特許 6230123 超伝導量子ビットの初期化方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6230123

(24)【登録日】2017年10月27日

(45)【発行日】2017年11月15日

(54)【発明の名称】超伝導量子ビットの初期化方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 39/22 20060101AFI20171106BHJP

【ＦＩ】

   H01L39/22 C

【請求項の数】5

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2014-165669(P2014-165669)

(22)【出願日】2014年8月18日

(65)【公開番号】特開2016-42521(P2016-42521A)

(43)【公開日】2016年3月31日

【審査請求日】2017年1月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504202472

【氏名又は名称】大学共同利用機関法人情報・システム研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(72)【発明者】

【氏名】松崎 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】ウィリアム ジョーンムンロ

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 志郎

(72)【発明者】

【氏名】アシュレイ ステファンス マーティン

(72)【発明者】

【氏名】根本 香絵

【審査官】 小川 将之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−０４９００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１６２１７２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−０６４６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５１６６１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Xiaobo Zhu, et al.，Coherent coupling of a superconducting flux qubit to an electron spin ensemble in diamond，Nature，２０１１年１０月，vol.478，pp.221-224

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３９／２２

Ｈ０１Ｌ ３９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

超伝導量子ビットを保持可能な超伝導量子回路と補助量子系とが、これら超伝導量子回路と補助量子系の互いのエネルギーが可換な状態で近接して配置された結合系を用いた超伝導量子ビットの初期化方法であって、
前記超伝導量子ビットのエネルギーを制御して、前記超伝導量子ビットと前記補助量子系とを共鳴させ、前記超伝導量子ビットと前記補助量子系との間で真空ラビ振動を誘起する第１のステップと、
前記共鳴の開始時点から前記真空ラビ振動の周期の半値の時間が経過したときに、前記超伝導量子ビットと前記補助量子系とを離調する第２のステップとを含むことを特徴とする超伝導量子ビットの初期化方法。

【請求項2】

請求項１記載の超伝導量子ビットの初期化方法において、
前記第１のステップは、前記超伝導量子回路と磁気的に結合した制御回路にエネルギー制御パルス電流を流すことにより、前記制御回路に磁場を発生させて前記超伝導量子ビットのエネルギーを制御するステップを含み、
前記第２のステップは、前記制御回路に前記エネルギー制御パルス電流を流し始めた時点から前記真空ラビ振動の周期の半値の時間が経過したときに、前記エネルギー制御パルス電流を停止して前記超伝導量子ビットと前記補助量子系とを離調するステップを含むことを特徴とする超伝導量子ビットの初期化方法。

【請求項3】

請求項１または２記載の超伝導量子ビットの初期化方法において、
前記補助量子系は、固体中の欠陥またはドーパントに局在する電子スピンの集団であることを特徴とする超伝導量子ビットの初期化方法。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超伝導量子ビットの初期化方法において、
前記超伝導量子ビットと前記補助量子系との結合定数は、前記補助量子系の減衰率よりも大きいことを特徴とする超伝導量子ビットの初期化方法。

【請求項5】

請求項４記載の超伝導量子ビットの初期化方法において、
前記補助量子系としてダイヤモンドのＮＶ中心を用いる場合に、前記超伝導量子ビットを流れる永久電流を３００ｎＡ以上、前記超伝導量子ビットから前記ＮＶ中心までの距離を１μｍ以下、前記ＮＶ中心の密度を５×１０¹⁷／ｃｍ³とすることを特徴とする超伝導量子ビットの初期化方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、量子ビットの初期化方法に関するものであり、特に超伝導量子ビットの初期化方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

量子情報処理を実現するにあたって量子ビットの初期化は不可欠な技術である。初期化とは、混合状態となってしまった量子ビットの状態を、純粋状態に戻す操作のことを指す。通常は、準備することが容易な基底状態へ戻すことが多い。

【0003】

従来、量子ビットの初期化は、混合状態となった量子ビットの環境温度を低下させ、該量子ビットを基底状態に収束させることで行っていた。
以下、従来の量子ビットの初期化方法の原理をより具体的に説明する。量子ビットが、デコヒーレンスなどの理由により、混合状態になったとする。このときの量子状態ρは、次式のように表すことができる。
ρ＝｜α｜²｜１＞＜１｜＋｜β｜²｜０＞＜０｜ ・・・（１）

【0004】

ここで、｜１＞は励起状態を、｜０＞は基底状態をそれぞれ表している。｜α｜²は状態｜０＞が観測される確率、｜β｜²は状態｜１＞が観測される確率である。環境の熱エネルギーが、量子ビットの持つエネルギー（励起状態と基底状態とのエネルギー差）よりも十分に小さくなる程度まで、環境の温度を低下させる。すると、混合状態にある量子ビットでも、量子ビットの持つエネルギーが環境へ自然に放出されていく。最終的には、量子ビットは純粋な基底状態｜０＞＜０｜へと集束していく。基底状態へ収束するには、量子ビットのエネルギー緩和時間（すなわち、量子ビットの寿命）程度の時間を要する。そのため、環境温度を低下させた後、さらに量子ビットのエネルギー緩和時間Ｔ₁よりも十分に長い時間待つことで、量子ビットの初期化を行うことができる。

【0005】

このような従来の量子ビットの初期化方法では、複雑なパルス操作などを必要とせずに初期化を行えることが特徴である。一方で、量子ビットを初期化するために、自身のエネルギー緩和時間に応じた長い時間を必要とする、という課題があった。

【0006】

例えば、量子ビットを用いた量子計算に適用する場合、量子ビットを初期化するのみでなく、量子ビットに演算を行わせるためのゲート操作も必要となる。ゲート操作実行中に量子ビットにエネルギー緩和が起こると、ゲートの精度を下げてしまう（すなわち、量子計算にエラーが発生する）ことが知られており、このような精度の低下を回避するためには、エネルギー緩和時間Ｔ₁がゲートの操作時間よりも十分に長い量子ビットを用いる必要がある。しかしながら、エネルギー緩和時間Ｔ₁が長い量子ビットを用いた場合、初期化に要する時間も増大してしまい、量子計算の高速化を妨げる、という課題が発生する。

【0007】

このような課題を解決するために、初期化を行いたい量子ビットと補助量子系との結合を用いた、量子ビットの初期化方法が提案されている（非特許文献１参照）。補助量子系とは、それ自身が量子ビット、あるいは複数の量子ビットが存在する量子ビット群であるが、当該補助量子系のエネルギー緩和時間Ｔ₁’が、初期化を行いたい量子ビットのエネルギー緩和時間Ｔ₁よりも十分に短い系（Ｔ₁’＜＜Ｔ₁）であることが望ましい。

【0008】

以下、補助量子系を用いた従来の量子ビットの初期化方法について説明する。初期化を行いたい量子ビットと補助量子系とは、互いにエネルギーを可換な状態で結合させておく。このような状態において、（Ａ）初期化を行いたい量子ビットにエネルギー制御パルスを印加して、当該量子ビットのエネルギーを補助量子系のエネルギーに近い状態となるよう制御する。その結果、量子ビットと補助量子系とは共鳴（エネルギーを相互に交換する状態）するようになる。

【0009】

（Ｂ）共鳴状態では、量子ビットのエネルギーが補助量子系に移動する。補助量子系に移動したエネルギーは、補助量子系におけるエネルギー緩和により、環境に放出される。補助量子系のエネルギー緩和時間Ｔ₁’は短いため、補助量子系に移動したエネルギーは直ちに環境に放出される。（Ｃ）量子ビットのエネルギーが補助量子系に移動した後、エネルギー制御パルスの印加を停止し、量子ビットと補助量子系とを離調する。以上のような（Ａ）〜（Ｃ）のステップにより、量子ビットの初期化が完了する。なお、量子ビットにゲート操作を行う際には、量子ビットと補助量子系とを離調した状態で行う。これにより、量子ビットは補助量子系における短いエネルギー緩和時間の影響を受けない。

【0010】

量子ビットから補助量子系へのエネルギーの移動に要する時間は、量子ビットと補助量子系との間の結合定数をｇとすると、１０／ｇ〜１００／ｇ程度の時間となる。このエネルギーの移動に要する時間は、量子ビットのエネルギー緩和時間Ｔ₁よりも十分に短く、例えば、量子ビットとして超伝導量子ビット（エネルギー緩和時間Ｔ₁＝１マイクロ秒）を用い、補助量子系としてマイクロ波キャビティを用いた場合、典型的には１００ナノ秒程度である（非特許文献１）。このように、補助量子系を用いた量子ビットの初期化方法では、量子ビットのエネルギー緩和時間よりも短い時間で量子ビットを初期化できるようになる。

【0011】

しかしながら、この量子ビットの初期化方法では、量子ビットと補助量子系との間の結合定数ｇの逆数の、数倍から十数倍の時間をかけなければ精度の良い初期化が行えない。そのため、さらなる高速化が望まれていた。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0012】

【非特許文献1】M.D.Reed et al.，“Fast reset and suppressing spontaneous emission of a superconducting qubit”，APPLIED PHYSICS LETTERS，96，203110，2010

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

従来の補助量子系を用いた量子ビットの初期化方法では、補助量子系を用いない場合に比べて量子ビットを高速に初期化することができるが、それでも、量子ビットと補助量子系との間の結合定数をｇとすると、初期化に１０／ｇ〜１００／ｇ程度の時間を要する。量子ビットを用いた量子計算をさらに高速化させるためには、量子ビットの初期化をさらに短時間で行うことが課題となっていた。

【0014】

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、量子ビットの初期化、特に超伝導量子ビットの初期化を従来よりも短時間で行うことができる超伝導量子ビットの初期化方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

本発明は、超伝導量子ビットを保持可能な超伝導量子回路と補助量子系とが、これら超伝導量子回路と補助量子系の互いのエネルギーが可換な状態で近接して配置された結合系を用いた超伝導量子ビットの初期化方法であって、前記超伝導量子ビットのエネルギーを制御して、前記超伝導量子ビットと前記補助量子系とを共鳴させ、前記超伝導量子ビットと前記補助量子系との間で真空ラビ振動を誘起する第１のステップと、前記共鳴の開始時点から前記真空ラビ振動の周期の半値の時間が経過したときに、前記超伝導量子ビットと前記補助量子系とを離調する第２のステップとを含むことを特徴とするものである。

【0016】

また、本発明の超伝導量子ビットの初期化方法の１構成例において、前記第１のステップは、前記超伝導量子回路と磁気的に結合した制御回路にエネルギー制御パルス電流を流すことにより、前記制御回路に磁場を発生させて前記超伝導量子ビットのエネルギーを制御するステップを含み、前記第２のステップは、前記制御回路に前記エネルギー制御パルス電流を流し始めた時点から前記真空ラビ振動の周期の半値の時間が経過したときに、前記エネルギー制御パルス電流を停止して前記超伝導量子ビットと前記補助量子系とを離調するステップを含むことを特徴とするものである。
また、本発明の超伝導量子ビットの初期化方法の１構成例において、前記補助量子系は、固体中の欠陥またはドーパントに局在する電子スピンの集団である。
また、本発明の超伝導量子ビットの初期化方法の１構成例において、前記超伝導量子ビットと前記補助量子系との結合定数は、前記補助量子系の減衰率よりも大きいことを特徴とする。
また、本発明の超伝導量子ビットの初期化方法の１構成例は、前記補助量子系としてダイヤモンドのＮＶ中心を用いる場合に、前記超伝導量子ビットを流れる永久電流を３００ｎＡ以上、前記超伝導量子ビットから前記ＮＶ中心までの距離を１μｍ以下、前記ＮＶ中心の密度を５×１０¹⁷／ｃｍ³とすることを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、超伝導量子ビットを保持可能な超伝導量子回路と補助量子系とが、これら超伝導量子回路と補助量子系の互いのエネルギーが可換な状態で近接して配置された結合系において、超伝導量子ビットのエネルギーを制御して、超伝導量子ビットと補助量子系とを共鳴させ、超伝導量子ビットと補助量子系との間で真空ラビ振動を誘起し、共鳴の開始時点から真空ラビ振動の周期の半値の時間が経過したときに、超伝導量子ビットと補助量子系とを離調することにより、π／２ｇ程度の時間（ｇは超伝導量子ビットと補助量子系との結合定数）で超伝導量子ビットを基底状態に遷移させることができるので、超伝導量子ビットの初期化時間を、従来の補助量子系を用いた初期化方法に比べて短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明における量子ビットと補助量子系との結合系を説明するための模式図である。

【図2】本発明の超伝導量子ビットの初期化方法を説明するフローチャートである。

【図3】超伝導量子ビットとダイヤモンドのＮＶ中心との間で発生した真空ラビ振動を測定した結果を示す図である。

【図4】図３の結果を得るための測定処理の推移を説明する図である。

【図5】本発明の実施の形態の効果を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

［発明の原理］
本発明は、初期化を行いたい量子ビットと補助量子系とのエネルギーの交換に真空ラビ振動を用いることを特徴としている。
図１は、本発明における量子ビットと補助量子系との結合系（以下、単に結合系と言う）を説明するための模式図である。結合系は、初期化を行いたい量子ビットである超伝導量子ビットを保持可能な超伝導量子回路１と、補助量子系２とが、両者のエネルギーが可換な程度に近接して配置されたものである。

【0020】

図１では、ループ形状の超伝導線からなる超伝導量子回路１の開口面（図１の紙面に平行な面）と、補助量子系２のなす面とが平行になるように近接配置されている。また、超伝導量子回路１のループの少なくとも一部が、補助量子系２の上部または下部を通過するように配置されている。また、結合系には、超伝導量子回路１に磁気的に結合して、超伝導量子ビットのエネルギーを制御するための例えばループ形状の超伝導線からなる制御回路３が設けられている。

【0021】

制御回路３にエネルギー制御パルス電流を流すことにより、制御回路３に磁場が発生し、この磁場が磁気的に結合された超伝導量子回路１に作用し、超伝導量子ビットのエネルギーが制御される。エネルギー制御パルス電流は、通常は直流電流である。すなわち、図１において、エネルギー制御パルス電流は、常に制御回路３を同方向に流れる電流である。なお、制御回路３は、超伝導量子ビットを励起したり、あるいはゲート操作を行う用途に用いてもよい。

【0022】

次に、超伝導量子ビットについて説明する。超伝導材料でループ状に形成された超伝導ループにジョセフソン接合を形成することで、高い非線形性を持った超伝導量子回路１を形成することができる（参考文献１「J.E.Mooij，T.P.Orlando，L.Levitov，Lin Tian，Caspar H.van der Wal，and Seth Lloyd，“Josephson Persistent-Current Qubit”，Science，Vol.285，pp.1036-1039，1999」）。

【0023】

図１の超伝導量子回路１の例では、３個のジョセフソン接合４を形成した例を記載しているが、これに限定されるものではない。制御回路３に、適切に調整された周波数（典型的にはマイクロ波帯）の電流を印加することで、超伝導量子回路１を基底状態と第一励起状態の状態のみに制御することができ、実効的に量子ビット（超伝導量子ビット）を生成することができる。超伝導量子ビットは、エネルギーの制御性に優れており、特に量子ビットの共鳴周波数をナノ秒のオーダーで数ＧＨｚ変化させることができる。

【0024】

次に、超伝導量子ビットに結合させる補助量子系２について説明する。補助量子系２は、超伝導量子ビットと磁気的（inductive）に、もしくは容量的（capacitive）に結合しうる量子ビットあるいは量子ビット群である（上記参考文献１、参考文献２「D.Marcos，M.Wubs，J.M Taylor，R.Aguad，M.D.Lukin，A.S.Sorensen，“Coupling Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond to Superconducting Flux Qubits”，Physical Review Letters，105，210501，2010」、および参考文献３「X.Zhu et al.，“Coherent coupling of a superconducting flux qubit to an electron spin ensemble in diamond”，Nature，Vol.478，pp.221-224，2011」）。

【0025】

超伝導量子ビットと補助量子系２との結合定数をｇ、補助量子系２の減衰率をΓとすると、ｇ＞Γを満たす状態で、超伝導量子ビットと補助量子系２とを共鳴させると、二つの系の間に真空ラビ振動が起こる。真空ラビ振動は、超伝導量子ビットと補助量子系２との間でエネルギーの行き来が起こっていると解釈することができる。超伝導量子ビットと共鳴可能な補助量子系２としては、例えばダイヤモンドのＮＶ中心に現れるスピンアンサンブルや、マイクロ波キャビティなどを用いることができ、すでに様々な量子補助系との間で真空ラビ振動が起こることが実験的に観測されている（参考文献３）。なお、ダイヤモンドのＮＶ中心とは、ダイヤモンド格子中の炭素の置換位置に入った窒素（Ｎ）と、この窒素に隣接する炭素原子が抜けてできた空孔（Ｖ）とからなる複合不純物欠陥である。

【0026】

図１に示す超伝導量子ビットと補助量子系２との結合について説明する。ここで、補助量子系２として、ダイヤモンドのＮＶ中心におけるスピンアンサンブルを用いるものとする。制御回路３を介して超伝導量子回路１が励起されると、超伝導量子回路１を流れる永久電流により、超伝導量子回路１を構成する超伝導ループ近傍に磁場（超伝導磁場５）が発生する。この超伝導磁場５がダイヤモンドのＮＶ中心のスピンアンサンブルに作用し、超伝導量子ビットとスピンアンサンブルとが結合する。

【0027】

次に、超伝導量子ビットと補助量子系２との結合を用いた、超伝導量子ビットの初期化方法について説明する。まず、事前に超伝導量子ビットと補助量子系２との間で起こる真空ラビ振動の周期Ｔをあらかじめ実験で調べておく。超伝導量子ビットと他の系との間で真空ラビ振動が起こると、超伝導量子ビットのエネルギーは周期的に増減を繰り返しながら、最終的にはエネルギー０（基底状態のエネルギー）に到達する。そこで、事前に実験で真空ラビ振動を観測することで、真空ラビ振動の周期Ｔを見積もることができる。

【0028】

図２は本発明の超伝導量子ビットの初期化方法を説明するフローチャートである。なお、超伝導量子ビットは既に混合状態ないしは励起状態にあるものとする。このような状態は、上記のとおり制御回路３に、例えばマイクロ波帯の周波数の電流を印加することで、制御回路３に磁場を発生させ、この磁場を超伝導量子回路１に作用させて、超伝導量子ビットのエネルギーを制御することにより実現することができる。

【0029】

超伝導量子ビットを初期化するには、まず、制御回路３に適切なエネルギー制御パルス電流を流し、超伝導量子ビットと補助量子系２とを共鳴させ、超伝導量子ビットと補助量子系２との間で真空ラビ振動を誘起する（図２ステップＳ１）。

【0030】

次に、制御回路３にエネルギー制御パルス電流を流し始めた時点から、真空ラビ振動の周期の半値Ｔ／２の時間が経過すると（図２ステップＳ２においてＹＥＳ）、超伝導量子ビットのエネルギーは完全に補助量子系２に移る。このタイミングでエネルギー制御パルス電流を停止し、超伝導量子ビットと補助量子系２とを離調する（図２ステップＳ３）。

【0031】

このように、本発明では、超伝導量子ビットと補助量子系２とを共鳴させて真空ラビ振動を発生させ、真空ラビ振動の周期の半値Ｔ／２の時間が経過した時点で超伝導量子ビットと補助量子系２とを離調することにより、超伝導量子ビットのエネルギーが極めて短時間に補助量子系２に移行するため、超伝導量子ビットの高速な初期化が実現できる。

【0032】

初期化に要する時間（すなわち真空ラビ振動の周期の半値Ｔ／２）は、超伝導量子ビットと補助量子系２との結合定数をｇとすると、π／（２ｇ）の時間となるため、従来の補助量子系を用いた量子ビットの初期化方法に比べて、少なくとも１桁以上の高速化（初期化時間の短縮）を実現できる。

【0033】

［実施の形態］
以下では、本発明の実施の形態として、超伝導量子ビットとダイヤモンドのＮＶ中心との結合系による、超伝導量子ビットの初期化方法について説明する。超伝導量子ビットとダイヤモンドのＮＶ中心との結合系の構成は、図１と同様であるので、図１の符号を用いて説明する。

【0034】

超伝導量子ビットを構成する超伝導量子回路１の直上数百ｎｍの位置に、濃度が１ｃｍ³あたり１０¹⁶から１０¹⁸個程度のＮＶ^-中心を含有したダイヤモンド単結晶試料（補助量子系２）を固定する。この試料は、極めて高純度なダイヤモンド単結晶にイオンを注入するか、もしくは電子線を照射することで作製する。このとき、超伝導量子ビットとしてはギャップ可変なものを用いる。超伝導量子ビットの量子状態は、超伝導量子回路１の外部から照射する共鳴マイクロ波（図１では不図示）によって任意の回転を行うことができる。この量子状態の制御は、上記のとおり制御回路３を用いて行ってもよい。

【0035】

超伝導量子ビットとダイヤモンドのＮＶ中心との結合の強度は、超伝導量子回路１を流れる超伝導電流が大きいほど、強度も大きくなる（すなわち、結合定数ｇも大きくなる）。超伝導量子回路１に形成するジョセフソン接合４の臨界電流値を予め適切に設計しておくことによって、超伝導量子回路１に流れる永久電流を１μＡ程度まで流すことができ、これにより超伝導量子ビットとダイヤモンドのＮＶ中心との強結合が可能になる（参考文献３）。また、ダイヤモンドのＮＶ中心のエネルギー緩和時間Ｔ₁’は数十ナノ秒程度であり、超伝導量子ビットの数マイクロ秒のエネルギー緩和時間Ｔ₁と比べて、きわめて短い。

【0036】

図３は、超伝導量子ビットとダイヤモンドのＮＶ中心との間で発生した真空ラビ振動を測定した結果を示す図である。図３の横軸は超伝導量子ビットとダイヤモンドのＮＶ中心とを共鳴させている時間τを表し、縦軸は超伝導量子ビットが励起する確率Ｐ_SWを表している。超伝導量子ビットの励起確率Ｐ_SWは、超伝導量子ビットのエネルギーと関係し、励起確率が０であることは、超伝導量子ビットのエネルギーがダイヤモンドのＮＶ中心に渡されたことを意味する。

【0037】

図３の結果を得るために、図４に示すように事前にマイクロ波πパルスを超伝導量子回路１に印加し、励起状態にある超伝導量子ビットを生成する。その上で、制御回路３に時間τだけエネルギー制御パルス電流を流して超伝導量子ビットのエネルギーを制御し、超伝導量子ビットとダイヤモンドのＮＶ中心とを共鳴させる。そして、時間τが経過した後に、図１には図示していない測定系を用いて、超伝導量子ビットの励起確率Ｐ_SWを測定する。このようにして得られたのが図３の結果である。図３では、制御回路３にエネルギー制御パルス電流を流す時間τを変化させて、超伝導量子ビットの励起確率Ｐ_SWをプロットしている。

【0038】

図３によると、超伝導量子ビットの励起確率Ｐ_SWが周期的に振動しており、真空ラビ振動が発生していることが分かる。つまり、超伝導量子ビットが保有していたエネルギーは、超伝導量子ビットとダイヤモンドのＮＶ中心との間を行き来している。図３の測定結果では、真空ラビ振動の周期Ｔは６０ナノ秒程度であった。

【0039】

したがって、図３の測定に用いた系においては、超伝導量子ビットとダイヤモンドのＮＶ中心とを共鳴させた後、３０ナノ秒経過後にエネルギー制御パルス電流を停止すれば、超伝導量子ビットの全てのエネルギーをダイヤモンドのＮＶ中心のスピンアンサンブルに移動させることができ、超伝導量子ビットは基底状態へ収束し、初期化されることが分かる。

【0040】

図５は、本実施の形態の効果を説明する図であり、本実施の形態により超伝導量子ビットが初期化されたことを実験的に証明する図である。図５の横軸は超伝導量子ビットとダイヤモンドのＮＶ中心とを共鳴させている時間τを表し、縦軸は超伝導量子ビットのスイッチ確率を表している。この図５は、超伝導量子ビットとダイヤモンドのＮＶ中心との結合系における真空ラビ振動の周期がＴ＝４５ｎｓｅｃとなる状態で測定したものである。前述のとおり、真空ラビ振動の周期Ｔは、超伝導量子ビットとダイヤモンドのＮＶ中心との結合定数ｇに依存し、π／ｇに相当する。したがって、図５の測定に用いた結合系の結合定数ｇは、図３の測定に用いた結合系の結合定数ｇよりも大きい。

【0041】

つまり、図５は、超伝導量子ビットとダイヤモンドのＮＶ中心とを共鳴させた後、真空ラビ振動の周期の半値（Ｔ／２＝２２．５ｎｓｅｃ）の時間で共鳴を停止させたときの、超伝導量子ビットのスイッチ確率の時間遷移を示している。図５の１０は共鳴前の超伝導量子ビットが励起状態にあったときの測定結果を示し、図５の１１は共鳴前の超伝導量子ビットが混合状態にあったときの測定結果を示している。なお、スイッチ確率は、超伝導量子回路１で生成する超伝導量子ビットの励起確率に相関するものであり、スイッチ確率を励起確率と読み替えても問題ない。

【0042】

図５によれば、超伝導量子ビットが励起状態／混合状態のいずれにあったとしても、共鳴開始から真空ラビ振動の周期の半値（Ｔ／２＝２２．５ｎｓｅｃ）の時間が経過した後には、超伝導量子ビットはほぼ基底状態に遷移しており、超伝導量子ビットのエネルギーがダイヤモンドのＮＶ中心のスピンアンサンブルに移動し、超伝導量子ビットが初期化されていることが分かる。

【0043】

なお、混合状態の超伝導量子ビットの初期化については、以下のように理解することができる。超伝導量子ビットの量子状態ρが式（１）に示したような混合状態になったと仮定する。このとき、超伝導量子ビットをダイヤモンドのＮＶ中心と共鳴させて真空ラビ振動を起こして、真空ラビ振動の周期Ｔの１／２に相当する時間が経過したときに、超伝導量子ビットをダイヤモンドのＮＶ中心から離調する。この操作により、（I）｜α｜²の確率で真空ラビにより超伝導量子ビットのエネルギーがダイヤモンドのＮＶ中心へ受け渡される、（II）｜β｜²の確率で超伝導量子ビットは初めから基底状態なので真空ラビは起こらない、のいずれかが起きる。（I）、（II）の場合でも、超伝導量子ビットの状態は純粋な基底状態｜０＞＜０｜へと変化する。

【0044】

以上説明してきたように、本実施の形態では、超伝導量子ビットを保持可能な超伝導量子回路１とダイヤモンドのＮＶ中心（補助量子系２）とが、両者のエネルギーが可換な程度に近接して配置され、超伝導量子回路１に磁気的に結合して超伝導量子ビットのエネルギーを制御することができる制御回路３を備えてなる結合系において、制御回路３にエネルギー制御パルス電流を流して、超伝導量子ビットとダイヤモンドのＮＶ中心との間で真空ラビ振動を誘起し（ステップＳ１）、真空ラビ振動の周期の半値Ｔ／２の時間が経過したときにエネルギー制御パルス電流を停止し、超伝導量子ビットと補助量子系とを離調することで（ステップＳ２，Ｓ３）、π／２ｇ程度の時間で超伝導量子ビットを基底状態に遷移させることができるので、超伝導量子ビットの初期化時間を、従来の補助量子系を用いた初期化方法に比べて少なくとも１桁以上短縮することができる。

【0045】

なお、スピンアンサンブル（電子スピン集団）を有する補助量子系としてダイヤモンドのＮＶ中心を用いる場合、超伝導量子ビットと補助量子系との結合定数ｇは、超伝導量子ビットを流れる永久電流の値と、超伝導量子ビットからＮＶ中心までの距離と、ＮＶ中心の密度とによって決まる。一方で、補助量子系２の減衰率Γは、主にＮＶ中心の密度によって決まる。そのため、超伝導量子ビットを流れる永久電流を３００ｎＡ以上、超伝導量子ビットからＮＶ中心までの距離を１μｍ以下、ＮＶ中心の密度を５×１０¹⁷／ｃｍ³程度に設計することで、ｇ＞Γの条件を達成することが可能である。

【0046】

また、本実施の形態では、スピンアンサンブル（電子スピン集団）を有する補助量子系としてダイヤモンドのＮＶ中心を用いているが、これに限るものではなく、補助量子系として、エルビウムドープ結晶、もしくはシリコン中のビスマスなど、固体中の欠陥やドーパントに局在する、超伝導量子ビットと磁気的に結合できるあらゆるスピンアンサンブルを用いることが可能である。また、スピンアンサンブルのみならず、マイクロ波キャビティなどを補助量子系に用いても同様の操作が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0047】

本発明は、量子ビットを初期化する技術に適用することができる。

【符号の説明】

【0048】

１…超伝導量子回路、２…補助量子系、３…制御回路、４…ジョセフソン接合、５…超伝導磁場。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】