(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２、および第３のキュービットを結合するためのＺＺＺカプラアセンブリであって、
第１のキュービットに結合され、第１の制御信号により調整可能な第１の調整可能なカプラと、
前記第１の調整可能なカプラに結合された第２の調整可能なカプラであって、前記第１の調整可能なカプラに関連する第１の結合強度が非ゼロである場合に、前記第２の調整可能なカプラに関連する第２の結合強度が前記第２の調整可能なカプラに印加される第２の制御信号および前記第１のキュービットの状態の関数となるように、前記第１のキュービットの磁束が前記第２の調整可能なカプラの調整ループに向けられた前記第２の調整可能なカプラとを備え、
前記第２の結合強度が非ゼロである場合に、前記第１および第２のキュービットの状態がブロッホ球のＺ軸に関して特定の関係をとることがエネルギー的に生じるように、前記第２のキュービットおよび前記第３のキュービットが前記第２の調整可能なカプラを介して互いに結合される、ＺＺＺカプラアセンブリ。
【請求項２】
前記第２のキュービットおよび前記第３のキュービットが、前記第２の調整可能なカプラを介してガルバニックジョセフソン相互インダクタンスにより結合される、請求項１に記載のＺＺＺカプラアセンブリ。
【請求項３】
前記第２の制御信号は、第２のカプラが前記第２および第３のキュービットの状態がＺ軸に沿って同じ方向に整列することがエネルギー的に生じる負の結合、前記第２および第３のキュービットの状態がＺ軸に沿って反対方向に整列することがエネルギー的に生じる正の結合、および前記第２のキュービットと前記第３のキュービットとの間のゼロ結合のいずれかを提供することができるように、変更可能である、請求項１に記載のＺＺＺカプラアセンブリ。
【請求項４】
前記第２のキュービットに結合され、第３の制御信号により調整可能な第３の調整可能なカプラと、
前記第３の調整可能なカプラに結合された第４の調整可能なカプラであって、前記第３の調整可能なカプラに関連する第３の結合強度が非ゼロである場合に、前記第４の調整可能なカプラに関連する第４の結合強度が、前記第４の調整可能なカプラに印加される第４の制御信号および前記第２のキュービットの状態の関数となるように、前記第２のキュービットの磁束が前記第４の調整可能なカプラに向けられた前記第４の調整可能なカプラとを更に備え、
前記第４の調整可能なカプラの結合強度が非ゼロである場合に、前記第１および第３のキュービットの状態がＺ軸に関して特定の関係をとることがエネルギー的に生じるように、前記第１のキュービットおよび前記第３のキュービットが、前記第４の調整可能なカプラを介して結合される、請求項１に記載のＺＺＺカプラアセンブリ。
【請求項５】
前記第３のキュービットに結合され、第５の制御信号により調整可能な第５の調整可能なカプラと、
前記第５の調整可能なカプラに結合された第６の調整可能なカプラであって、前記第５の調整可能なカプラに関連する第５の結合強度が非ゼロである場合に、前記第６の調整可能なカプラに関連する第６の結合強度が、前記第６の調整可能なカプラに印加される第６の制御信号および前記第３のキュービットの状態の関数となるように、前記第３のキュービットの磁束が前記第６の調整可能なカプラに向けられた前記第６の調整可能なカプラとを更に備え、
前記第６の調整可能なカプラの結合強度が非ゼロである場合に、前記第１および第２のキュービットの状態がＺ軸に関して特定の状態をとることがエネルギー的に生じるように、前記第１のキュービットおよび第２のキュービットが、前記第６の調整可能なカプラを介して結合される、請求項４に記載のＺＺＺカプラアセンブリ。
【請求項６】
前記第２の結合強度が前記第１のキュービットの状態に依存しないように、前記第１の制御信号が前記第１の結合強度をゼロに低減するように調整される、請求項１に記載のＺＺＺカプラアセンブリ。
【請求項７】
前記第１の調整可能なカプラおよび前記第２の調整可能なカプラの各々が、合成ジョセフソン接合を含み、前記第１および第２の制御信号の各々が、第１の印加磁束および第２の印加磁束を含む、請求項６に記載のＺＺＺカプラアセンブリ。
【請求項８】
第１の古典的な制御を更に備え、前記第１の古典的な制御は、前記第２の結合強度が第１のキュービットの状態と、前記第１のキュービット、前記第２のキュービット、前記第３のキュービットによって形成されるシステムのハミルトニアンとに依存しないように前記第１の結合強度をゼロに調整するように前記第１の印加磁束を磁束量子の２分の１として提供するように構成され、前記ＺＺＺカプラアセンブリは、３つのキュービット項を含んでいない、請求項７に記載のＺＺＺカプラアセンブリ。
【請求項９】
第２の古典的な制御を更に備え、前記第２の古典的な制御は、前記第２の結合強度をゼロに調整するように前記第２の印加磁束を磁束量子の２分の１として提供するように構成される、請求項８に記載のＺＺＺカプラアセンブリ。
【請求項１０】
量子回路アセンブリであって、
前記第１のキュービットと、
前記第２のキュービットと、
前記第３のキュービットと、
請求項１に記載の前記ＺＺＺカプラアセンブリとを備える量子回路アセンブリ。
【請求項１１】
前記第１のキュービット、前記第２のキュービット、および前記第３のキュービットの各々が、少なくとも１つのジョセフソン接合によって中断された超伝導ループを含む磁束キュービットである、請求項１０に記載の量子回路アセンブリ。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのジョセフソン接合は、前記第１のキュービット、前記第２のキュービット、および前記第３のキュービットの各々に対する個々の第１および第２のジョセフソン接合を含み、前記第２のキュービットおよび前記第３のキュービットの各々は、個々の第３および第４のジョセフソン接合を含み、前記第２および第３のキュービットの各々は、個々の第３および第４のジョセフソン接合を前記第２の調整可能なカプラと共有する、請求項１１に記載の量子回路アセンブリ。
【請求項１３】
前記第１の調整可能なカプラは、第１の組のジョセフソン接合を含み、前記第２の調整可能なカプラは、第２の組のジョセフソン接合を含み、前記第２および第３のキュービットの各々の前記第３および第４のジョセフソン接合に関連する臨界電流は、前記第１の組のジョセフソン接合の任意のジョセフソン接合、前記第２の組のジョセフソン接合、および前記第１のキュービット、前記第２のキュービット、および前記第３のキュービットの各々に関する少なくとも１つのジョセフソン接合に関連する臨界電流の少なくとも２倍である、請求項１２に記載の量子回路アセンブリ。
【請求項１４】
前記第１のキュービット、前記第２のキュービット、および前記第３のキュービットの各々がトランスモンキュービットである、請求項１０に記載の量子回路アセンブリ。
【請求項１５】
３つのキュービット間のＺＺＺ結合を提供するための方法であって、
前記３つのキュービットのうちの第１のキュービットを、ガルバニックジョセフソン相互インダクタンスを利用する第１の調整可能なカプラを介して前記３つのキュービットのうちの第２のキュービットに結合するステップと、
前記第２のキュービットを、ガルバニックジョセフソン相互インダクタンスを利用する第２の調整可能なカプラを介して前記３つのキュービットのうちの第３のキュービットに結合するステップと、
前記第３のキュービットを、ガルバニックジョセフソン相互インダクタンスを利用した第３の調整可能なカプラを介して前記第１のキュービットに結合するステップと、
前記第１のキュービットからの磁束が前記第２の調整可能なカプラの調整ループに向けられるように、前記第１のキュービットを第４の調整可能なカプラを介して前記第２の調整可能なカプラに結合するステップと、
前記第２のキュービットからの磁束が前記第３の調整可能なカプラの調整ループに向けられるように、前記第２のキュービットを第５の調整可能なカプラを介して前記第３の調整可能なカプラに結合するステップと、
前記第３のキュービットからの磁束が前記第１の調整可能なカプラの調整ループに向けられるように、前記第３のキュービットを第６の調整可能なカプラを介して前記第１の調整可能なカプラに結合するステップとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子コンピューティングに関し、より詳細には、３つの超伝導キュービットのＺ基底状態を結合するためのカプラに関する。
【背景技術】
【０００２】
古典的なコンピュータは、古典的な物理学の法則に従って状態を変える情報のバイナリビットを処理することによって動作する。これらの情報ビットは、ＡＮＤおよびＯＲゲートなどの単純な論理ゲートを使用することによって変更することが可能である。バイナリビットは、論理ゲートの出力に生じる高または低信号レベルによって物理的に生成され、論理１（例えば、高電圧）または論理０（例えば、低電圧）のいずれかを表す。２つの整数を乗算するような古典的なアルゴリズムは、これらの単純な論理ゲートの長い列に分解することが可能である。古典的なコンピュータのように、量子コンピュータもビットおよびゲートを有している。論理１および０を使用する代わりに、量子ビット（「キュービット（ｑｕｂｉｔ）」）は、量子力学を使用して両方の可能性を同時に占有する。この能力および他の独自の量子力学的特徴は、量子コンピュータが、古典的なコンピュータのそれより指数関数的に速くある種の問題を解くことを可能にする。
【０００３】
量子アニーリングは、量子効果を利用して最適化問題を解決する代替コンピューティング手法である。量子アニーリングは、均等な確率振幅を有する全ての可能なキュービット状態（候補状態と呼ばれる）の量子力学的重ね合わせにキュービットを初期化することによって動作する。これは、キュービットに強い横磁場ハミルトニアンを印加することにより実施される。コンピュータは、横磁場ハミルトニアンが減少すると、問題のハミルトニアンがオンになるように時間依存シュレディンガー方程式に従って展開する。量子アニーリングのいくつかの変形では、ドライバーハミルトニアンが中間時間に印加される。この展開の間、すべての候補状態の確率振幅は変化し続け、量子並列性を実現する。ハミルトニアンの変化速度が十分に遅い場合、システムは瞬間ハミルトニアンの基底状態に近いままとなる。展開の終了時に、横方向の磁場はオフになり、システムが問題のハミルトニアンの基底または他の低エネルギー状態に、高い確率で到達したと予想される。問題のハミルトニアンは、通常、制約充足問題または他の最適化問題の解を、関連するイジングモデルの基底状態として符号化する。従って、展開の終了時に、量子アニーリングコンピューティングシステムは、ターゲットの最適化問題の解または近似解を生成する。
【発明の概要】
【０００４】
本発明の一態様によれば、第１、第２、および第３のキュービットを結合するためのＺＺＺカプラアセンブリが提供される。第１の調整可能なカプラ（ｆｉｒｓｔ  ｔｕｎａｂｌｅ  ｃｏｕｐｌｅｒ）は、第１のキュービットに結合され、かつ第１の制御信号により調整可能である。第２の調整可能なカプラは、第１の調整可能なカプラに結合され、第１の調整可能なカプラに関連する第１の結合強度が非ゼロである場合に、第２の調整可能なカプラに関連する第２の結合強度が、第２の調整可能なカプラに印加される第２の制御信号および第１のキュービットの状態の関数となるように、第１のキュービットの磁束を第２の調整可能なカプラの調整ループ（ｔｕｎｉｎｇ  ｌｏｏｐ）に向ける。第２の結合強度が非ゼロである場合に、第１および第２のキュービットの状態がＺ軸に関して特定の関係をとることがエネルギー的に生じる（ｅｎｅｒｇｅｔｉｃａｌｌｙ  ｆａｖｏｒａｂｌｅ）ように、第２のキュービットおよび第３のキュービットは、第２の調整可能なカプラを介して相互に結合される。
【０００５】
本発明の別の態様によれば、３つのキュービット間でＺＺＺ結合を提供する方法が提供される。３つのキュービットのうちの第１のキュービットは、ガルバニックジョセフソン相互インダクタンス（ｇａｌｖａｎｉｃ  Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ  ｍｕｔｕａｌ  ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）を利用する第１の調整可能なカプラを介して３つのキュービットのうちの第２のキュービットに結合される。第２のキュービットは、ガルバニックジョセフソン相互インダクタンスを利用する第２の調整可能なカプラを介して３つのキュービットのうち第３のキュービットに結合される。第３のキュービットは、ガルバニックジョセフソン相互インダクタンスを利用する第３の調整可能なカプラを介して第１のキュービットに結合される。第１のキュービットは、第１のキュービットからの磁束が第２の調整可能なカプラの調整ループに向けられるように、第４の調整可能なカプラを介して第２の調整可能なカプラに結合される。第２のキュービットは、第２のキュービットからの磁束が第３の調整可能なカプラの調整ループに向けられるように、第５の調整可能なカプラを介して第３の調整可能なカプラに結合される。第３のキュービットは、第３のキュービットからの磁束が第１の調整可能なカプラの調整ループに向けられるように、第６の調整可能なカプラを介して第１の調整可能なカプラに結合される。
【０００６】
本発明のさらに別の態様によれば、量子回路アセンブリは、第１のキュービット、第２のキュービット、第３のキュービット、および第１のキュービットに結合された第１の調整可能なカプラを含む。第２の調整可能なカプラが、第１のキュービットの磁束が第２の調整可能なカプラに向けられるように、第１の調整可能なカプラに結合される。第２のキュービットと第３のキュービットは、第２の調整可能なカプラを介してガルバニックジョセフソン相互インダクタンスにより互いに結合される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】３つの結合された超伝導キュービットを含むシステムの一例を示す図である。
【図２】本発明の一態様による、第１のキュービット、第２のキュービット、および第３のキュービットを結合するＺＺＺカプラアセンブリを採用する量子回路の一例を示す図である。
【図３】図２の回路について、磁束量子（ｍΦ０）の１０００分の１で表される、調整回路に印加される磁束の関数として、ギガヘルツで表される第２の調整可能なカプラによって提供される第２および第３のキュービット間のＺＺ結合の強度を示すグラフである。
【図４】図２の回路について、磁束量子（ｍΦ０）の１０００分の１で表される、第１の印加磁束および第２の印加磁束の関数として、ギガヘルツで表されるカプラアセンブリによって提供される第１、第２、および第３のキュービットの間のＺＺＺ結合の強度を示すグラフである。
【図５】任意のＺＺＺ結合および対ＺＺ結合を可能にするガルバニックカプラアセンブリにより結合された３つのキュービットを含む量子回路の一例を示す図である。
【図６】３つのキュービット間でＺＺＺ結合を提供する１つの方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本明細書に記載されたＺＺＺカプラは、情報が超伝導キュービットに格納され、かつ操作される量子コンピューティング環境での使用を意図としている。キュービットの物理的な実施は、ジョセフソン接合、量子ドット、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉デバイス：ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ｄｅｖｉｃｅ）、クーパーペアボックス（Ｃｏｏｐｅｒ  ｐａｉｒ  ｂｏｘ）、またはイオントラップとすることができる。さらに、指定されない限り、２つの要素の結合は、例えば、電気導体による機械的結合、容量結合、誘導結合、磁気結合、核結合、および光学結合、または前述の任意の組み合わせの各種物理的結合手段のいずれかを使用して本発明に従って達成され得る。本明細書で使用する場合、「古典的な制御」とは、キュービットまたはカプラなどの量子要素に制御信号を提供する古典物理学の法則に従って概ね動作するデバイスを指す。
【０００９】
本明細書のシステムおよび方法は、３つの超伝導キュービット間の任意の結合と、Ｚ基底に沿った３つのキュービットの任意のペアの結合を提供する。２つのキュービット間のＺＺ結合は、第１および第２のキュービットの状態がブロッホ球のＺ軸に関して両方とも＋Ｚ方向または両方とも−Ｚ方向を指す特定の関係をとることがエネルギー的に生じるようにする。同様に、３つのキュービット間のＺＺＺ結合は、全ての３つのキュービットの状態がＺ軸に沿って全てが＋Ｚ方向または全てが−Ｚ方向を指す同じ方向に整列することがエネルギー的に生じるようにする。各軸は、キュービットのブロッホ球で定義される特定の量子状態に対応している。結合は正または負であり、負のＺＺ結合は、第１および第２のキュービットの状態がＺ軸に沿って両方とも＋Ｚ方向または両方とも−Ｚ方向を指す同じ方向に整列することがエネルギー的に生じるようにする。＋ＺＺとして示される正のＺＺ結合は、第１および第２のキュービットの状態がＺ軸に沿って異なる方向に整列することがエネルギー的に生じるようにする。
【００１０】
自然界で見られるほとんどの粒子相互作用は、特性的に二体である。三体項が存在する場合、二体相互作用に比べて弱い傾向がある。本開示は、磁束キュービット間の強力で調整可能な三体ＺＺＺ相互作用、および独立して調整可能な二体ＺＺ相互作用（二体相互作用がゼロの場合を含む）を生成するというこれらの課題の両方を解決するデバイスについて説明する。具体的には、本発明者らは、第３のキュービットの状態に基づいてキュービット−キュービット相互作用の強度を変調することにより３つのキュービット相互作用を生成する新規な結合方法を利用する回路を設計した。高コヒーレンス磁束キュービットと互換性のある一実施形態では、回路は、ジョセフソン接合が相互インダクタンスを提供する独創的なキュービット間のガルバニックジョセフソン結合を利用する。
【００１１】
図１は、３つの結合された超伝導キュービット１２〜１４を含むシステム１０の一例を示す図である。システムは、第１のキュービットによって生成された磁束が第２のカプラの調整ループに向けられるように、第１のキュービット１２を第２のカプラ１８に結合する第１のカプラ１６を含む。第１のカプラ１６は、結合強度および符号（例えば、正または負）が、第１の古典的な制御２６によって提供される制御信号により調整されることができるように、調整可能に選択されることが可能である。制御信号は、第１のカプラ１６の結合強度がゼロであり、したがって第１のキュービットからの磁束が第２のカプラ１８に向けられないように選択することができることが理解されよう。一実施形態では、第１のカプラ１６はスプリット接合調整可能なカプラ（ｓｐｌｉｔ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｔｕｎａｂｌｅ  ｃｏｕｐｌｅｒ）であり、キュービット間の相互作用強度は、第１の古典的な制御２６によって提供され、調整可能な接合に通じる調整磁束の量によって制御される。
【００１２】
第２のカプラ１８は、第２のキュービット１３を第３のキュービット１４に結合する。第１のカプラ１６と同様に、第２のカプラ１８は、第２の古典的な制御２８によって提供される制御信号により結合強度および符号が調整されることができるように、調整可能に選択されることが可能である。従って、第１のカプラ１６が非ゼロ結合を提供するように調整される場合、第２のカプラ１８の結合強度は、第２の古典的な制御２８によって提供される制御信号および第１のキュービット１２の状態の関数である。一実施形態では、第２のカプラ１８はスプリット接合調整可能なカプラであり、キュービット間の相互作用強度は、第２の古典的な制御２８によって提供され、調整可能な接合に通じる調整磁束の量、ならびに第１のカプラ１６によって第２のカプラに向けられる第１のキュービット１２からの磁束の量によって制御される。
【００１３】
一実施形態では、第２のキュービット１３および第３のキュービット１４は、第２のカプラ１８を介して結合され、各キュービットは、ガルバニックジョセフソン相互インダクタンスにより第２のカプラに結合される。結合のエネルギースケールは、実験の達成可能なベース温度に関連するエネルギーなどの、問題における他のエネルギーまたは周波数よりも大きくする必要があることが多いため、ＺＺＺ結合の強度を最適化することは、デバイス動作を成功させるために重要である。さらに、カプラが、通常、小さな臨界電流（ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｃｕｒｒｅｎｔ）を用いた接合を利用して磁束ノイズからの位相緩和（ｄｅｐｈａｓｉｎｇ）を最小化する高コヒーレント磁束キュービットと互換性があるようになることに役立つ。高コヒーレンスにより、量子効果が促進される。小さな臨界電流制限は、キュービット−キュービットの調整可能なカプラの一部である誘導要素（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ）に重要な制限を課す。これらの制約は、接合臨界電流（ＩＣ）と、接合の実効ジョセフソンインダクタンスＬＪ＝Φ０／２πＩＣとの間の関係から導出される。ここで、Φ０／２π〜３３０ｎＡｎＨである。
【００１４】
例えば、ＩＣ〜５０ｎＡの接合の場合、ジョセフソンインダクタンスは〜６．６ｎＨである。誘導結合によって強い結合を生成するためには、結合されたキュービット間の相互インダクタンスがこの値のかなりの割合である必要がある。多くの場合、すべての幾何学的相互関係を含む相互インダクタンスは、線形インダクタンスで生成される。線形インダクタでこのような大きなインダクタンスを生成することに伴う課題を理解するために、Ｚ＝５０オームの金属トレースと伝播速度ｖ〜ｃ／３（ｃは真空内の光の速度）でＬＪ〜６．６ｎＨのインダクタンスを生成することを考慮すると、１センチよりも長いトレース長ＬＪｖ／Ｚが必要となる。幾何学的カプラは、回路の他の部分に比べて非常に大きくする必要があり、浮遊容量が関連する周波数で達成可能なインダクタンスを制限する可能性があるため、これは、技術的な課題を提示する。本発明者らは、ガルバニック結合の使用がこれらの課題の多くを克服することを発見した。
【００１５】
図２は、本発明の一態様による、第１のキュービット７２、第２のキュービット７４、および第３のキュービット７６を結合するＺＺＺカプラアセンブリ６０を採用する量子回路５０の一例を示す図である。カプラアセンブリ６０は、第１の調整ループ６６を含む第１の調整可能なカプラ６２と、第２の調整ループ６８を含む第２の調整可能なカプラ６４とを含む。図示の実施形態では、第１および第２の調整ループ６６および６８の各々は、２つのジョセフソン接合によって中断された（ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ）超伝導ループとして形成された合成ジョセフソン接合（ｃｏｍｐｏｕｎｄ  Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ）である。第１の調整可能なカプラ６２は、第１のキュービット７２からの磁束を第２の調整可能なカプラ６４に向ける。第２の調整可能なカプラ６４は、第２のキュービット７４をＺ基底で第３のキュービット７６に結合し、各キュービット７４および７６は、ガルバニックジョセフソン相互インダクタンスにより第２の調整可能なカプラに結合される。従って、第２の調整可能なカプラの結合強度が非ゼロである場合、第１および第２のキュービットの状態がＺ軸に関して特定の関係をとることがエネルギー的に生じる。図示の実施形態では、第１のキュービット７２からの磁束は、第１の調整可能なカプラ６２と第２の調整可能なカプラ６４の調整ループ６８とをブリッジングする少なくとも一対の誘導要素６９を介して誘導的に提供される。
【００１６】
図示された実施形態では、第１のキュービット７２、第２のキュービット７４、および第３のキュービット７６の各々は、４つの接合磁束キュービットとして具体化され、各キュービット７２、７４、および７６の第１および第２の接合が磁束キュービットをバイアスするための合成接合８２、８４、および８６を形成する。第３および第４の接合９１〜９４は、磁束キュービットループを達成し、接合９２および９４は、キュービット７４および７６によって調整可能なカプラ６８と共有されるガルバニックジョセフソン相互インダクタンスをそれぞれ形成する。一般的には、磁束キュービットは、いくつかのジョセフソン接合によって中断される超伝導ループである。バイアス要素は、図２の簡略化された例には示されていないが、一般的な動作では、磁束キュービットは、超伝導磁束量子Φ０の単位で一般的に記述される磁束によってバイアスされる。ループ８２、８４、または８６において印加されたバイアス磁束が１つの磁束量子に近く、かつ適切なデバイスパラメータに対して、システムの電位エネルギーが２つの最小値を示す場合、一方は超伝導ループの時計回りの電流に、そして他方は反時計回りの電流に対応する。可能性のある２つの電流の方向は、システムの最小エネルギー量子状態を表す。バイアス磁束の１つの磁束量子であっても単一の電位井戸を有することも可能であるが、本明細書に記載された二重井戸領域は、独創的なカプラがエネルギー的に縮退した状態でも機能する独自の能力を強調する。結合アセンブリ６０は、トランスモンキュービット間の三体誘導結合（ｔｈｒｅｅ  ｂｏｄｙ  ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を生成するためにも使用できることが理解されよう。この場合、三体相互作用項の強度は、磁束領域の静的電流と比較して低いＲＭＳ電流に起因して低下する。
【００１７】
全回路の誘導電位は、各接合に関する−Φ０ＩＣ／２πｃｏｓθと、各インダクタに関する（１／２Ｌ）（Φ０／２π）２θ２とを使用して相互インダクタンスに関して適切に一般化してモデル化することができる。ここで、θは、回路要素に亘るゲージ不変位相（ｇａｕｇｅ  ｉｎｖａｒｉａｎｔ  ｐｈａｓｅ）である。磁束キュービットが高調波発振器、または単一の井戸、領域に調整されると、電位は単一の最小値を示す。磁束キュービットが磁束または二重井戸、領域に調整されると、全ての結合がオフとなり、電位は、８つのキュービット状態に対応する８つの縮退最小値を示す。各最小値のエネルギーにラベルＵａｂｃを付けることができる。ａは第１のキュービット７２の状態を表し、ｂは第２のキュービット７４の状態を表し、ｃは第３のキュービット７６の状態を表し、Ｕ０１０は、キュービット状態０１０に対応する井戸の最小のエネルギーである。カプラ６２または６４のいずれかを非ゼロ結合強度に調整すると、各エネルギーが最小値に調整される。形式Ｈ／ｈ＝−ｇ１２３ＺＺＺのハミルトニアンに関して、ｇ１２３の値がＺＺＺ結合エネルギーを決定する。ここで、ｈは、結合エネルギーと結合周波数を関連付けるプランク定数である。キュービットが磁束領域にある場合、ｇ１２３の値は、Σａｂｃｚ（ａ）ｚ（ｂ）ｚ（ｃ）Ｕａｂｃ／８として計算でき、ここで、ｚ（０）＝１およびｚ（１）＝−１である。第２のキュービット７４と第３のキュービット７６との間のＺＺエネルギーは、Σａｂｃｚ（ｂ）ｚ（ｃ）Ｕａｂｃ／８として計算することができる。この方法は、制御磁束がＭＲＴ（巨視的共鳴トンネル（ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ））間隔内にある限り、つまり電位井戸間のエネルギーの差が各井戸の局所ハーモニックエネルギーよりも小さい限り、対応する量子ハミルトニアンの最低固有状態（ｌｏｗｅｓｔ  ｅｉｇｅｎｓｔａｔｅｓ）のエネルギースケールを正確に決定する。これは、誘導電位に加えて、キュービットのシャント容量に依存する。
【００１８】
合成ジョセフソン接合の結合技術を利用することにより、カプラアセンブリ６０は、個々のキュービットをバイアスせず、すなわち、アセンブリによってシステムのハミルトニアンに単一キュービットのＺ項が生成されない。本発明は、第１の調整ループ６６に提供される第１の印加磁束Φ１、および第２の調整ループ６８に提供される第２の印加磁束Φ２を変更することによって、複数の動作点を利用するように構成することができる。これらの磁束は、第２の調整可能なカプラ６４によって提供されるＺＺ結合と、第１の調整可能なカプラ６２を介してアセンブリ６０によって提供されるＺＺＺ結合とを別々に制御するように調整することができる。例えば、磁束は、ＺＺ結合およびＺＺＺ結合の両方が非アクティブになるように提供することができる。この場合、２つの印加磁束の例示的な値には、（Φ１，Φ２）＝（０．５，０．５）Φ０が含まれる。ＺＺＺ結合なしで、任意の符号を用いてＺＺ結合をアクティブにするためには、（Φ１，Φ２）＝（０．５，０．５±０．５）Φ０の値を使用することができる。第２の印加磁束の値は、所望の強度および結合の符号に応じて、任意の範囲に亘って変化することが理解されるであろう。ＺＺＺ結合を回避するために磁束が提供される場合、システムのハミルトニアンにはＺＺＺ項が含まれない。ＺＺ結合なしで、任意の符号を用いてＺＺＺ結合をアクティブにするには、印加磁束値は、（Φ１，Φ２）＝（０，±０．５）Φ０を含むことができる。この場合、システムのハミルトニアンには、ＺＺＺ結合を表す項が含まれるが、第２のキュービット７４と第３のキュービット７６の間のＺＺ結合を表す項は含まれない。最後に、ＺＺ結合およびＺＺＺ結合を提供するには、（Φ１，Φ２）＝（０，±０．５±０．２）Φ０を含む値を使用することができる。
【００１９】
図３は、図２の回路について、磁束量子（ｍΦ０）の１０００分の１で表される、調整回路６８に印加される磁束の関数として、ギガヘルツで表される第２の調整可能なカプラ６４によって提供される第２および第３のキュービット７４および７６間のＺＺ結合の強度を示すグラフ１００である。この事例では、磁束キュービット７２、７４、および７６の合成接合８２、８４、および８６におけるジョセフソン接合には３５ナノアンペアの臨界電流が加えられ、キュービット内の他のジョセフソン接合には７０ナノアンペアの臨界電流が加えられ、２つのカプラ６２および６４における接合には２５ナノアンペアの臨界電流が加えられるものと仮定する。誘導要素６２は各々、１５０ピコヘンリーのインダクタンスを有し、相互インダクタンスの効率は０．５である。結合強度は垂直軸１０２上に表され、印加磁束は水平軸１０４上に表される。グラフ１００から分かるように、印加磁束が（１０００＊ｎ＋５００）ｍΦ０に近い場合、結合強度は最小であり、ここでｎは整数である。印加磁束が２０００ｎ  ｍΦ０に近い場合、最大の正の結合が達成され、印加磁束が（２０００ｎ＋１０００）ｍΦ０に近い場合、最大の負の結合が達成される。これらの極値間の値を選択して、結合強度を所望の大きさおよび符号に調整することができる。当業者は、臨界電流の製造ばらつきが、ゼロ結合が発生する磁束値をわずかに変化させることを認識するであろう。
【００２０】
図４は、図２の回路について、磁束量子（ｍΦ０）の１０００分の１で表される、第１の印加磁束および第２の印加磁束の関数として、ギガヘルツで表されるカプラアセンブリ６０によって提供される第１、第２、および第３のキュービット７２、７４、および７６の間のＺＺＺ結合の強度を示すグラフ１５０である。このグラフでは、キュービット７２、７４、７６へのバイアスや種々のジョセフソン接合の臨界電流などの回路に関するパラメータは、ＺＺ結合エネルギーが第１の印加磁束に依存しないように選択される。図３と同様に、この事例では、磁束キュービット７２、７４、７６の合成接合８２、８４、８６におけるジョセフソン接合には３５ナノアンペアの臨界電流が加えられ、キュービット内の他のジョセフソン接合には７０ナノアンペアの臨界電流が加えられ、２つのカプラ６２および６４における接合には２５ナノアンペアの臨界電流が加えられるものと仮定する。誘導要素６２は各々、１５０ピコヘンリーのインダクタンスを有し、相互インダクタンスの効率は０．５である。結合強度は垂直軸１５２上に表され、第２の印加磁束は水平軸１５４上に表される。
【００２１】
第１の印加磁束の値は個別のプロット１６１−１７１で表され、各プロットは第１の印加磁束の異なる値に対するＺＺＺ結合強度を表す。第１のプロット１６１は、第１の印加磁束がゼロのときのＺＺＺ結合強度を表す。第２のプロット１６２は、第１の印加磁束が磁束量子の１０分の１に等しいときのＺＺＺ結合強度を表す。第３のプロット１６３は、第１の印加磁束が磁束量子の５分の１に等しいときのＺＺＺ結合強度を表す。第４のプロット１６４は、第１の印加磁束が磁束量子の１０分の３に等しいときのＺＺＺ結合強度を表す。第５のプロット１６５は、第１の印加磁束が磁束量子の５分の２に等しいときのＺＺＺ結合強度を表す。第６のプロット１６６は、第１の印加磁束が磁束量子の２分の１に等しいときのＺＺＺ結合強度を表す。グラフ１５０から分かるように、第１の印加磁束が磁束量子の２分の１に等しい場合、第２の印加磁束の値に関係なく、ＺＺＺ結合は存在しない。さらに、ＺＺＺ結合の大きさと符号は、第１および第２の印加磁束の値を調整することにより選択することができることが理解されるであろう。
【００２２】
第７のプロット１６７は、第１の印加磁束が磁束量子の５分の３に等しいときのＺＺＺ結合強度を表す。第８のプロット１６８は、第１の印加磁束が磁束量子の１０分の７に等しいときのＺＺＺ結合強度を表す。第９のプロット１６９は、第１の印加磁束が磁束量子の５分の４に等しいときのＺＺＺ結合強度を表す。第１０のプロット１７０は、第１の印加磁束が磁束量子の１０分の９に等しいときのＺＺＺ結合強度を表す。第１１のプロット１７１は、第１の印加磁束が磁束量子に等しいときのＺＺＺ結合強度を表す。これにより、ＺＺＺ結合強度の最大値が提供されることが理解されよう。
【００２３】
図５は、任意の対結合を可能にするガルバニックカプラアセンブリ２１０により結合された３つのキュービット２０２、２０４、および２０６を含む量子回路２００の一例を示す図である。図２の回路と比較して、図示された回路２００は、ＺＺＺ結合エネルギーを３倍に増加させ、かつロバスト性のために設計が対称的である。回路では、第１のキュービット２０２および第２のキュービット２０４は、第１の調整可能なカプラ２１２を介してガルバニックジョセフソン相互インダクタンスにより結合され、第２のキュービットおよび第３のキュービット２０６は、第２の調整可能なカプラ２１４を介してガルバニックジョセフソン相互インダクタンスにより結合され、第１のキュービットおよび第３のキュービットは、第３の調整可能なカプラ２１６を介してガルバニックジョセフソン相互インダクタンスにより結合される。この事例の目的のために、第１の調整可能なカプラ２１２、第２の調整可能なカプラ２１４、および第３の調整可能なカプラ２１６の各々は、図２の第２の調整可能なカプラ６４と構造および機能において実質的に同等であると想定することができる。
【００２４】
また、第１、第２、および第３のキュービット２０２、２０４、および２０６の各々は、キュービットからの磁束が個々のカプラの調整ループに向けられて、キュービット間のＺＺＺ相互作用を可能にするように、第２の調整可能なカプラ２１４、第３の調整可能なカプラ２１６、および第１の調整可能なカプラ２１２にもそれぞれ結合される。具体的には、第１のキュービット２０２は第４の調整可能なカプラ２２２を介して第２の調整可能なカプラ２１４に結合され、第２のキュービット２０４は第５の調整可能なカプラ２２４を介して第３の調整可能なカプラ２１６に結合され、第３のキュービット２０６は第１の調整可能なカプラ２１２を介して第６の調整可能なカプラ２２６に結合される。この事例の目的のために、第４の調整可能なカプラ２２２、第５の調整可能なカプラ２２４、および第６の調整可能なカプラ２２６の各々は、図２の第１の調整可能なカプラ６２と構造および機能が実質的に同等であると想定することができる。
【００２５】
図示されたガルバニックカプラ２１０は、ＺＺ結合強度がゼロに調整される場合でも、現在のところ〜１０ｋＢｍＫである（ここで、ｋＢがボルツマン定数である）市販の希釈冷凍機のベース温度によって設定されるエネルギースケールよりも１０倍大きくすることができるＺＺＺ結合強度で、高コヒーレンス、低臨界電流の磁束キュービットを結合することを可能にする。ＺＺＺ結合は、量子アニーラー（ｑｕａｎｔｕｍ  ａｎｎｅａｌｅｒｓ）に関する排他的またはブーリアン充足可能性（ＸＯＲ−３ＳＡＴ）問題のハミルトニアンをネイティブに生成すること、プリミティブ制御の制御位相ゲートに関する結合ハミルトニアンを生成すること、物理キュービットからエンコードされたキュービットを構築するのに必要なハミルトニアン演算子を実装すること、および距離３でエンコードされたキュービットの論理演算を実施することに関して役立つ。これらの結合は、アニーリングおよびエンコードの適用におけるデバイス温度と比較して大きくする必要があり、処理をＧａｔｅＴｉｍｅでまたはそれよりも早く行う必要があるゲートまたは論理の適用に関して〜ｈ／ＧａｔｅＴｉｍｅよりも大きくする必要があり、ｈは、プランク定数である。量子効果の利点を利用するには、結合手法が高コヒーレンス、低臨界電流磁束キュービットと互換性がある必要がある。
【００２６】
本発明のカプラは、任意の二体項および三体項を生成することができ、回路がより一般的な３充足可能性問題（３ＳＡＴ）の問題をエンコードすることを可能にする。３ＳＡＴは、カノニカルＮＰ完全制約充足問題（ｃａｎｏｎｉｃａｌ  ＮＰ−ｃｏｍｐｌｅｔｅ  ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ  ｓａｔｉｓｆａｃｔｉｏｎ  ｐｒｏｂｌｅｍ）である。回路２００がローカル３ＳＡＴインスタンスをネイティブにエンコードするのに十分であることを確認するために、最初に、節（ｃｌａｕｓｅ）が真の場合に値１を取り、節が偽の場合に０をとる単一の３ビット節関数ｆ（ａ，ｂ，ｃ）を考える。ＭＡＸ３ＳＡＴインスタンスを含む一組の節関数｛ｆｉ｝を考慮する場合、満たされた節の数を最大化する変数を発見することは、コスト関数−Σｉｆｉを最小化することと同等である。次に、節関数ｆから派生した３つのキュービット演算子Ｆ＝Σａｂｃｆ（ａ，ｂ，ｃ）｜ａｂｃ＞＜ａｂｃ｜について考える。演算子はＺ基底において対角線であるため、Ｆ＝ｇ０ＩＩＩ＋ｇ１ＺＩＩ＋ｇ２ＩＺＩ＋ｇ３ＩＩＺ＋ｇ１２ＺＺＩ＋ｇ１３ＺＩＺ＋ｇ２３ＩＺＺ＋ｇ１２３ＺＺＺとして分解できる。ここで、Ｚは、パウリのＺ演算子であり、Ｉはアイデンティティである。単一のキュービットバイアスフィールドに必要な制御を含めた後、回路２００は、コスト関数演算子−ΣｉＦｉを実装するために必要なすべての結合を同時に生成することができ、従ってローカル３ＳＡＴインスタンスをネイティブにエンコードすることができる。コスト関数のグローバルな最小値を発見することは、関連する充足可能性の問題を解決するのみならず、充足可能な節の最大数を発見するというより一般的な問題（ＭＡＸ−ＳＡＴ）を解決する。局所性の制約により、本発明を使用してネイティブに解決することができる３ＳＡＴインスタンスの数が減少するが、ＭＡＸ−ＸＯＲ−３ＳＡＴは、局所（有界度）平面ハイパーグラフ（ｐｌａｎｅｒ  ｈｙｐｅｒｇｒａｐｈｓ）に制限された場合でもＮＰハードを維持する。バイアスフィールドの精度が十分であれば、回路はより一般的な加重ＭＡＸ−３ＳＡＴ制約充足問題をネイティブにエンコードすることができる。
【００２７】
上記の図１〜図５で説明した構造上および機能上の特徴を考慮すると、例示的な方法は、図６を参照してよりよく理解されるであろう。説明を簡単にするために、図６方法は順次実行されるものとして示され説明されているが、他の例では、いくつかの動作が本明細書に示され記載されたものとは異なる順序で、および／または同時に起こり得るので、本発明は示された順序によって制限されないことを理解されたい。
【００２８】
図６は、３つのキュービット間でＺＺＺ結合を提供するための１つの方法２５０を示す図である。２５２で、３つのキュービットのうちの第１のキュービットは、ガルバニックジョセフソン相互インダクタンスを利用する第１の調整可能なカプラを介して３つのキュービットのうちの第２のキュービットに結合される。第１の調整可能なカプラは、ガルバニック結合を可能にするために、第１および第２のキュービットと１つまたは複数のジョセフソン接合を共有することができることが理解されよう。２５４において、第２のキュービットは、ガルバニックジョセフソン相互インダクタンスを利用する第２の調整可能なカプラを介して３つのキュービットのうちの第３のキュービットに結合される。２５６では、第３のキュービットは、ガルバニックジョセフソン相互インダクタンスを利用する第３の調整可能なカプラを介して第１のキュービットに結合される。
【００２９】
２５８で、第１のキュービットからの磁束が第２の調整可能なカプラの調整ループに向けられるように、第１のキュービットは第４の調整可能なカプラを介して第２の調整可能なカプラに結合される。従って、第１のキュービットの状態は、第２の調整可能なカプラの結合強度に影響を及ぼし得る。２６０において、第２のキュービットからの磁束が第３の調整可能なカプラの調整ループに向けられるように、第２のキュービットは第５の調整可能なカプラを介して第３の調整可能なカプラに結合される。２６２で、第３のキュービットからの磁束が第１の調整可能なカプラの調整ループに向けられるように、第３のキュービットは第６の調整可能なカプラを介して第１の調整可能なカプラに結合される。結果として得られる回路により、調整可能なカプラに提供される制御信号により調整可能な符号と結合強度を有する回路間のＺＺＺ結合、および３つのキュービット間の任意のＺＺ結合が可能になる。
【００３０】
以上の説明は本発明の例である。当然のことながら、本発明を説明する目的のために構成要素または方法の考え得るあらゆる組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲内に含まれるすべてのそのような代替形態、修正形態、および変形形態を包含することを意図されている。
以下に、上記実施形態から把握できる技術思想を付記として記載する。
［付記１］
量子回路アセンブリであって、
第１のキュービットと、
第２のキュービットと、
第３のキュービットと、
前記第１のキュービットに結合された第１の調整可能なカプラと、
前記第１の調整可能なカプラに結合され、前記第１のキュービットの磁束が第２の調整可能なカプラに向けられるようにする第２の調整可能なカプラとを備え、前記第２のキュービットおよび前記第３のキュービットは、ガルバニックジョセフソン相互インダクタンスにより前記第２の調整可能なカプラを介して互いに結合される、量子回路アセンブリ。
［付記２］
前記第１の調整可能なカプラに関連する第１の結合強度を調整するための第１の制御信号を提供する第１の古典的な制御と、
前記第２の調整可能なカプラに関連する第２の結合強度を調整するための第２の制御信号を提供する第２の古典的な制御とを更に備え、
前記第１の古典的な制御は、前記第２の調整可能なカプラに関連する第２の結合強度が前記第２の調整可能なカプラに印加される前記第２の制御信号および前記第１のキュービットの状態の関数となるような非ゼロの第１の結合強度と、前記第２の結合強度が前記第１のキュービットの状態に依存しないようなゼロ結合強度との各々を提供するように第１の制御信号を提供するように構成される、付記１に記載の量子回路アセンブリ。
［付記３］
前記第１の調整可能なカプラおよび前記第２の調整可能なカプラの各々が、合成ジョセフソン接合を含み、前記第１および第２の制御信号の各々が、第１の印加磁束および第２の印加磁束を含む、付記２に記載の量子回路アセンブリ。
［付記４］
前記第２のキュービットに結合され、第３の制御信号により調整可能な第３の調整可能なカプラと、
前記第３の調整可能なカプラに結合された第４の調整可能なカプラであって、前記第３の調整可能なカプラに関連する第３の結合強度が非ゼロである場合に、前記第４の調整可能なカプラに関連する第４の結合強度が、前記第４の調整可能なカプラに印加される第４の制御信号および前記第２のキュービットの状態の関数となるように、前記第２のキュービットの磁束を前記第４の調整可能なカプラに向ける前記第４の調整可能なカプラと、
前記第３のキュービットに結合され、第５の制御信号により調整可能な第５の調整可能なカプラと、
前記第５の調整可能なカプラに結合された第６の調整可能なカプラであって、前記第５の調整可能なカプラに関連する第５の結合強度が非ゼロである場合に、前記第６の調整可能なカプラに関連する第６の結合強度が、前記第６の調整可能なカプラに印加される第６の制御信号および前記第３のキュービットの状態の関数となるように、前記第３のキュービットの磁束を前記第６の調整可能なカプラに向ける前記第６の調整可能なカプラとを更に備え、
前記第４の調整可能なカプラの結合強度が非ゼロである場合に、前記第１および第３のキュービットの状態がブロッホ球のＺ軸に関して特定の関係をとることがエネルギー的に生じるように、前記第１のキュービットおよび前記第３のキュービットが前記第４の調整可能なカプラを介して結合され、前記第６の調整可能なカプラの結合強度が非ゼロである場合に、前記第１および第２のキュービットの状態がＺ軸に関して特定の関係をとることがエネルギー的に生じるように、前記第１のキュービットおよび前記第２のキュービットは前記第６の調整可能なカプラを介して結合される、付記２に記載の量子回路アセンブリ。
［付記５］
前記第２の制御信号は、第２のカプラが、前記第２および第３のキュービットの状態がＺ軸に沿って同じ方向に整列することがエネルギー的に生じる負の結合、前記第２および第３のキュービットの状態がＺ軸に沿って反対方向に整列することがエネルギー的に生じる正の結合、および前記第２のキュービットと前記第３のキュービットとの間のゼロ結合のいずれかを提供することができるように、変更可能である、付記２に記載の量子回路アセンブリ。
【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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