(57)【要約】  いくつかの局面によると、複数の超伝導表面を有しかつ三次元領域内の少なくとも1つの電磁発振モードを支持するように構成された共振器、ここで複数の超伝導表面は、第1の面を画定する第1の超伝導表面および第1の面中で平面を含む、および第1の面で平面でありかつ三次元領域に境界を作る少なくとも1つの平面構成要素を含む物理的キュービットを含む量子力学系が提供される。
2018512729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の超伝導表面を有しかつ三次元領域内の少なくとも1つの電磁発振モードを支持するように構成される共振器、ここで複数の超伝導表面は、第1の面を画定する第1の超伝導表面を含む、および
第1の面において平面でありかつ三次元領域に境界を作る少なくとも1つの平面構成要素を含む物理的キュービット
を含む量子力学系。
【請求項２】
少なくとも1つの平面構成要素が少なくとも1つのジョセフソン素子を含む、請求項１記載の系。
【請求項３】
少なくとも1つの平面構成要素が超伝導パッチアンテナを含む、請求項１記載の系。
【請求項４】
超伝導パッチアンテナが円の形状を有するパッチを含む、請求項３記載の系。
【請求項５】
超伝導パッチアンテナが長方形の形状を有するパッチを含む、請求項３記載の系。
【請求項６】
超伝導パッチアンテナの超伝導パッチが、少なくとも1つのジョセフソン素子を介して第1の超伝導表面に接続される、請求項３記載の系。
【請求項７】
共振器が三次元空洞共振器である、請求項１記載の系。
【請求項８】
共振器がウィスパリングギャラリーモード共振器である、請求項１記載の系。
【請求項９】
ウィスパリングギャラリーモード共振器が、第1の超伝導表面および第1の超伝導表面に平行な第2の超伝導表面を含み、第1の超伝導表面が第2の超伝導表面から第1の距離だけ離される、請求項８記載の系。
【請求項１０】
ウィスパリングギャラリーモード共振器が少なくとも2つの電磁発振モードを支持する、請求項９記載の系。
【請求項１１】
少なくとも2つの電磁発振モードが差動モードである、請求項１０記載の系。
【請求項１２】
少なくとも2つの電磁発振モードの第1の電磁発振モードがパラレルモードである、請求項１０記載の系。
【請求項１３】
少なくとも2つの電磁発振モードの第2の電磁発振モードが垂直モードである、請求項１２記載の系。
【請求項１４】
第1の超伝導表面が第1のリング様構造であり、第2の超伝導表面が第2のリング様構造である、請求項９記載の系。
【請求項１５】
第1の位置の第1の面における第1のリング様構造の第1の幅が、第1の位置とは異なる第2の位置での第1の面における第1のリング様構造の第2の幅よりも小さくなるように、第1のリング様構造が環状非対称である、請求項１４記載の系。
【請求項１６】
量子力学系が複数の共振器を含む、請求項１記載の系。
【請求項１７】
複数の共振器の第1の共振器が読み出し空洞である、請求項１６記載の系。
【請求項１８】
複数の共振器の第2の共振器が記憶空洞である、請求項１７記載の系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願についての相互参照
本願は、2015年2月27日に発明の名称「Coupling Planar Qubits to Non-Planar Resonators」で出願され、その全体において参照により本明細書に援用される米国仮特許出願第62/126,183号の35 U.S.C. §119(e)の利益を主張する。
【０００２】
連邦政府により支援された研究開発に関する陳述
本発明は、米国陸軍研究局により授与された認可番号W911NF-14-1-0011の下、米国政府の支援によりなされた。米国政府は本発明に一定の権利を有し得る。
【０００３】
分野
本願は一般的に、量子情報処理に関する。より具体的には、本願は、平面量子系と、非平面共振器または共鳴構造を結合することに関する。
【背景技術】
【０００４】
背景
量子情報処理には、従来の情報処理では利用されない様式で情報を暗号化および処理するためのエネルギー量子化、重ね合わせおよびエンタングルメントなどの量子力学的現象が使用される。例えば、特定の計算(computational)問題は、従来の古典計算(computation)よりも量子計算を使用することでより効率的に解決され得る。しかしながら、現実味のある計算オプションになるために、「キュービット」として知られる量子ビットの多くを正確に制御すること、およびこれらのキュービット間の相互作用を制御することが必要になり得る。特に、キュービットは理想的に、長いコヒーレンス時間を有し得、個々に操作され得、１つ以上の他のキュービットと相互作用して多キュービットゲートを実行し得、効率的に初期化および測定され得、かつ大規模に実現可能(scalable)であるので、量子コンピューターは多くのキュービットを含み得る。
【０００５】
キュービットは、少なくとも2つの直交する状態を有する任意の物理的量子力学系から形成され得る。情報を暗号化するために使用される系の2つの状態は、「計算の基礎(computational basis)」と称される。例えば、光子偏光、電子スピンおよび核スピンは全て、情報を暗号化し得、そのためにそれぞれが量子情報処理のためのキュービットとして使用され得る2レベル系である。キュービットの異なる物理的手段は異なる利点および欠点を有する。例えば、光子偏光は長いコヒーレント時間および単純な単一キュービット操作(manipulation)の利点を有するが、単純な多キュービットゲートを生成できないことを欠点とする。
【０００６】
計算的基礎がジョセフソン接合中でクーパー対の量子化されたエネルギー状態である「位相キュービット(phase qubit)」、計算的基礎が超電導ループ中の電流を循環させることに関する「磁束キュービット(flux qubit)」、および計算的基礎が超電導アイランド(superconducting island)上のクーパー対の有無である「電荷キュービット(charge qubit)」を含む、ジョセフソン接合を使用する異なる種類の超伝導キュービットが提唱されている。超伝導キュービットは、2つのキュービット間の連結が強く、2つのキュービットゲートの実行が比較的簡単になるためにキュービットの有利な選択であり、超伝導キュービットは、従来の電子回路技術を使用して形成され得るメゾスコピック成分(mesoscopic component)であるので大規模に実現可能である。
【発明の概要】
【０００７】
概要
いくつかの局面は、複数の超伝導表面を有し、かつ三次元領域内の少なくとも1つの電磁発振モードを支持するように構成される共振器、ここで該複数の超伝導表面は、第1の面を画定する第1の超伝導表面を含む、および第1の面において平面でありかつ三次元領域に境界を作る少なくとも1つの平面構成要素を含む物理的キュービットを含む、量子力学系に関する。
【０００８】
いくつかの態様によると、少なくとも1つの平面構成要素は少なくとも1つのジョセフソン素子を含む。
【０００９】
いくつかの態様によると、少なくとも1つの平面構成要素は、超伝導パッチアンテナ(superconducting patch antenna)を含む。
【００１０】
いくつかの態様によると、超伝導パッチアンテナは、円の形状を有するパッチを含む。
【００１１】
いくつかの態様によると、超伝導パッチアンテナは、長方形の形状を有するパッチを含む。
【００１２】
いくつかの態様によると、超伝導パッチアンテナの超伝導パッチは、少なくとも1つのジョセフソン素子を介して第1の超伝導表面に接続される。
【００１３】
いくつかの態様によると、共振器は三次元空洞共振器である。
【００１４】
いくつかの態様によると、共振器はウィスパリングギャラリー(whispering gallery)モード共振器である。
【００１５】
いくつかの態様によると、ウィスパリングギャラリーモード共振器は、第1の超伝導表面および第1の超伝導表面と平行な第2の超伝導表面を含み、ここで第1の超伝導表面は、第2の超伝導表面から第1の距離だけ離される。
【００１６】
いくつかの態様によると、ウィスパリングギャラリーモード共振器は少なくとも2つの電磁発振モードを支持する。
【００１７】
いくつかの態様によると、少なくとも2つの電磁発振モードは差動モードである。
【００１８】
いくつかの態様によると、少なくとも2つの電磁発振モードの第1の電磁発振モードはパラレルモードである。
【００１９】
いくつかの態様によると、少なくとも2つの電磁発振モードの第2の電磁発振モードは垂直モード(perpendicular mode)である。
【００２０】
いくつかの態様によると、第1の超伝導表面は第1のリング様構造であり、第2の超伝導表面は第2のリング様構造である。
【００２１】
いくつかの態様によると、第1の位置の第1の面における第1のリング様構造の第1の幅は、第1の位置とは異なる第2の位置での第1の面における第1のリング様構造の第2の幅よりも小さくなるように、第1のリング様構造は環状非対称である。
【００２２】
いくつかの態様によると、量子力学系は複数の共振器を含む。
【００２３】
いくつかの態様によると、複数の共振器の第1の共振器は読み出し空洞である。
【００２４】
いくつかの態様によると、複数の共振器の第2の共振器は記憶(storage)空洞である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
以下の図面を参照して、種々の局面および態様を説明する。図面は必ずしも同じ縮尺で描かれていないことが理解される。図面において、種々の図に図示されるそれぞれの同じであるかまたはほぼ同じである構成要素は、同様の番号で示される。明確化のために、全ての図において、全ての構成要素が表示されないことがある。
【図１】図1は、従来の量子デバイスを示す。
【図２】図2は、いくつかの態様による、平面キュービットが非平面共振器に連結される量子デバイスを示す。
【図３】図3Aは、いくつかの態様による、パッチアンテナの上面図である。図3Bは、いくつかの態様による、パッチアンテナの断面図である。
【図４】図4Aは、いくつかの態様による、三次元空洞共振器を含む量子デバイスの断面図である。図4Bは、いくつかの態様による、キュービットおよび三次元空洞共振器の超伝導部分の透視図である。
【図５】図5は、いくつかの態様による、2つの三次元空洞共振器を含む量子デバイスの断面図である。
【図６】図6Aは、平行プレート電送線路(transmission line)の透視図である。図6Bは、いくつかの態様による、ウィスパリングギャラリーモード共振器の透視図である。図6Cは、いくつかの態様による、ウィスパリングギャラリーモード共振器の断面図である。
【図７】図7Aは、いくつかの態様による、ウィスパリングギャラリーモード共振器内の第1の位置におけるキュービットの上面図である。図7Bは、いくつかの態様による、ウィスパリングギャラリーモード共振器内の第2の位置におけるキュービットの上面図である。
【図８】図8は、いくつかの態様による、ウィスパリングギャラリーモード共振器におけるキュービットの詳細な上面図である。
【図９】図9A〜9Jは、いくつかの態様による、超伝導デバイスを形成する方法の行為の断面図を示す。
【図１０】図10は、いくつかの態様による、非等方性湿式エッチングにより得られるトラフ(trough)を示す。
【図１１】図11は、いくつかの態様による、超伝導デバイスを形成する方法のフローチャートである。
【図１２】図12は、いくつかの態様による、超伝導デバイス内にトラフを形成する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
詳細な説明
上述のように、超伝導キュービットは、量子計算デバイスの構築におけるキュービットの有利な選択である。特に、超伝導キュービットは、リソグラフィーなど、作製を大規模に実現可能にする標準的な二次元的作製技術を使用して作製され得る。一方で、超伝導キュービットは、量子情報を記憶(store)するための他のデバイスよりも短いコヒーレント時間を有するという欠点を有する。このように、超伝導キュービットは、しばしば連結されて、共振空洞または他の振動子内の定常波などの電磁放射線と相互作用し、三次元回路を形成する。共振器は典型的に、超伝導キュービットよりもかなり大きなコヒーレント時間を提供するので、2つのデバイスの「論理」キュービットへの組合せはより長いコヒーレント時間を提供し得る。
【００２７】
図1は、超伝導キュービット110が反射器131および132により画定される空洞共振器内に配置される従来の量子デバイス100の例を示す。キュービット110は、双極アンテナとして働く超伝導ブロック112および114に接続されたジョセフソン接合116(図において「X」と示される)を含む。キュービット110は、単一の面に存在する実質的に二次元のデバイスである。キュービットにより生成される双極性モーメントpqは、キュービット110の面中にある。共振器により生成される電場Erは、反射器131および132に対して垂直に方向づけられる(2つの例示的な場のラインを示す)。共振器およびキュービットの双極性モーメントが並べられるので、キュービットおよび共振器は互いに連結され得る。
【００２８】
図1の例示的デバイスにおいて、キュービットの双極性モーメントおよび共振器の電場の両方は、平面キュービット110により画定される面にある。しかしながら、共振器はまた、キュービットの面より上および/または下に電場を生成する。これらの場は、放射線消失および/またはデバイスの異なる素子の間のクロストーク(cross-talk)に寄与し得るので、これらの場はデバイスの性能に有害であり得る。したがって、キュービットの面中に電場が存在しキュービットの双極性モーメントと整列されることが必要であるが、図1の設計はキュービット中で望ましくない効果を引き起こす。
【００２９】
そのため、超伝導キュービットは従来の技術を使用して作製され得るが、比較的短いコヒーレント時間も示す。代替的に、図1に示されるデバイス100などの三次元デバイスは、比較的長いコヒーレント時間を提供するが、容易には作製することができず、またキュービットと共振器の電場の間の望ましくない相互作用のために、操作中に有害な効果を導入し得る。
【００３０】
本発明者らは、共振器空洞の壁の面に配置されるキュービットが空洞に方向づけられた双極性モーメントを生成するように構成される平面多層回路を形成することにより、従来の技術を使用して作製でき、さらに比較的長いコヒーレント時間も示すキュービットを作製し得ることを認識し、理解している。したがって、該キュービットは、共振器空洞により平面様式で作製でき、そのため、従来の作製技術の使用が可能でありながら、キュービットの双極性モーメントが共振器の電場と整列されるためにキュービットを共振器に連結し得る。
【００３１】
図2は、いくつかの態様による、平面キュービットが非平面共振器に結合される量子デバイスを示す。図2の例において、キュービット210は、反射器231と232により画定される共振器の反射器232内に作製される。示されるように、キュービット210は、共振器の少なくとも1つの領域で反射器232に対して垂直に方向づけられ、共振器により生成される電場Erに対して平行である双極性モーメントを生成するように構成される。このように、キュービット210は、反射器231および232により画定される共振器に連結され得、さらに示されるデバイスは、リトグラフィーなどの従来の作製技術を使用して層中に形成され得る。さらに、図2に示される共振器の電場は、図1に示され上述されるデバイス100の場合のようなキュービットとの望ましくない相互作用をもたらさない。
【００３２】
一般に、共振器の1つの反射器に沿ってキュービットの間をいくらか離して複数のキュービットを作製し得るので、デバイス200は、キュービット210などのキュービットの任意の数を含み得る。さらに、または代替的に、デバイス200は、反射器231内および/または別の反射器内もしくは反射器231上に位置する他の表面(示さず)内など、図2の垂直方向に沿った複数の異なる位置にキュービットを含み得る。
【００３３】
図2に示される例示的共振器は2つの表面、つまり反射器231および232を含むが、一般に、いくつかの場合において完全に合わされた容積を示す表面を含む任意の数の表面を含むデバイス200において、共振器は使用され得る。共振器の表面はまた1つ以上の材料を含み得、その少なくともいくつかは、超伝導であるように操作され得る材料であり得る(例えば、超電導になる適切な温度まで低下されたアルミニウム)。いくつかの場合、共振器の表面は、複数の異なる材料を含み得る。
【００３４】
いくつかの態様によると、キュービット210は、非線形で非散逸的(non-dissipative)な素子である1つ以上のジョセフソン素子を含み得る。ジョセフソン素子に関して本明細書で使用する場合、「非線形」は、素子の流動-電荷関係(例えばインダクタンス)が非線形であることをいい、「非散逸的(non-dissipative)」は、素子により消費される電力量を実質的に無視できることをいう。限定されないがジョセフソン接合、超伝導フィルムおよびナノワイヤを含む任意の適切なジョセフソン素子を使用し得る。以下に記載される態様において、ジョセフソン接合が使用される。しかし、本明細書に記載される技術および態様はジョセフソン接合の使用に限定されないことが理解されるべきである。
【００３５】
以下は、平面量子系と非平面共振器を連結するための技術に関する種々の概念および態様のより詳細な説明である。本明細書に記載される種々の局面は多くの方法のいずれかで実施され得ることが理解されるべきである。具体的な実施の例を例示目的のみで本明細書に提供する。また、以下の態様に記載される種々の局面は、単独または組み合わせて使用され得、本明細書に明示的に記載される組み合わせに限定されない。
【００３６】
上述のように、キュービット210は、キュービットの面に垂直な双極性モーメントを提供する。かかる効果を生じる任意の適切なキュービットの実行が使用され得るが、2つの広い部類のかかるキュービットを以下に記載する。第1に、パッチアンテナに基づくキュービットが図3A〜3B、4A〜4Bおよび5に関して記載され、第2に、ウィスパリングギャラリーモード共振器に基づくキュービットが、図6A〜6C、7A〜7Bおよび8に関して記載される。
【００３７】
図3Aは、キュービットの面に対して垂直な上述の双極性を生じるいくつかの態様において使用される「パッチアンテナ」300の上面図を示す。パッチアンテナ300は、伝導性シート310から外径roを有する環状開口305を除去し、半径ri(環状開口305の内径を表す)を有し、残りの導電性シート310を周囲に有する環状パッチ320を生じることにより形成される。図3Bは、パッチアンテナ300の断面図を示し、断面は、環状パッチ320の中心を通るように得られる区分である。
【００３８】
環状パッチ320と導電性シート310の間に環状開口305を横断する電圧をかける場合、図3Bにおいて矢印330と331で表される2つの反対する双極性モーメントpqが生じる。双極性モーメントpqは、パッチアンテナの面において方向づけられないが、代わりにパッチアンテナの面に対して垂直に方向づけられる。図3Aに双極性モーメントは示されないが、図の内側および外側に示される。
【００３９】
環状パッチ320を図3A〜Bに示すが、パッチアンテナの態様は必ずしもそのように限定されるものではなく、任意の適切な形状を使用してパッチアンテナを形成し得る。例えば、代わりにパッチ320は三角形、長方形、多角形、星型または任意の他の形状であり得る。さらに、環状開口305の両方の表面は、任意の適切な輪郭を有するような形状であり得る。例えば、パッチ320の形状で決定される環状開口305の内表面306は任意の輪郭であり得る。図面において、内表面306は円として示されるが、該表面は、楕円形、長方形、正方形であり得、および/または不規則な特徴もしくは周期的なパターンなどの規則的な特徴(例えば、シヌソイド波、三角波、正方形波など)を含み得る。同様に、環状開口305の外表面307は任意の輪郭であり得る。さらに、態様は、外表面307と同じ形状である内表面306の形状に限定されない。例えば、内表面306は円形であり得るが(円形パッチ320を形成する)、外表面307は、長方形であり得る(導電性シート310中で長方形の開口を形成する)。一般に、パッチアンテナには任意の数のパッチが含まれ得、互いに接続されるかおよび/または導電性シートに接続される(例えば、1つ以上のジョセフソン接合を介する)。
【００４０】
さらに、態様は、環状対称性のパッチ/開口構造に限定されないか、または実際に態様は4倍または8倍などの任意の特定の対称性を示すものに限定されない態様であるので(いくつかの態様ではかかる対称性を示し得る)、パッチ320は開口305内のどこに位置してもよい。図3A〜Bは、環状パッチ320が環状開口305の中心にある環状対称性のパッチ320を示す。いくつかの代替的な態様において、環状パッチ320は、環状開口305の第2の縁よりも開口305の第1の縁に近くてもよいので、環状対称性ではないアンテナが生じる。
【００４１】
本発明者らは、パッチ320および開口305の形状、ならびに開口305内のパッチ320の位置を選択することで、キュービットと共振器の間の磁性結合 対 電気的結合の比を調整し得ることを認識し、理解している。この比を調整することで、キュービットの共鳴は、共振器の共鳴とは独立して調整され得、共振器の共鳴とは分離される(例えば、キュービットと共振器の間の所望の分散連結を生じる)。
【００４２】
また、薄い導電性シート310から環状開口305を除去することにより形成されるように環状のパッチが上述されるが、パッチアンテナ300は、導電性材料を基板上に置き、環状開口305のフォーマット化(formatting)を生じる環状パッチ320および導電性シート310を形成することによっても形成され得る。
【００４３】
いくつかの態様において、1つ以上のジョセフソン接合を上述のパッチアンテナ構造に追加して、超伝導キュービットを形成し得る。例えば、ジョセフソン接合を環状パッチ320と導電性シート310の間に配置して、パッチアンテナの2つの部分を、ジョセフソン接合を介して一緒に連結し得る。例えば、環状パッチ320と導電性シート310の間に「ブリッジ」を形成する超伝導ワイヤ上にジョセフソン接合を形成し得る。
【００４４】
例えば、2つの超伝導性層の間に薄い非超伝導性トンネル層を配置することによりジョセフソン接合を形成し得る。いくつかの態様において、かかる非超伝導層は非導電性材料であり得る。例えば、酸化アルミニウムなどの任意の適切な酸化物を使用し得る。いくつかの態様において、超電導材料からパッチアンテナを形成する。限定ではなく例示のために、パッチアンテナは、アルミニウム、ニオブ、インジウム、レニウム、タンタル、窒化チタン、窒化ニオブまたはそれらの組合せから形成され得る。
【００４５】
本明細書に記載される態様は1つのジョセフソン接合のみを示すが、いくつかの態様では、平行にまたは交互に連続して配列され得る複数のジョセフソン接合を含み得る。例えば、連続した2つのジョセフソン接合を、環状パッチ320を導電性シート310に接続する超伝導性ワイヤ上に形成し得る。環状パッチ320を導電性シート310に接続するための複数の「ブリッジ」を使用して平行した2つのジョセフソン接合を形成し得、ここでそれぞれのブリッジは1つ以上のジョセフソン接合を含む。
【００４６】
上述のように、図2に示されるキュービット210などのキュービットは、非平面超伝導共振器の一部を形成する金属層に埋め込まれ得る。限定ではなく例示のために、リング共振器などの三次元空洞共振器または電送線路共振器を使用し得る。図4A〜4Bは、三次元空洞共振器中に上述のジョセフソン接合を含む図3A〜3Bに関連して記載されるようなパッチアンテナを使用する例を示す。
【００４７】
図4Aは、三次元空洞を含む量子デバイス400の断面図を示す。空洞は、何の物質も充填されていないデバイスの一部である(図中のデバイスの内部に白色で示される)。いくつかの態様において、デバイスは、操作中に、空気が実質的に空洞中に存在しないように真空中に配置され得る。空洞は、空洞の壁として働き、超伝導部分412、451、452および453を含む複数の超伝導部分により画定される。いくつかの態様において、超伝導部分451および452の内表面は実質的に、互いに平行であり得、一方で超伝導部分452の内表面は、超伝導部分412の内表面と実質的に平行であり得る。
【００４８】
いくつかの態様において、図3A〜Bに関して記載されるように、超伝導部分412に環の形状が形成されて環状パッチ414が形成され得る。図4A〜4Bの例において、環状パッチは、ジョセフソン接合415を介して超伝導部分412と接続される。図4Bは、超伝導部分412およびパッチ414の透視図を示す。素子412、414および415以外の図4Aに示される量子デバイスの素子は、明確化のために図4Bには示されない。
【００４９】
図4A〜4Bの例において、超伝導部分412および414ならびにジョセフソン接合415の組合せは論理キュービットを形成する。このように、素子のこの組み合わせは、図2に示すキュービット210の適切な例である。
【００５０】
デバイス400を形成するための例示的な方法として、いくつかの態様において、超伝導部分451、452および453は、基板450上に形成され得る。基板は、限定ではなく例示のために、シリコン、サファイアおよび/またはいくつかの他の誘電体で形成され得る。いくつかの態様において、超伝導部分412、414およびジョセフソン接合415は、シリコン、サファイアおよび/またはいくつかの他の誘電体で形成され得る基板410上に形成され得る。2つの基板410および450のそれぞれがそれぞれの超伝導部分およびその上に形成される任意の他のデバイスを有する後、2つの基板は一緒に固定されて図4Aに示される空洞を形成し得る。2つの基板は任意の適切な方法で一緒に固定され得る。例えば、少なくとも部分的に金属材料で覆われる2つの基板は、冷間圧接(cold welding)、熱圧着(thermocompression bonding)、サーモソニックボンディング(thermosonic bonding)、共晶接合(eutectic bonding)および/またははんだリフロー(solder reflow)を使用して一緒に結合され得る。
【００５１】
いくつかの態様において、超伝導部分412は1種類の超伝導材料で形成され得る。しかしながら、図4Aに示されるように、いくつかの態様において、超伝導部分412の第1の部分は、アルミニウムなどの第1の超伝導材料で形成され(図4A〜4B中に影の線で示される)、超伝導部分412の第2の部分は、インジウムなどの第2の超伝導材料で形成される(図4A〜4Bにおいて黒塗りで示される)。超伝導部分451〜453はまた、第2の超伝導材料または誘電体材料で形成され得る。いくつかの態様によると、超伝導部分412および414は、アルミニウム、インジウム、スズ、炭化ケイ素またはそれらの組合せで形成され得る。本明細書で使用する場合、「超伝導材料」は、少なくともいくつかの条件下である種の超伝導を発揮する材料である。例えば、アルミニウムは、1.2Kの転移温度未満に冷却されると超伝導を発揮するので「超伝導材料」とみなされ得る。
【００５２】
上述のように、ジョセフソン接合415は、空洞の電場Erに連結されるキュービットの双極性モーメントpqのためにデバイス400の空洞に連結されるキュービットとして働き得る。図3Bには、反対方向に位置する2つの双極性モーメントが図示されるが、これら2つの双極性モーメントの1つのみが、空洞に支持される場に結合し、そのためもう一方は基板410に方向づけられる。いくつかの態様において、ジョセフソン接合415が埋めこまれる材料は、2つの異なる空洞の境界として働く材料である(例えば、材料の2つの異なる表面を介する)。この方法では、第1の空洞の電場に連結するジョセフソン接合の上の双極性モーメントおよび第2の空洞の電場に連結されているジョセフソン接合の下の双極性モーメントのために、ジョセフソン接合415は2つの空洞に同時に結合し得る。
【００５３】
図5は、ジョセフソン接合が2つの空洞に連結する一態様を示す。同等の特徴を示すために、図5には図4A〜4Bで使用されたものと同じ参照番号が使用される。図5の例において、素子412、414および415で形成される論理キュービットは、第1の空洞(下に示される)の電場Er1および第2の空洞(上に示される)の電場Er2にも連結する双極性モーメントを生じる。
【００５４】
図5の例において、第2の空洞は、基板410の周囲にあるボックス510を形成する材料に結合する。いくつかの態様によると、ボックス510は、銅などの金属を含み得る。いくつかの態様によると、第2の空洞の壁はボックス510の内表面にコーティングされる超伝導材料520で形成され得る。いくつかの態様において、入力カプラー512および出力カプラー514は、金属製ボックス510および超伝導材料520内に形成され、マイクロ波放射線が第2の空洞内におよび第2の空洞から外に連結することが可能になる。
【００５５】
いくつかの態様において、2つの空洞は別々のQ係数を有し得る。第1の空洞は、例えば第2の空洞よりも高いQ係数を有し得る。このように、第1(下)の空洞と論理キュービットの間の連結強度は、論理キュービットと第2(上)の空洞の間の連結強度よりも低くなり得る。さらに、第2の空洞と測定デバイス(図中に示さず)の間の連結は、第1の空洞と論理キュービットの間の連結強度および論理キュービットと第2の空洞の間の連結強度の両方よりも大きくなり得る。いくつかの態様において、第1の空洞は読み出し空洞として使用され得、第2の空洞は記憶空洞として使用され得、上述の連結強度および/またはQ係数の相対的な大きさは、かかる配列を容易にし得る。
【００５６】
任意の適切な大きさの構成要素を有する量子デバイスが使用され得る。一態様において、環状パッチ414は半径ri=0.1〜0.2mmを有し、超伝導部分から切り出される環の形状は半径ro=0.7〜0.8mmを有する。ジョセフソン接合が形成される基板は、0.2mm〜0.4mmの厚みを有し得る。記憶空洞は互いに異なる寸法を有し得る。例えば、それぞれの空洞は、200cm3未満、または50cm3〜150cm3の容積を有し得る(例えば、第1の空洞は、約22x24x0.3mmの寸法を取り得、第2の空洞は28x30x3mmの寸法を取り得る)。態様は特定の大きさまたは形状には全く限定されないので上述の測定値は例示のために提供される。
【００５７】
上述のように、図2に示されるキュービット210は、キュービットの面に垂直な双極性モーメントを提供し、例えばウィスパリングギャラリーモード共振器(WGMR)または他の平面多層デバイス(しばしば「2.5次元デバイス」と称される)として構成され得る。
【００５８】
概念的に、WGMRは、図6Aに示されるように、周期的境界条件(periodic boundary condition)を有する平行プレート伝送線路600を考慮することにより形成される。平行プレート伝送線路600は、アルミニウムまたはインジウムなどの超伝導材料で形成される上部プレート601および底部プレート602を含む。上部プレート601は底部プレート602に平行である。図6Aは、上部プレート601および底部プレート602で画定される面に対してそれぞれ垂直な矢印および平行な矢印として、WGMRの電場モードおよび磁場モードを示す。
【００５９】
物理的に、周期的境界条件を有するWGMR 610は、図6Bに示されるように、リング様構造として平行プレート伝送線路を形成することにより形成され得る。WGMR 610は、ちょうど平行プレート伝送線路600におけるように、互いに平行な上部プレート611および底部プレート612を含むが、図6Bの例では伝送線路はループを形成する。
【００６０】
共振器は、図6BのWGMR共振器の例においては金属リングの環状対称ペアを使用し得るが、リング様構造のかかる環状対称性は、2つのオフセット円(すなわちそれぞれの金属リングの穴が金属リングの外部の境界に対して中心にない)を使用してリングを形成することにより壊れる。したがって、2つの金属リングのそれぞれの面に平行であり、2つの円のそれぞれの中心を通過する点線613で表される対称面が生成される。
【００６１】
リング様構造の環状対称性を破壊することにより、2つの非重複直立モードが生成される。第1の非重複直立モードは対称性軸に平行であり、第2の非重複直立モードは対称性軸に垂直である。該モードはさらに、コモンモードおよび差動モードに分離され得、コモンモード(C)は、上部プレート611および下部プレート612上に鏡像電荷(mirror charge)を有し、差動モード(D)は、上部プレート611および下部プレート612に対して反対の電荷を有する。いくつかの態様において、WGMRの2つの差動モードは、(下記のようにWGMR共振器に含まれ得る)キュービットへの結合について2つの別の空洞とみなされ得る。限定ではなく例示のために、パラレルDモードは読み出し空洞として使用され得、垂直Dモードは記憶空洞として使用され得る。
【００６２】
図6Cは、WGMR 610の断面図中の平行差動(D)モードを示す。図6Cの例において、スペーサー650および651ならびに基板621および622は、プレート611および612で形成される共振器を機械的に支持するように含まれる。また、連結ピン630〜631はリング様構造上に配置され、例えばマイクロ波放射線とWGMRを連結するように使用され得る。図6Cの例において、連結ピンは、リング様構造の最も薄い部分および最も厚い部分の上の対称線613に沿って配置されるが、一般に、結合ピンは任意の適切な位置に配置され得る。
【００６３】
作製方法の例示として、図6Cに示されるデバイスは、第1の基板621上に上部プレート611および第2の基板620上に底部プレート612を形成することにより作製され得る。第1の基板621および第2の基板622は、限定ではなく例示のために、シリコンおよび/またはサファイアを含み得る。第1の基板621および第2の基板622は次いで、互いに平行に配置され、シリコンおよび/またはサファイアで作製されるスペーサー650〜651により設定距離だけ離されて維持される。非限定的な例として、2つの基板の間の距離は、0.1mm〜0.3mmであり得る。
【００６４】
次いで、第1の基板621および第2の基板622は、ポリ(メチルメタクリレート)(PMMA)を使用するなどの任意の適切な技術を使用して一緒に結合され得る。次いで得られた共振器を、アルミニウムなどの金属で形成され得るサンプルホルダー640内に配置し得る。連結ピン630〜631は、マイクロ波放射線とWGMRの連結のためにリング様構造の上に配置され得る。いくつかの態様において、連結ピンは、リング様構造の最も薄い部分および最も厚い部分の上に対称線613に沿って配置される。
【００６５】
上述の三次元空洞共振器のように、キュービットは、上部プレート611または底部プレート612内のいずれかで、WGMRの場合において空洞を画定する超伝導壁の1つの面に埋め込まれ得る。図7Aおよび7Bは、かかるキュービットについての2つの例示的な配置を示し、図8は、図7Aおよび7Bに示されるキュービットの構造のさらなる詳細を提供する。
【００６６】
図7Aは、キュービット710がリング様構造の最も薄い部分に配置される態様を示す。図7Bは、キュービット720がリング様構造の最も薄い部分から角度θだけ離れて配置される態様を示し、ここでθ=0はリング様構造の最も薄い部分として定義される。キュービットの位置から独立してWGMRが共鳴する周波数が配置される。しかしながら、共振器へのキュービットの連結の規模は、リング612の周囲のキュービットの位置により変化する。さらに所定の位置θについて、キュービットの共振器への連結の規模は、WGMR中の開口の寸法を変化させることにより調整できる。
【００６７】
リングの最も薄い部分(θ=0)でのキュービットについて、この位置の電場はゼロであるにも関わらず、記憶モードは最大の連結を有する。この連結はほぼ誘電連結である。キュービットの位置を変えることで連結は誘電結合から用量性連結へと変化する。いくつかの態様によると、共振器のQ係数および/または共振器放射線とそれぞれのモードの連結は、ピン630および631の角度をなす位置、および/またはピン630および631が空洞内に突出する深さの関数であり得る。
【００６８】
いくつかの態様によると、図7Aまたは7Bに示されるように、リング612を使用するキュービットとWGMRの共振器モードの間の分散連結について、交差カー連結の強度(χqr)は、主に共振器遷移周波数とキュービット遷移周波数の間のデチューニング(周波数の差)に依存する。WGMRが記憶(メモリ)モードおよび読み出しモードで操作される態様において、キュービットと読み出し空洞の間の交差カー連結定数(χqr)およびキュービットとメモリ空洞の間の交差カー連結定数(χqm)は、ジョセフソン接合の位置に依存する。
【００６９】
図8は、図7Aに示されるキュービット710および/または図7Bに示されるキュービット720などのWGMR内で利用され得る例示的なキュービットの上面図を示す。図8の例において、キュービット830は、(図6Bに示されるプレート612が例として示される)底部プレートの面に埋め込まれる長方形パッチ810で形成される。
【００７０】
長方形パッチ810は、プレート612と同じ超伝導材料を含み得、および/または異なる超伝導材料を含み得る。プレート612は、ジョセフソン接合820を介して長方形パッチ810に接続され得る。キュービット830は、WGMR内の任意の適切な位置に配置され得、下部WGMRプレートおよび/または上部WGMRプレートに配置されるかかるキュービットの任意の数が存在し得る。
【００７１】
上述の超伝導デバイスは、任意の適切な方法で作製され得る。いくつかの態様において、マイクロエレクトロニック作製技術を使用して、上述のような共振器としての使用のための三次元空洞が形成され得る。代替的に、該空洞は、三次元プリンティング技術を使用してトラフおよび溝(channel)が所望のように形成される基板を使用して形成され得、超伝導層は、例えば電気めっき技術を使用して形成され得る。いくつかの態様によると、図4Aに示されるように、1つの基板にトラフを形成することにより囲いが作製される。代替的に、またはさらに、第1の基板に第1のトラフおよび第2の基板に第2のトラフを形成し、2つのトラフを有する2つの基板を互いに隣接して配置することにより囲いは作製され得る。上述のように、キュービットは、空洞を形成するために使用される超伝導表面のいずれか1つ中に形成され得る。いくつかの態様による超伝導デバイスを形成するための方法を以下に記載する。
【００７２】
図9A〜9Jは、いくつかの態様による、超伝導デバイスを構築するための例示的な方法の複数の行為の断面図を示す。対応する行為のフローチャートを、方法1100として図11に示す。第1の基板にトラフが形成される図11中の最初の行為1102を図9A〜9Gにより示す。これらの工程はまた、図12に示す方法1200の行為により、より詳細に示される。
【００７３】
図9Aは、提供される第1の基板900を示す。いくつかの態様において、基板は、限定されないがシリコンまたはゲルマニウムなどの結晶構造を有する材料を含み得る。基板900は、任意の適切な厚さであり得る。示される態様において、基板は約500μmの厚さである。
【００７４】
方法1100の最初の行為1120を図12にさらに詳細に示す。したがって、方法1200の工程は図9A〜9Gに示される工程に続く。
【００７５】
行為1202で、マスク材料層902が基板900の第1の表面に付着される(図9B参照)。いくつかの態様によると、マスク材料層は、窒化ケイ素を含み得る。行為1204で、フォトレジスト層904がマスク材料層902の上部に蒸着される(図9C参照)。基板900に形成されるトラフの寸法に基づくパターンでフォトレジスト層904が形成される。したがって、フォトレジスト層904は、その後の行為で基板900にトラフが形成される領域上には存在しない。限定ではなく例示のために、フォトレジスト層904は、寸法18mmx38mmを有するシリコンマスク材料層902の領域が曝露されたまま残るように形成され得る。
【００７６】
行為1206で、マスク材料層902の暴露した部分が除去される(図9D参照)。これは任意の適切な方法でなされ得る。いくつかの態様において、マスク材料層902は、マスク材料層を除去するがフォトレジスト層904は除去しない腐食液を使用してエッチングされる。例えば、反応性イオンエッチング(RIE)を使用して、窒化ケイ素層902をエッチングし得る。腐食液としてRIEの行為では例えばCHF3/O2が使用され得る。次いで行為1208でフォトレジスト層904を除去する。得られる構造は、トラフの寸法を画定するためのマスクとして働く窒化ケイ素層902で部分的に覆われた基板900である(図9E参照)。
【００７７】
行為1210で、基板900の暴露した部分をエッチングしてトラフ906を形成する。いくつかの態様において、得られるトラフ906の反対の表面が互いに平行になるように基板900をエッチングし得る。図9Fに示される態様において、非等方性湿式エッチングを使用して、30% KOHを85℃で用いてトラフをエッチングする。非等方性エッチングの詳細は、図10に詳細に示す。
【００７８】
図10は、非等方性湿式エッチングにより得られたトラフ906を示す。シリコン基板900の結晶構造のために、エッチング行為の結果として(100)面1012および(111)1014面は54.7°の角度である。いくつかの態様において、非等方性湿式エッチングにより、原子的に平滑な表面1012および1014が生じる。したがって、超伝導層中で被覆されると、得られる囲いの表面は実質的に欠損がない状態になる。三次元空洞共振器としての使用のための囲いが構成されると、平滑表面は、高いQ係数空洞を生じる。
【００７９】
行為1212で、マスク材料層902を除去してトラフ906を含む基板900を得る(図 9G参照)。図12に基板中にトラフを作製するための方法の一態様を示したが、任意の適切な方法を使用してもよい。例えば、レーザー加工(laser machining)または三次元プリンティングを使用してトラフを有する基板を形成し得る。
【００８０】
図11に戻ると、トラフ906を行為1102で基板中に形成した後、方法1100を工程1104で継続し、ここで第1の基板900の少なくとも一部が超電導材料で被覆される。いくつかの態様において、基板中のトラフの全ての表面が被覆され得る。他の態様において、表面の一部のみが被覆されてもよい。例えば、上述のパッチおよび開口構造は、超伝導材料で形成される表面の少なくとも1つで形成され得る。また、例えば電磁放射線を空洞に連結するために他の開口を形成し得る。いくつかの態様において、トラフを伴う領域の外側の基板の一部も超伝導層で覆われ得る。
【００８１】
超伝導層は任意の適切な方法で形成され得る。例えば、図9H〜Iは、基板の少なくとも一部を被覆する超伝導層910を形成するための1つの特定の方法を示す。図9Hは、基板900の表面に蒸着された薄いシード層908を示す。これは任意の適切な方法でなされ得る。いくつかの態様において、蒸着技術により銅を付着させてシード層908が形成される。任意の適切な厚さのシード層を使用し得る。例えば、シード層908は約200nmの厚さであり得る。シード層908のための例示材料として銅を使用しているが、任意の適切な材料を使用してもよい。
【００８２】
図9Iは、シード層908上に形成される超伝導層910を示す。これは任意の適切な方法でなされ得る。例えば、超伝導材料910をシード層908に電気めっきし得る。任意の適切の厚さを有する超伝導層910を形成し得る。例えば、超伝導層910は約9μmの厚さであり得る。任意の適切な超電導材料を使用し得る。例えば、超伝導層は、アルミニウム、ニオブ、インジウム、レニウム、タンタル、窒化チタン、窒化ニオブまたはそれらの組合せを含み得る。
【００８３】
行為1106で、第2の基板950中に第2のトラフが形成される。第2のトラフを形成する行為は、行為1102、図9および図12に関して記載される同じ技術を使用して達成され得る。しかしながら、第2のトラフの形成は任意である。第2の基板中に第2のトラフを形成することなく、囲いは、第1の基板中の1つのトラフで形成され得る。
【００８４】
行為1108で、第2の基板950の少なくとも一部は、超伝導材料960で被覆される。この行為は、行為1104に関連して記載される技術を使用してなされ得る。第2の基板950中に第2のトラフが形成される態様において、トラフの全表面の少なくとも一部が、超伝導層960で被覆され得る。いくつかの態様において、トラフ領域の外側の第2の基板の一部は、少なくとも部分的に超伝導層により被覆され得る。
【００８５】
行為1110で、少なくとも1つの超伝導キュービットが、第1の基板および第2の基板のうちの少なくとも1つの、超伝導層の面に形成される。この行為は、超伝導層が基板上に形成される時点で実施され得る。しかしながら、他の態様において、超伝導キュービットは、トラフを超伝導材料で被覆する前または後に形成され得る。いくつかの態様において、超伝導デバイスは囲いありおよび超伝導キュービットなしで形成され得るので、行為1110は省略してもよい。
【００８６】
行為1112で、第1の基板および第2の基板を一緒に結合して、囲いが形成される(図9J参照)。第1の基板に第1のトラフが形成され、第2の基板に第2のトラフが形成された態様において、2つのトラフは互いに隣接して配置され、両方のトラフが一緒になって囲いが形成される。少なくとも1つの超伝導キュービットが囲いで囲われるいくつかの態様において、支持層は、2つの基板を一緒に結合する前に第1のトラフ中につりさげられる(suspended)。したがって、支持層中および/または支持層上の少なくとも1つのキュービットは、囲いの中に配置される。
【００８７】
本発明の少なくとも1つの態様のいくつかの局面がこのように記載されるが、種々の変更、改変および向上は、当業者に容易であることが理解されよう。
【００８８】
かかる変更、改変および向上は、本開示の一部であることが意図され、本発明の精神および範囲の範囲内にあることが意図される。さらに、本発明の利点が示されるが、本明細書に記載される技術の全ての態様が記載される全ての利点を含むものではないことが理解されるべきである。いくつかの態様は、本明細書において有利であると記載される特徴を何ら実行しないこともあり、いくつかの例においては記載される特徴の1つ以上を実行して、さらなる態様が達成されることもある。したがって、前述の記載および図面は、例示のみのためのものである。
【００８９】
本発明の種々の局面は、単独、組合せまたは前述のものに記載される態様中に具体的に記載されない種々の配列で使用され得、そのためその適用において前述の記載に示されるかまたは図面に示される構成要素の詳細および配列に限定されない。例えば、一態様に記載される局面は、何らかの様式で他の態様に記載される局面と組み合されてもよい。
【００９０】
また、本発明は、例示が提供される方法として表現され得る。該方法の一部として実施される行為は、任意の適切な方法で順序づけられ得る。したがって、例示態様において連続的な行為として示されたとしても、示されるものとは異なる順序で行為が実施される態様が企図され得、それにはいくつかの行為を同時に実施することが含まれ得る。
【００９１】
請求項の構成要素を改変するための特許請求の範囲における例えば「第1」、「第2」、「第3」などの順序を示す用語の使用は、それ自体では、別の請求項の構成要素に対する1つの請求項の構成要素の優先、先行もしくは順序または方法の行為が実施される時間的な順序のいずれも意味しないが、単に、特定の名称を有する1つの請求項の構成要素を、同じ名称(順序を示す用語の使用以外)を有する別の請求項の構成要素と区別して、請求項の構成要素を区別するための表示として使用される。
【００９２】
また、本明細書で使用される語法および用語法は、説明を目的とするものであり、限定とみなされるべきではない。本明細書中の「含む(including)」、「含む(comprising)」または「有する(having)」、「含む(containing)」、「含む(involving)」およびそれらの変形の使用は、以降に列挙される項目およびそれらの同等物ならびにさらなる項目を包含することを意味する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
2018512729.tif 000015