能性があるという推定を表している。そうでなければ、量子ビットを再度読み出す理由はほとんどないからである。ステップ１６０２は、量子ビットの状態を記憶するための情報記憶素子と、前記情報記憶素子に電磁気的に結合される読み出し共振器とを含むシステムに、読み出し入力波形を注入することを含む。ステップ１６０３は、前記システムから抽出された読み出し出力波形を検出することを含む。装置に関して上述したことに従って、ステップ１６０２における読み出し入力波形の注入は、励起ポートを介して行われる。励起ポートは、量子ビットの状態に影響を与えるための励起波形を情報記憶素子に注入するためにも使用される。また、読み出し入力波形をシステムに注入する過程において、読み出し入力波形の位相がどのように制御可能にシフトされるかを示すステップ１６０４もある。
【００５８】
図１７は、読み出し入力波形をシステムに注入するステップ１６０２が、前記励起ポートを介して（サブステップ１７０１）と、前記システムの第１の読み出しポートを介して（サブステップ１７０２）の両方で、読み出し波形を同時にシステムに注入することを含んでいてもよいことを示す。明確にするために、ここでは、前記第１の読み出しポートが、前記励起ポートとは異なることを強調することができる。また、図１７は、読み出し入力波形の位相を制御可能にシフトさせるステップ１６０４が、前記励起ポートを介してシステムに注入される読み出し波形と、前記第１の読み出しポートを介してシステムに注入される読み出し波形との両方の位相及び振幅を制御することを含んでいてもよいことを示す。
【００５９】
図１８は、先に図１４を参照して説明した内容に対応する。図１８の方法は、ステップ１８０１において、前記励起ポート及び前記第１の読み出しポートのそれぞれ介して、第１ペアの同時読み出し波形をシステムに注入することを含む。第１の確率分布の平均点をＩ-Ｑ空間の原点に維持しつつ、第２の確率分布の平均点を前記Ｉ-Ｑ空間の前記原点から遠ざけるために、前記第１ペア読み出し波形の位相及び振幅は、ステップ１８０２に従ってマッチングされてもよい。ここで、前記第１の確率分布は、前記情報記憶素子に記憶された量子ビットの第１の可能な状態に関連付けられ、前記第２の確率分布は、前記情報記憶素子に記憶された量子ビットの第２の可能な状態に関連付けられる。
【００６０】
図１８の方法は、続いて、ステップ１８０３において、前記励起ポート及び前記第１の読み出しポートのそれぞれを介して、第２ペアの同時読み出し波形をシステムに注入するステップを含む。前記第２ペアの読み出し波形の位相及び振幅は、前記第２の確率分布の平均点をＩ-Ｑ空間の原点に戻すために、ステップ１８０４に従ってマッチングされてもよい。ステップ１６０３でシステムから抽出された読み出し出力波形の検出は、ステップ１８０３において、第２ペアの同時読み出し波形のシステムへの前記後続の注入の前に行われてもよい。
【００６１】
技術の進歩に伴い、本発明の基本概念を様々な方法で実施することができることは、当業者には明らかである。したがって、本発明及びその実施形態は上述の例に限定されるものではなく、代わりに特許請求の範囲内で変更することができる。
【図１】
2022502793.tif 000040
【図２】
2022502793.tif 000041
【図３】
2022502793.tif 000042
【図４】
2022502793.tif 000043
【図５】
2022502793.tif 000044
【図６】
2022502793.tif 000045
【図７】
2022502793.tif 000046
【図８】
2022502793.tif 000047
【図９】
2022502793.tif 000048
【図１０】
2022502793.tif 000049
【図１１】
2022502793.tif 000050
【図１２】
2022502793.tif 000051
【図１３】
2022502793.tif 000052
【図１４】
2022502793.tif 000053
【図１５】
2022502793.tif 000054
【図１６】
2022502793.tif 000055
【図１７】
2022502793.tif 000056
【図１８】
2022502793.tif 000057
【手続補正書】
【提出日】令和2年2月10日(2020.2.10)
【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】
量子ビットの状態を読み出す装置であって、
前記量子ビットの状態を記憶する情報記憶素子（１０１）と、
前記情報記憶素子（１０１）に電磁気的に結合された読み出し共振器（１０２）と、
前記量子ビットの状態に影響を与えるために前記情報記憶素子（１０１）に励起波形（４０１）を注入する励起ポート（１０３）と、
前記情報記憶素子（１０１）及び前記読み出し共振器（１０２）を含むシステムに読み出し入力波形（４０２）を注入し、前記システムから読み出し出力波形（４０３）を取り出す１つ又は複数の読み出しポート（１０４、１０５、２０６）と、
前記読み出し入力波形を生成する読み出し波形源（１１０１）と、
前記読み出し出力波形を検出する読み出し波形検出器（１１０２）と、
を備え、
前記読み出し波形源（１１０１）が、前記励起ポート（１０３）及び前記１つ又は複数の読み出しポートのうちの第１の読み出しポート（２０６）の両方を介して、前記読み出し入力波形を同時に前記システムに注入するように構成されており、前記第１の読み出しポート（２０６）は、前記励起ポート（１０３）とは異なるものであり、
前記読み出し波形源（１１０１）が、読み出し入力波形を前記システムに注入する過程で、読み出し入力波形の位相を制御可能にシフトさせるように構成されていることを特徴とする、
装置。
【請求項２】
前記励起ポート（１０３）は、前記情報記憶素子（１０１）に結合されており、
前記読み出しポート（１０４、１０５、２０６）の１つ又は複数は、前記共振器（１０２）に結合されている、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記情報記憶素子（１０１）及び前記読み出し共振器（１０２）が、超伝導材料でできている、
請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記情報記憶素子（１０１）が、トランスモンである、
請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記読み出し波形源（１１０１）が、前記励起ポート（１０３）を介して前記システムに注入された読み出し入力波形と、前記第１の読み出しポート（２０６）を介してシステムに注入された読み出し入力波形の両方の位相（１１０３、１１０４）及び振幅（１１０５、１１０６）を制御するように構成されている、
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記読み出し波形源（１１０１）が、
第１の確率分布の平均点をＩ−Ｑ空間の原点に維持する一方で、第２の確率分布の平均点を前記Ｉ−Ｑ空間の前記原点から遠ざけるように、第１ペアの読み出し入力波形の位相及び振幅をマッチングさせた状態で、前記第１ペアの同時読み出し入力波形を、前記励起ポート（１０３）及び前記第１の読み出しポート（２０６）の各々を介してシステムに注入し、前記第１の確率分布は、前記情報記憶素子（１０１）に記憶されている量子ビットの第１の可能な状態に関連付けられ、前記第２の確率分布は、前記情報記憶素子（１０１）に記憶されている前記量子ビットの第２の可能な状態に関連付けられており、
続いて、前記第２の確率分布の前記平均点を前記Ｉ−Ｑ空間の前記原点に戻すように、第２ペアの読み出し入力波形の位相及び振幅をマッチングさせた状態で、前記第２ペアの同時読み出し入力波形を、前記励起ポート（１０３）及び前記第１の読み出しポート（２０６）の各々を介して前記システムに注入するように構成されている、
請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記読み出し波形検出器（１１０２）が、前記第２ペアの同時読み出し入力波形の前記システムへの後続する前記注入の前に、前記システムから取り出された読み出し出力波形の検出を実行するように構成されている、
請求項６に記載の装置。
【請求項８】
量子ビットの状態を読み出す方法であって、
前記量子ビットの前記状態を記憶する情報記憶素子と、前記情報記憶素子に電磁気的に結合された読み出し共振器とを備えるシステムに、読み出し入力波形を注入すること（１６０２）と、
前記システムから取り出された読み出し出力波形を検出すること（１６０３）と、
を含み、
前記読み出し入力波形の前記注入（１６０２）は、前記量子ビットの前記状態に影響を与えるために前記情報記憶素子に励起波形を注入するためにも使用される励起ポートを介して行われ、同時に前記励起ポートとは異なる第１の読み出しポートを介して行われ、かつ、
前記読み出し入力波形を前記システムに注入する過程で、前記読み出し入力波形の位相を制御可能にシフトさせる（１６０４）、
方法。
【請求項９】
前記励起ポートを介して前記システムに注入された前記読み出し入力波形と、前記第１の読み出しポートを介して前記システムに注入された前記読み出し入力波形の両方の位相及び振幅を制御すること（１６０４）を含む、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
第１の確率分布の平均点をＩ−Ｑ空間の原点に維持する一方で、第２の確率分布の平均点を前記Ｉ−Ｑ空間の前記原点から遠ざけるように、第１ペアの読み出し入力波形の位相及び振幅をマッチングさせた状態で、前記第１ペアの読み出し入力波形を、前記励起ポート及び前記第１の読み出しポートの各々を介して前記システムに注入すること（１８０１）を含み、前記第１の確率分布は、前記情報記憶素子に記憶されている量子ビットの第１の可能な状態に関連付けられ、前記第２の確率分布は、前記情報記憶素子に記憶されている量子ビットの第２の可能な状態に関連付けられており、
続いて、前記第２の確率分布の前記平均点を前記Ｉ−Ｑ空間の前記原点に戻すように、第２ペアの読み出し入力波形の位相及び振幅をマッチングさせた状態で、前記第２ペアの読み出し入力波形を、前記励起ポート及び前記第１の読み出しポートの各々を介して前記システムに注入すること（１８０３）を更に含む、
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２ペアの同時読み出し入力波形の前記システムへの後続する前記注入の前に、前記システムから取り出された読み出し出力波形を検出すること（１６０３）を含む、
請求項１０に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
量子ビットの状態を合理的な信頼性で読み出す際の長い遅延時間は、状態を読み取る必要がある量子計算のステップを進める速度に制限を設けるので、不利である。量子ビットの状態を読み出すより速い方法を有することが最も望ましい。換言すれば、量子ビットの状態を短い遅延時間だけで読み出すことができる信頼性を高めることが望ましい。
先行技術文献である、Yu Chen et al: Multiplexed dispersive readout of superconducting phase qubits, Applied Physics Letters 101, 182601 (2012)には、超伝導位相量子ビットのための周波数多重読み出し方式が開示されている。
別の先行技術文献である、S. Touzard et al: Gated conditional displacement readout of super-conducting qubits, Phys. Rev. Lett. 122, 080502, 25 February 2019には、超伝導量子ビットと読み出しキャビティとの間の新しい相互作用によって、量子ビットの状態を条件とするキャビティのコヒーレントな状態が変位することが開示されている。
【国際調査報告】
2022502793.tif 000058
2022502793.tif 000059
2022502793.tif 000060