特許 6899615 光周波数の光子を用いたマイクロ波周波数量子ビットの量子状態の読み出しの方法およびシステム

(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】6899615

(24)【登録日】2021年6月17日

(45)【発行日】2021年7月7日

(54)【発明の名称】光周波数の光子を用いたマイクロ波周波数量子ビットの量子状態の読み出しの方法およびシステム

(51)【国際特許分類】

   G02F 3/00 20060101AFI20210628BHJP

   G02F 1/377 20060101ALI20210628BHJP

   B82Y 10/00 20110101ALI20210628BHJP

【ＦＩ】

   G02F3/00

   G02F1/377

   B82Y10/00

【請求項の数】17

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2018-563692(P2018-563692)

(86)(22)【出願日】2017年6月20日

(65)【公表番号】特表2019-522815(P2019-522815A)

(43)【公表日】2019年8月15日

(86)【国際出願番号】IB2017053659

(87)【国際公開番号】WO2018002770

(87)【国際公開日】20180104

【審査請求日】2019年11月25日

(31)【優先権主張番号】15/198,240

(32)【優先日】2016年6月30日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390009531

【氏名又は名称】インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100108501

【弁理士】

【氏名又は名称】上野 剛史

(74)【代理人】

【識別番号】100112690

【弁理士】

【氏名又は名称】太佐 種一

(72)【発明者】

【氏名】パイク、ハンヘー

(72)【発明者】

【氏名】オーカット、ジェイソン、スコット

(72)【発明者】

【氏名】ビショップ、レフ、サミュエル

(72)【発明者】

【氏名】ガンベッタ、ジェイ

(72)【発明者】

【氏名】ローゼン、ジェームズ

【審査官】 山本 元彦

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１３−５００５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０２８９６３８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０３１４４１９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｆ １／００−１／１２５、１／２１−７／００

Ｇ０２Ｂ ６／１２−６／１４

Ｇ０６Ｎ １０／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｎ個のマイクロ波共振器にそれぞれ結合されたＮ個の量子ビットを読み取る方法であって、
Ｎ個のマイクロ波入力読み出し信号を、Ｎ個のマイクロ波共振器周波数で、前記Ｎ個の量子ビットをそれぞれ結合する前記Ｎ個のマイクロ波共振器に入力することであって、Ｎが整数であり、前記Ｎ個のマイクロ波共振器周波数のうちの１つが、前記Ｎ個のマイクロ波共振器のうちの１つに個々に対応する、前記入力することと、
Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号を前記Ｎ個のマイクロ波共振器からＮ個のマイクロ波／光変換器に出力することであって、前記Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号が、前記Ｎ個の量子ビットの量子ビット状態を個々に含んでおり、前記Ｎ個のマイクロ波／光変換器が、前記Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号をＮ個の光信号に変換するように構成されており、かつ、光子検出器が結合された出力側の光導波管を有しており、前記Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号のうちの１つが、前記Ｎ個の量子ビットのうちの１つに個々に対応する、前記出力することと、
前記Ｎ個のマイクロ波／光変換器によって前記Ｎ個の光信号のいずれかが出力され、前記光子検出器が出力された光信号を検出したことに応答して、前記Ｎ個の量子ビットのうちの対応する量子ビットが事前に定義された量子ビット状態にあるということを決定することと、
前記Ｎ個のマイクロ波／光変換器のいずれかによって光信号が出力されず、前記光子検出器が光信号の検出に失敗したことに応答して、前記Ｎ個の量子ビットのうちの対応する量子ビットが前記事前に定義された量子ビット状態にないということを決定することとを含んでいる、方法。

【請求項2】

Ｎ＝１である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記量子ビットが前記事前に定義された量子ビット状態にあるということを決定することが、前記マイクロ波／光変換器によって前記マイクロ波出力読み出し信号を前記光信号に変換することを含んでいる、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記マイクロ波／光変換器によって前記光信号を出力することをさらに含んでいる、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

サーキュレータが、前記マイクロ波出力読み出し信号を前記マイクロ波共振器から受信し、前記マイクロ波出力読み出し信号を前記マイクロ波／光変換器に向けるよう構成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

前記光子検出器による前記光信号の検出が、前記量子ビットが前記事前に定義された量子ビット状態にあるということの決定に使用される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

前記光子検出器が、前記マイクロ波／光変換器から出力された光信号を検出しないことに応答して、光信号を前記検出しないことが、前記量子ビットが前記事前に定義された量子ビット状態にないということの決定に使用される、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項8】

前記マイクロ波出力読み出し信号が前記マイクロ波／光変換器のしきい値を下回り、それによって、前記マイクロ波／光変換器が光信号を出力しないので、前記光子検出器によって光信号が検出されない、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記マイクロ波／光変換器が、電子光学デバイス、光学機械デバイス、圧電光学デバイス、および磁気光学デバイスから成る群から選択されるデバイスである、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。

【請求項10】

前記マイクロ波共振器がマイクロ波空洞である、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。

【請求項11】

前記マイクロ波共振器、前記量子ビット、および前記マイクロ波／光変換器が、事前に定義された温度に冷却される、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の方法。

【請求項12】

前記事前に定義された温度の範囲が約０．０１〜０．１ケルビンである、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記Ｎ個のマイクロ波／光変換器が、前記Ｎ個の光信号を、光回線上に出力される１つの光信号に多重化するように構成されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。

【請求項14】

Ｎ個の量子ビットを読み取るためのシステムであって、
前記Ｎ個の量子ビットに結合されたＮ個のマイクロ波共振器であって、Ｎ個のマイクロ波入力読み出し信号をＮ個のマイクロ波共振器周波数で受信し、Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号を出力するように構成されており、Ｎが整数である、前記Ｎ個のマイクロ波共振器と、
前記Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号を前記Ｎ個のマイクロ波共振器から受信するように構成されたＮ個のマイクロ波／光変換器であって、前記Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号が、前記Ｎ個の量子ビットの量子ビット状態を個々に含んでおり、前記Ｎ個のマイクロ波／光変換器が、前記Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号をＮ個の光信号に変換するように構成されており、かつ、光子検出器が結合された出力側の光導波管を有しており、前記Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号のうちの１つが前記Ｎ個の量子ビットのうちの１つに個々に対応しており、前記Ｎ個の光信号のうちの対応する光信号が前記Ｎ個のマイクロ波／光変換器のうちの対応するマイクロ波／光変換器によって出力され、前記光子検出器が出力された光信号を検出したときに、前記Ｎ個の量子ビットのうちの量子ビットが、事前に定義された量子ビット状態にあるようにそれぞれ定義されており、前記Ｎ個の光信号のうちの対応する光信号が前記Ｎ個のマイクロ波／光変換器のうちの対応するマイクロ波／光変換器によって出力されず、前記光子検出器が光信号の検出に失敗したときに、前記Ｎ個の量子ビットのうちの対応する量子ビットが、前記事前に定義された量子ビット状態にないように定義されている、前記Ｎ個のマイクロ波／光変換器とを備えている、システム。

【請求項15】

Ｎ＝１である、請求項１４に記載のシステム。

【請求項16】

前記マイクロ波／光変換器を前記マイクロ波共振器に結合する１つまたは複数のマイクロ波導波管をさらに備えている、請求項１４または１５に記載のシステム。

【請求項17】

１つまたは複数の量子ビットを読み取るための読み出しシステムであって、
１つまたは複数のマイクロ波導波管と、
１つまたは複数の光導波管と、
前記１つまたは複数のマイクロ波導波管を介して前記１つまたは複数の量子ビットに対応する１つまたは複数のマイクロ波出力読み出し信号を受信するように構成された１つまたは複数のマイクロ波／光変換器であって、前記１つまたは複数の光導波管には、光子検出器が結合されており、前記１つまたは複数の光導波管を介して、事前に定義された量子ビット状態にある前記１つまたは複数の量子ビットの１つまたは複数の光信号を出力するように構成されており、前記事前に定義された量子ビット状態にない前記１つまたは複数の量子ビットの光信号を出力しないように構成されており、前記光子検出器が光信号を検出するか失敗するかに応じて前記１つまたは複数の量子ビット各々が前記事前に定義された量子ビット状態にあるか否かが決定される、前記１つまたは複数のマイクロ波／光変換器とを備えている、システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光電子デバイスに関し、さらに詳細には、光周波数の光子（optical frequency photon）を用いたマイクロ波周波数量子ビット（microwave frequency qubit）の量子状態の読み出しに関する。

【背景技術】

【0002】

回路量子電磁力学と呼ばれる１つのアプローチでは、量子コンピューティングは、量子情報をマイクロ波周波数で操作および格納するための量子ビットと呼ばれる非線形超伝導デバイス、および量子ビットを読み出し、量子ビット間の相互作用を容易にするための（例えば、２次元（２Ｄ：two-dimensional）平面導波管として、または３次元（３Ｄ：three-dimensional）マイクロ波空洞として）共振器を採用する。１つの例として、各超伝導量子ビットは、１つまたは複数のジョセフソン接合を含んでよく、ジョセフソン接合は、この接合と並列なコンデンサによって分路される。量子ビットは、２Ｄまたは３Ｄマイクロ波空洞に容量結合される。量子ビットに関連付けられた電磁エネルギーは、ジョセフソン接合、ならびに量子ビットを形成する容量性素子および誘導性素子に蓄積される。

【0003】

１つの例では、量子ビット状態を読み出すために、量子ビット状態Ａに対応する空洞周波数で、量子ビットに結合されたマイクロ波読み出し空洞（microwave readout cavity）に、マイクロ波信号が加えられる。送信された（または反射された）マイクロ波信号は、ノイズを遮断または低減し、信号対ノイズ比を改善するために必要な、複数の断熱段および低ノイズ増幅器を通過する。マイクロ波信号は、室温で測定される。高いマイクロ波信号は、量子ビットが状態Ａであることを示す。マイクロ波の読み出しは、制御用の安定した信号振幅を提供し、民生（ＣＯＴＳ：commercial off-the-shelf）ハードウェアを使用して、マイクロ波周波数範囲の大部分をカバーすることができる。しかし、マイクロ波読み出し信号（microwave readout signal）は、熱ノイズから分離されなければならず、ノイズの付加を最小限に抑えて増幅されなければならない。

【0004】

超伝導量子ビットなどの量子システムは、特にマイクロ波領域および赤外線領域において、電磁ノイズに非常に敏感である。マイクロ波ノイズおよび赤外線ノイズからこれらの量子システムを保護するために、フィルタリング、減衰、および分離の複数の層が適用される。特に興味深いのは、量子システムに接続され、量子システムへの入力信号および量子システムからの出力信号を運ぶ入出力（Ｉ／Ｏ：input and output）線（伝送線とも呼ばれる）で採用される保護の層である。超伝導量子ビットの場合、これらのＩ／Ｏ線（伝送線）は、通常、マイクロ波同軸線またはマイクロ波導波管である。これらの伝送線に伝搬するか、または漏れるノイズを遮断または減衰させるために使用される技術またはコンポーネントの一部は、減衰器、サーキュレータ、アイソレータ、マイクロ波ローパス・フィルタ、マイクロ波バンドパス・フィルタ、および赤外線フィルタであり、これらは、損失の多い吸収物質に基づいている。しかし、これらのノイズ分離コンポーネントおよびマイクロ波信号増幅技術は、多大な追加のマイクロ波ハードウェアおよびコストを必要とする。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、マイクロ波共振器に結合された量子ビットの読み取りに関する技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

第１の態様から見ると、本発明は、Ｎ個のマイクロ波共振器にそれぞれ結合されたＮ個の量子ビットを読み取る方法を提供し、この方法は、Ｎ個のマイクロ波入力読み出し信号（microwave input readout signal）を、Ｎ個のマイクロ波共振器周波数（microwave resonator frequencies）で、Ｎ個の量子ビットをそれぞれ結合するＮ個のマイクロ波共振器に入力することであって、Ｎが整数であり、Ｎ個のマイクロ波共振器周波数のうちの１つが、Ｎ個のマイクロ波共振器のうちの１つに個々に対応する、入力することと、Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号（microwave output readout signals）を、Ｎ個のマイクロ波共振器から、Ｎ個のマイクロ波／光変換器（microwave to optical converter）に出力することであって、Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号が、Ｎ個の量子ビットの量子ビット状態を個々に含んでおり、Ｎ個のマイクロ波／光変換器が、Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号をＮ個の光信号に変換するように構成されており、Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号のうちの１つがＮ個の量子ビットのうちの１つに個々に対応する、出力することと、Ｎ個の光信号のいずれかがＮ個のマイクロ波／光変換器によって出力されることに応答して、Ｎ個の量子ビットのうちの対応する量子ビットが、事前に定義された量子ビット状態にあるということを決定することと、光信号がＮ個のマイクロ波／光変換器のいずれかよって出力されないことに応答して、Ｎ個の量子ビットのうちの対応する量子ビットが、事前に定義された量子ビット状態にないということを決定することとを含む。

【0007】

好ましくは、本発明は、Ｎ＝１である方法を提供する。

【0008】

さらに別の態様から見ると、本発明は、Ｎ個の量子ビットを読み取るためのシステムを提供し、このシステムは、Ｎ個の量子ビットに結合されたＮ個のマイクロ波共振器であって、Ｎ個のマイクロ波入力読み出し信号をＮ個のマイクロ波共振器周波数で受信し、Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号を出力するように構成されており、Ｎが整数である、Ｎ個のマイクロ波共振器と、Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号をＮ個のマイクロ波共振器から受信するように構成されたＮ個のマイクロ波／光変換器であって、Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号が、Ｎ個の量子ビットの量子ビット状態を個々に含んでおり、Ｎ個のマイクロ波／光変換器が、Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号をＮ個の光信号に変換するように構成されており、Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号のうちの１つがＮ個の量子ビットのうちの１つに個々に対応しており、Ｎ個の光信号のうちの対応する光信号がＮ個のマイクロ波／光変換器のうちの対応するマイクロ波／光変換器によって出力されるときに、Ｎ個の量子ビットのうちの量子ビットが、事前に定義された量子ビット状態にあるようにそれぞれ定義されており、Ｎ個の光信号のうちの対応する光信号がＮ個のマイクロ波／光変換器のうちの対応するマイクロ波／光変換器によって出力されないときに、Ｎ個の量子ビットのうちの対応する量子ビットが、事前に定義された量子ビット状態にないように定義されている、Ｎ個のマイクロ波／光変換器とを備える。

【0009】

好ましくは、本発明は、Ｎ＝１であるシステムを提供する。

【0010】

さらに別の態様から見ると、本発明は、１つまたは複数の量子ビットを読み取るためのシステムを提供し、この読み出しシステムは、１つまたは複数のマイクロ波導波管と、１つまたは複数の光導波管と、１つまたは複数の導波管を介して１つまたは複数の量子ビットに対応する１つまたは複数のマイクロ波読み出し信号を受信するように構成された１つまたは複数のマイクロ波／光変換器であって、１つまたは複数の光導波管を介して、事前に定義された量子ビット状態にある１つまたは複数の量子ビットの１つまたは複数の光信号を出力するように構成されており、事前に定義された量子ビット状態にない１つまたは複数の量子ビットの光信号を出力しないように構成されている、１つまたは複数のマイクロ波／光変換器とを備える。

【0011】

１つまたは複数の実施形態によれば、マイクロ波共振器に結合された量子ビットを読み取る方法が提供される。この方法は、マイクロ波信号を、マイクロ波共振器周波数で、量子ビットに結合されたマイクロ波共振器に入力することと、マイクロ波読み出し信号をマイクロ波共振器からマイクロ波／光変換器に出力することとを含む。また、マイクロ波読み出し信号は量子ビットの量子ビット状態を含み、マイクロ波／光変換器は、マイクロ波読み出し信号を光信号に変換するように構成される。さらに、この方法は、光信号がマイクロ波／光変換器によって出力されることに応答して、量子ビットが事前に定義された量子ビット状態にあるということを決定することと、光信号がマイクロ波／光変換器によって出力されないことに応答して、量子ビットが事前に定義された量子ビット状態にないということを決定することとを含む。

【0012】

１つまたは複数の実施形態によれば、Ｎ個のマイクロ波共振器にそれぞれ結合されたＮ個の量子ビットを読み取る方法が提供される。この方法は、Ｎ個のマイクロ波入力読み出し信号を、Ｎ個のマイクロ波共振器周波数で、Ｎ個の量子ビットをそれぞれ結合するＮ個のマイクロ波共振器に入力することを含み、Ｎは整数であり、Ｎ個のマイクロ波共振器周波数のうちの１つが、Ｎ個のマイクロ波共振器のうちの１つに個々に対応する。この方法は、Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号をＮ個のマイクロ波共振器からＮ個のマイクロ波／光変換器に出力することを含む。Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号は、Ｎ個の量子ビットの量子ビット状態を個々に含む。Ｎ個のマイクロ波／光変換器は、Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号をＮ個の光信号に変換するように構成されており、Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号のうちの１つは、Ｎ個の量子ビットのうちの１つに個々に対応する。また、この方法は、Ｎ個の光信号のいずれかがＮ個のマイクロ波／光変換器によって出力されることに応答して、Ｎ個の量子ビットのうちの対応する量子ビットが事前に定義された量子ビット状態にあるということを決定することと、光信号がＮ個のマイクロ波／光変換器のいずれかによって出力されないことに応答して、Ｎ個の量子ビットのうちの対応する量子ビットが事前に定義された量子ビット状態にないということを決定することとを含む。

【0013】

１つまたは複数の実施形態によれば、量子ビットを読み取るためのシステムが提供される。このシステムは、量子ビットに結合されたマイクロ波共振器を含む。マイクロ波共振器は、マイクロ波共振器周波数でマイクロ波信号を受信し、マイクロ波読み出し信号を出力するように構成されており、マイクロ波読み出し信号は量子ビットの量子ビット状態を含む。このシステムは、マイクロ波読み出し信号をマイクロ波共振器から受信するように構成されたマイクロ波／光変換器を含む。マイクロ波／光変換器は、マイクロ波読み出し信号を光信号に変換するように構成されており、光信号がマイクロ波／光変換器によって出力されるときに、量子ビットは、事前に定義された量子ビット状態にあるように定義される。光信号がマイクロ波／光変換器によって出力されないときに、量子ビットは、事前に定義された量子ビット状態にないように定義される。

【0014】

１つまたは複数の実施形態によれば、Ｎ個の量子ビットを読み取るためのシステムが提供される。このシステムは、Ｎ個の量子ビットに結合されたＮ個のマイクロ波共振器を含み、Ｎ個のマイクロ波共振器は、Ｎ個のマイクロ波入力読み出し信号をＮ個のマイクロ波共振器周波数で受信し、Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号を出力するように構成されており、Ｎは整数である。Ｎ個のマイクロ波／光変換器は、Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号をＮ個のマイクロ波共振器から受信するように構成されており、Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号は、Ｎ個の量子ビットの量子ビット状態を個々に含む。Ｎ個のマイクロ波／光変換器は、Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号をＮ個の光信号に変換するように構成される。Ｎ個のマイクロ波出力読み出し信号のうちの１つは、Ｎ個の量子ビットのうちの１つに個々に対応し、Ｎ個の光信号のうちの対応する光信号が、Ｎ個のマイクロ波／光変換器のうちの対応するマイクロ波／光変換器によって出力されるときに、Ｎ個の量子ビットのうちの量子ビットは、事前に定義された量子ビット状態にあるようにそれぞれ定義される。Ｎ個の光信号のうちの対応する光信号が、Ｎ個のマイクロ波／光変換器のうちの対応するマイクロ波／光変換器によって出力されないときに、Ｎ個の量子ビットのうちの対応する量子ビットは、事前に定義された量子ビット状態にないように定義される。

【0015】

１つまたは複数の実施形態によれば、１つまたは複数の量子ビットを読み取るための読み出しシステムが提供される。読み出しシステムは、１つまたは複数のマイクロ波導波管と、１つまたは複数の光導波管と、１つまたは複数の導波管を介して、１つまたは複数の量子ビットに対応する１つまたは複数のマイクロ波読み出し信号を受信するように構成された１つまたは複数のマイクロ波／光変換器とを含む。１つまたは複数のマイクロ波／光変換器は、１つまたは複数の光導波管を介して、事前に定義された量子ビット状態にある１つまたは複数の量子ビットの１つまたは複数の光信号を出力するように構成される。１つまたは複数のマイクロ波／光変換器は、事前に定義された量子ビット状態にない１つまたは複数の量子ビットの光信号を出力しないように構成される。

【0016】

ここで、添付の図面を例としてのみ参照し、本発明の実施形態について説明する。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】１つまたは複数の実施形態による、量子システムの測定のためのアーキテクチャ／マイクロ波および光装置（architecture/microwave and optical apparatus）（量子ビット読み出しシステム）の回路図である。

【図2】１つまたは複数の実施形態による、読み出しアーキテクチャ／マイクロ波および光装置（readout architecture/microwave and optical apparatus）の動作例を示すフローチャートである。

【図3】１つまたは複数の実施形態による、量子システムの測定のためのアーキテクチャ／マイクロ波および光装置の回路図である。

【図4】１つまたは複数の実施形態による、量子システムの測定のためのアーキテクチャ／マイクロ波および光装置の回路図である。

【図5】１つまたは複数の実施形態による、量子システムの測定のためのアーキテクチャ／マイクロ波および光装置の回路図である。

【図6】１つまたは複数の実施形態による、マイクロ波読み出し共振器（microwave readout resonator）に結合された量子ビットを読み取る方法のフローチャートである。

【図7】１つまたは複数の実施形態による、Ｎ個のマイクロ波読み出し共振器にそれぞれ結合されたＮ個の量子ビットを読み取る方法のフローチャートである。

【図8】量子ビットごとの従来の読み出しと、１つまたは複数の実施形態による量子ビットごとのマイクロ波／光変換を使用した読み出しを示す表である。

【図9】１つまたは複数の実施形態による、Ｎ個の量子ビットの読み出しのハードウェア要件の比較を示す表である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本明細書では、関連する図面を参照して、さまざまな実施形態が説明される。本書の範囲を逸脱することなく、代替の実施形態を考案することができる。以下の説明および図面において、要素間のさまざまな接続および位置関係（例えば、上、下、隣接など）が示されるということに注意する。それらの接続または位置関係あるいはその両方は、特に規定されない限り、直接的または間接的であってよく、この点において限定するよう意図されていない。したがって、各実体の結合は、直接的結合または間接的結合を指してよく、各実体間の位置関係は、直接的位置関係または間接的位置関係であってよい。間接的位置関係の一例として、層「Ｂ」の上に層「Ａ」を形成することへの言及は、層「Ａ」および層「Ｂ」の関連する特性および機能が中間層によって大幅に変更されない限り、１つまたは複数の中間層（例えば、層「Ｃ」）が層「Ａ」と層「Ｂ」の間にある状況を含んでいる。

【0019】

１つまたは複数の実施形態は、マイクロ波読み出し信号を光子に変換することによって量子ビットの量子状態を読み出すためのデバイスおよび方法を含む。試験者は、光ファイバを介して、量子ビット状態に関する情報を含む光子を受信することによって、室温で（光子測定デバイスを介して）量子ビット状態を測定する。

【0020】

最先端のシステムにおける標準的なマイクロ波の制御および読み出しの設定について説明する。単一の量子ビットの読み出しのための標準的なハードウェアのオーバーヘッドとして、３つのアイソレータ、１つ〜２つのサーキュレータ、２つの増幅器、同軸ケーブル、およびすべてのコンポーネントの良好な熱化が必要である。１量子ビットあたりの体積（体積／量子ビット）は、約０．００１立方メートル（ｍ^３）であり、１量子ビットあたりの重量（重量／量子ビット）は、約１キログラム（ｋｇ）である。最先端の読み出しの設定は、拡張不能であり、例えば、１００量子ビットの読み出しの設定全体が現在の最先端の希釈冷凍機に収まらないため、１００量子ビットに拡張することができない。最先端のマイクロ波の読み出しには、大量のハードウェア（大きい設置面積、大きい質量、および大きい熱質量）が必要である。

【0021】

各実施形態は、光ファイバを含む出力チェーンが大きい熱質量を有していない、より小さくて軽い読み出しシステムを提供する。１つまたは複数の実施形態は、１００量子ビット以上に拡張可能な解決策を提供する。１つまたは複数の実施形態では、Ｎ（Ｎは１よりも大きい整数）個の量子ビットに対して、多重化が利用されてよい。

【0022】

ここで図を参照すると、図１は、１つまたは複数の実施形態による、アーキテクチャ／マイクロ波および光装置１００（量子ビット読み出しシステム）の回路図であり、量子システムの測定を示している。図１は反射における量子システムの測定を示しているが、量子システムが送信において動作する場合に測定が行われてよいということが、理解されるべきである。読み出し共振器が送信において動作する場合、入力信号および出力信号は、同じ伝送線を共有せず、一般性を失うことなく、入力信号が１本の伝送線に入り、出力信号が別の伝送線から出る。読み出し共振器が反射において動作する場合、図１に示されているように、入力信号および出力信号は両方とも同じ伝送線を共有する。

【0023】

読み出しアーキテクチャ／マイクロ波および光装置１００は、マイクロ波／光変換器を使用したマイクロ波量子ビット（microwave qubit）の読み出し用である。アーキテクチャ／マイクロ波および光装置１００は、マイクロ波量子ビット読み出しデバイス６０内のマイクロ波／光変換器５０を利用する。

【0024】

読み出しアーキテクチャ／マイクロ波および光装置１００は、マイクロ波量子ビット７２およびマイクロ波読み出し共振器７４である量子システム７０を含んでいる。１つの例では、量子システム７０は超伝導量子システムであってよく、マイクロ波量子ビット７２は超伝導量子ビットであってよい。１つの例では、マイクロ波読み出し共振器７４は、２次元（２Ｄ）マイクロ波空洞または３次元（３Ｄ）マイクロ波空洞として実装されてよい。

【0025】

マイクロ波読み出し共振器７４は、マイクロ波量子ビット７２の状態を読み取る（すなわち、探査する）ように設計される。１つの実装では、マイクロ波量子ビット７２は、ジョセフソン接合を含んでいる超伝導トランズモン量子ビットであってよい。１つの実装では、マイクロ波量子ビット７２は、マイクロ波読み出し共振器７４に容量結合される。マイクロ波読み出し共振器に関して、さまざまな設計が存在する。マイクロ波読み出し共振器７４の例は、インダクタおよびコンデンサ、同一平面上の導波管共振器、同一平面上のストリップライン共振器、集中素子共振器、３Ｄ導波管空洞、または円筒空洞、あるいはその組み合わせを含んでよい。マイクロ波量子ビット７２は、説明の目的ではトランズモン量子ビット回路であってよいが、マイクロ波量子ビット７２が、限定されるように意図されておらず、トランズモン量子ビット回路ではない他の超伝導量子ビット回路にも適用されると理解されるということに注意する。

【0026】

この例では、１つの量子ビット７２および１つの読み出し共振器７４が示されているが、量子システム７０は、１つまたは複数の量子ビット７２および１つまたは複数のマイクロ波読み出し共振器７４を含んで／表してよく、各量子ビット７２は、それ自身のマイクロ波読み出し共振器７４に結合される。

【0027】

読み出しデバイス６０は、マイクロ波サーキュレータ８０、マイクロ波／光変換器５０、および終端点３０を含む。読み出しシステム１００は、マイクロ波導波管１、７１、および８１としての伝送線、ならびにマイクロ波／光変換器５０の入力側および出力側にある光導波管２および４を含んでいる。読み出しデバイス６０および量子システム７０は両方とも、低い熱ノイズ、および必要に応じて超伝導を実現するために、事前に定義された温度に冷却する冷凍機１５０内にある。破線の下の要素は、導波管（すなわち、伝送線）を含めて、事前に定義された温度に維持される。１つの実装では、冷凍機１５０は、約１０ミリケルビン（ｍＫ）の事前に定義された温度で温度を維持してよく、この温度は、熱励起および熱ノイズを抑制するために使用される標準的温度である。冷凍機１５０は、読み出しデバイス６０、量子システム７０、および関連する導波管を１０ｍＫステージに維持する希釈冷凍機であってよい。読み出しデバイス６０は、事前に定義された温度に冷却されたときに超伝導の原理に従って動作する超伝導材料でできていてよい。量子システム７０も、超伝導材料でできていてよい。

【0028】

マイクロ波サーキュレータ８０は、伝送線７１を介して量子システム７０に接続される。マイクロ波信号発生器２０は、伝送線１を介して入力マイクロ波信号２１をサーキュレータ８０に送信する。

【0029】

入力マイクロ波信号２１は、サーキュレータ８０の１つのポートに入力／受信され、入力マイクロ波信号２１は、反時計回り（すなわち、矢印の方向）に回転した後に、次のポートを通って出力される。サーキュレータ８０は、３つのポートと共に示されている。この例は、第１のポートが量子システム７０の入力／出力に接続されたサーキュレータ８０を示している。サーキュレータ８０の第２のポートは、マイクロ波／光変換器５０のマイクロ波入力に接続されている。サーキュレータ８０の第３のポートは、マイクロ波信号発生器２０に接続されている。

【0030】

マイクロ波信号発生器２０（または、マイクロ波量子ビットに接続された別の信号発生器（図示されていない））は、マイクロ波量子ビット７２の量子ビット共振周波数（ｆ_ｑ）でマイクロ波信号（図示されていない）を生成するように構成されており、この量子ビット信号（ｆ_ｑ）は量子システム７０に入力される。入力量子ビット共振周波数信号は、量子ビット７２を初期化、操作、励起、または制御する。各量子ビット状態は、読み出し共振器の一意の共振を発生させる。超伝導量子ビット７２の状態を測定または推定するために、マイクロ波信号発生器２０または別の発生器によって、読み出し共振器７４の読み出し共振周波数（ｆ_ｒ）で、入力読み出し信号２１が生成される。入力読み出し信号２１は、量子システム７０に送信される。入力読み出し信号２１は、読み出し共振器７４が励起されるように、サーキュレータ８０を介して、共振で（または、読み出し共振器７４の共振の近くで）読み出し共振器７４に入力される。読み出し共振器７４は、読み出し共振周波数（ｆ_ｒ）で出力読み出し信号１１を生成する（または、共振させる）。読み出し共振器７４から出る出力読み出し信号１１は、量子ビット７２と分散的に相互作用した後に、量子ビット７２の状態に関する（量子）情報（すなわち、量子ビット７２が、基底状態、励起状態、またはこれら２つの状態の重ね合わせ、あるいはその組み合わせのいずれの状態にあるか）を運ぶ。この量子ビット情報は、出力マイクロ波読み出し信号１１の位相または振幅あるいはその両方でエンコードされる。出力読み出し信号１１は、共振器の読み出し信号であり、伝送線７１上で読み出し共振器７４からサーキュレータ８０に出力された後に、伝送線８１上でマイクロ波／光変換器５０に出力される。サーキュレータ８０は、共振器の出力読み出し信号１１を（回転させて）マイクロ波／光変換器５０に向けるように設計されている。共振器の出力読み出し信号１１は、読み出し共振器７４の読み出し共振周波数（ｆ_ｒ）で（または読み出し共振周波数の近くで）のマイクロ波信号である。

【0031】

同時に、光信号発生器２２（例えば、光ポンプ）は、光ポンプ周波数（ｆ_ｐ）で光ポンプ信号２３を生成するように構成される。光信号発生器２２は、光ポンプ信号２３を、伝送線２上でマイクロ波／光変換器５０に送信する。同時に、光信号発生器２４は、入力光信号周波数（ｆ_ｉｏ）で入力光信号２５を生成するように構成される。光信号発生器２４は、入力光信号２５を、マイクロ波／光変換器５０に送信する。

【0032】

マイクロ波／光変換器５０は、量子ビット７２の量子ビット状態を有する出力読み出し信号１１および光ポンプ信号２３を（同時に）受信するように構成される。入力光信号２５は任意選択であり、マイクロ波／光変換器５０を特徴付けるため、またはこれにバイアスを印加するために使用され得る。マイクロ波／光変換器５０は、出力マイクロ波読み出し信号１１を、周波数ｆ_ｏｏで出力光信号２７に変換する。出力光信号２７は、（出力側で）伝送線４を介してマイクロ波／光変換器５０から光子検出器２６に送信される。出力光信号２７は、量子ビット７２の量子ビット状態の情報を含んでおり、光子検出器２６は、出力光信号２７において光子を検出することによって、量子ビット状態を読み取る／抽出するように構成される。光子検出器２６は、例えば４ケルビン（すなわち、４Ｋステージにある）などの、極低温度に冷却され得る。

【0033】

残りの光ポンプ信号２３は、光ダンプ２８へダンプされる。光ダンプまたはビームダンプは、エネルギービーム内の光子またはその他の粒子のエネルギーを吸収するように設計されたデバイスである。残りの出力読み出し信号１１は、終端点３０で終端される。終端点３０は５０オームの負荷であってよく、終端点は、事前に定義された温度（例えば、１０ｍＫ）に冷却される。１つの実装では、終端点３０は抵抗器であってよい。

【0034】

実施形態によれば、マイクロ波／光変換デバイス５０内で、量子ビット状態の情報を含んでいるマイクロ波出力読み出し信号１１が、光ポンプ信号２３からのパワー（power）を使用して光信号（例えば、周波数は約１９３テラヘルツ（ＴＨｚ）である）に変換される。ただし、光ポンプ周波数（ｆ_ｐ）＝出力マイクロ波信号周波数（ｆ_ｒ）＋マイクロ波信号から変換された出力光信号周波数（ｆ_ｏｏ）である。

【0035】

図２は、１つまたは複数の実施形態による、読み出しアーキテクチャ／マイクロ波および光装置１００の動作例を示すフローチャート１５０である。この例では、量子ビット状態Ａ（量子状態Ａと交換可能なように呼ばれる）は、励起状態に対応してよい。

【0036】

ブロック１５２で、読み出し共振器７４が量子ビット７２の量子ビット状態の情報を含んでいるマイクロ波出力読み出し信号１１を出力するように、マイクロ波入力読み出し信号２１が、読み出し共振器７４に入力される。１つの実装では、マイクロ波入力信号２１は読み出し共振器周波数（ｆ_ｒ）である。

【0037】

判定ブロック１５４で、量子ビット７２が量子ビット状態Ａであるかどうかに従って、フローは２つの異なる動作を含むことができる。「いいえ」である（量子ビット７２が量子ビット状態Ａでない）場合、ブロック１５６で、マイクロ波出力読み出し信号１１はゼロであるか、または低い。低いマイクロ波出力読み出し信号１１は、光信号に変換するためにマイクロ波／光変換器５０に対して事前に定義されたしきい値を下回る事前に定義された値として、定義される。１つの実装では、低いマイクロ波出力読み出し信号１１は、マイクロ波／光変換器５０が光変換を認識すること、または利用すること、あるいはその両方を行うことができないほど、非常に小さい。

【0038】

ブロック１５８で、読み出し共振器７４からのマイクロ波出力読み出し信号１１が、マイクロ波／光変換器５０に入る。ブロック１６０で、マイクロ波出力読み出し信号１１が低い（または、事前に定義されたしきい値を下回る）ため、マイクロ波／光変換器５０によってマイクロ波信号が変換されない。それに応じて、ブロック１６２で、光子検出器２６によって光信号が検出されず、したがって、量子ビット７２が量子ビット状態Ａではないということを確定する（光子検出器２６による）検出はない。

【0039】

代替として、判定ブロック１５４で、「はい」である（量子ビット７２が量子ビット状態Ａである）ため、フローがブロック１６４に分岐する。ブロック１６４で、読み出し共振器７４からのマイクロ波出力読み出し信号１１が、マイクロ波／光変換器５０に入る。

【0040】

ブロック１６６で、マイクロ波／光変換器５０が、マイクロ波出力読み出し信号１１を、量子ビット状態を含んでいる出力光信号２７に変換する。

【0041】

ブロック１６８で、光子検出器２６によって出力光信号２７が検出され、光子検出器２６によるこの出力光信号２７の（少なくとも１つの光子の）検出が、量子ビット７２が状態Ａであることを確定する。１つの実装では、量子ビット状態は、光子数または光パワーに含まれる（必ずしも、位相にも振幅にも含まれない）。光信号が検出される（すなわち、状態Ａにおいて「はい」である）か、または検出されないかということが、量子ビット７２が状態Ａであるかどうかを決定する。

【0042】

図３は、１つまたは複数の実施形態による、アーキテクチャ／マイクロ波および光装置１００（量子ビット読み出しシステム）の回路図であり、量子システムの測定を示している。図１、図２、および図３には同一の要素が含まれており、それらの説明は繰り返されないが、本明細書においてすでに説明されている。

【0043】

図３は、マイクロ波／光変換器５０を含んでおり、より詳細な図を示している。この例では、マイクロ波／光変換器５０は、光学機械式マイクロ波／光変換デバイスとして表されている。光学機械式マイクロ波／光変換デバイス５０は、圧電光学機械式発振器／共振器（piezo optical mechanical oscillator/resonator）２０５を含んでいる。圧電光学機械式発振器２０５は、光ポンプ信号２３および入力光信号２５と共に、マイクロ波出力読み出し信号１１に基づいて発振する（すなわち、動く）圧電材料を含んでいる。光学機械式マイクロ波／光変換デバイス５０は、光子検出器２６による検出のために、マイクロ波出力読み出し信号１１を出力光信号２７に変換する。１つの実装では、光学機械式発振器は、圧電式である必要はない。１つの実装では、光学機械式発振器は、光結晶の光ビーム空洞（optical beam cavity）または誘電体膜の光学機械式空洞（opto-mechanical cavity）であることが可能である。

【0044】

例えば、量子ビット状態の情報を含んでいるマイクロ波出力読み出し信号１１が、光学機械式マイクロ波／光変換デバイス５０において、光ポンプ信号２３からのパワーを使用して（約１９３テラヘルツ（ＴＨｚ）の光周波数として）出力光信号２７に変換される。光学機械式マイクロ波／光変換デバイス５０では、光共振器２０５を機械的に振動させることによって、マイクロ波出力読み出し信号１１が光周波数を変調し、光ポンプ２２からの光ポンプ信号２３を使用して、出力光信号２７に変換される。

【0045】

図４は、１つまたは複数の実施形態による、アーキテクチャ／マイクロ波および光装置１００（量子ビット読み出しシステム）の回路図であり、量子システムの測定を示している。図１、図２、および図４には同一の要素が含まれており、それらの説明は繰り返されないが、本明細書においてすでに説明されている。

【0046】

図４は、マイクロ波／光変換器５０をさらに詳細に示している。この例では、マイクロ波／光変換器５０は、電子光学式マイクロ波／光変換器として表されている。電子光学式マイクロ波／光変換器５０は、光読み出し結合共振器３１０（λ’）、電子光学デバイス３０５（ｆ）、および光ポンプ結合共振器（optical pump coupling resonator）３１５（λ）を含んでいる。光読み出し結合共振器３１０（λ’）は、電子光学デバイス３０５（ｆ）に結合され、光ポンプ結合共振器３１５（λ）も、電子光学デバイス３０５（ｆ）に結合される。

【0047】

この例では、光読み出し結合共振器３１０（λ’）は、出力光信号２７の出力光周波数ｆ_ｏｏに対応する（または、一致する）波長λ’を有する。電子光学デバイス３０５（ｆ）は、マイクロ波出力読み出し信号１１の読み出し共振器周波数ｆ_ｒに対応する（または、一致する）自由スペクトル領域の周波数（ｆ）を有する。また、光ポンプ結合共振器３１５（λ）は、光ポンプ信号２３のポンプ周波数ｆ_ｐに対応する（または、一致する）波長λを有する。電子光学デバイス３０５は、ｆでのマイクロ波共振器および電子光学材料で作製された光共振器を含んでおり、光共振器の光共振器周波数は、マイクロ波光子がマイクロ波共振器ｆから加えられたときに変化する。

【0048】

例えば、量子ビット状態の情報を含んでいるマイクロ波出力読み出し信号１１が、電子光学式マイクロ波／光変換デバイス５０において、光ポンプ信号２３からのパワーを使用して出力光信号２７（例えば、約１９３ＴＨｚの周波数）に変換される。電子光学式マイクロ波／光変換デバイス５０は、マイクロ波信号が光周波数を変調できるようにする電子光学効果を変換に使用する。光ポンプ信号２３およびマイクロ波信号１１が電子光学デバイス３０５に入った場合、マイクロ波出力読み出し信号１１が出力光信号２７に変換される。

【0049】

図５は、１つまたは複数の実施形態による、アーキテクチャ／マイクロ波および光装置１００（量子ビット読み出しシステム）の回路図であり、量子システムの測定を示している。図５で、読み出しシステム１００は、複数の量子ビットの多重化読み出し用に構成されている。図１、図２、図４、および図５には同一の要素が含まれており、それらの説明は繰り返されないが、本明細書においてすでに説明されている。

【0050】

図５は、複数の電子光学式マイクロ波／光変換器５０＿１〜５０＿Ｎを含んでおり、それらの各電子光学式マイクロ波／光変換器は、それ自身の光読み出し結合共振器３１０（λ１’〜λＮ’）、それ自身の電子光学デバイス３０５（ｆ１〜ｆＮ）、およびそれ自身の光ポンプ結合共振器３１５（λ１〜λＮ）を含んでいる。各光読み出し結合共振器３１０（λ１’〜λＮ’）は、各電子光学デバイス３０５（ｆ１〜ｆＮ）に結合され、各光ポンプ結合共振器３１５（λ１〜λＮ）も、それ自身の電子光学デバイス３０５（ｆ１〜ｆＮ）に結合される。Ｎは、特定の要素の最後の番号を表す整数である。

【0051】

この例では、光読み出し結合共振器３１０（λ１’〜λＮ’）は、出力光信号２７の出力光周波数ｆ_ｏｏ１〜ｆ_ｏｏＮにそれぞれ対応する（または、一致する）波長λ１’〜λＮ’（または周波数）を有する。個々の光読み出し結合共振器３１０は、ポンプ２３を使用して入力マイクロ波信号１１が出力光信号２７に変換された後に、出力光信号２７の光を発する。マイクロ波出力読み出し信号１１の読み出し共振器周波数ｆ_ｒ１〜ｆ_ｒＮは、多重化されて、マイクロ波導波管７１、８１上で各電子光学デバイス３０５（ｆ１〜ｆ２）に送信される。それに応じて、電子光学デバイス３０５（ｆ１〜ｆ２）は、マイクロ波出力読み出し信号１１の読み出し共振器周波数ｆ_ｒ１〜ｆ_ｒＮに対応する（または一致する）周波数（ｆ１〜ｆ２）を有する。

【0052】

また、光ポンプ信号２３の複数のポンプ周波数ｆ_ｐ１〜ｆ_ｐＮが存在する。それに応じて、光ポンプ結合共振器３１５（λ１〜λＮ）は、光ポンプ信号２３のポンプ周波数ｆ_ｐ１〜ｆ_ｐＮに対応する（または、一致する）波長λ１〜λＮ（または周波数）をそれぞれ有する。

【0053】

マイクロ波量子システム（microwave quantum system）７０は、Ｎ個の量子ビット７２およびＮ個のマイクロ波読み出し共振器７４を含んでいる。Ｎ個の量子ビット７２はそれぞれ、Ｎ個のマイクロ波読み出し共振器７４のうちのそれ自身の１つに結合される。Ｎ個のマイクロ波読み出し共振器７４のうちの個々のマイクロ波読み出し共振器はそれぞれ、Ｎ個の量子ビット７２のうちの各量子ビットの状態を読み取る（すなわち、探査する）ように設計される。Ｎ個の量子ビット７２のうちの１つは、Ｎ個の読み出し共振器７４のうちの１つに動作可能なように結合される。

【0054】

Ｎ個の量子ビット７２それぞれの複数の量子ビット状態の情報をそれぞれ含んでいる複数の多重化されたマイクロ波出力読み出し信号１１が、マイクロ波／光変換デバイス５０＿１〜５０＿Ｎに入る。各マイクロ波／光変換デバイス５０＿１〜５０＿Ｎは、Ｎ個の量子ビット７２それぞれからの各マイクロ波出力読み出し信号１１（各周波数ｆ_ｒ１〜ｆ_ｒＮを有する）を選択的に変換するように設計された、わずかに異なる周波数（ｆ１〜ｆＮ）を有する。この設定により、各マイクロ波／光変換器５０＿１〜５０＿Ｎを介して、光導波管４およびＮ個の光子検出器（出力側）上で、多重化された各マイクロ波出力読み出し信号１１（各読み出し周波数ｆ_ｒ１〜ｆ_ｒＮを有する）を多重化された出力光信号２７に変換することによって、Ｎ個の量子ビット７２それぞれの複数の量子ビット状態を同時に読み出すことが可能になる。各指定１〜Ｎは、対応する各要素、信号、周波数、波長、デバイスなどに関連付けられるように意図されているということが理解されるべきである。

【0055】

図６は、１つまたは複数の実施形態による、マイクロ波読み出し共振器７４に結合された量子ビット７２を読み取る方法のフローチャート５００である。図１、２、３、４、５、８、または９、あるいはその組み合わせを参照することができる。

【0056】

ブロック５０５で、マイクロ波入力読み出し信号２１が、マイクロ波共振器周波数で、量子ビット７２に結合されたマイクロ波読み出し共振器７４に入力される。

【0057】

ブロック５１０で、マイクロ波読み出し信号１１がマイクロ波読み出し共振器７４からマイクロ波／光変換器５０に出力する。マイクロ波読み出し信号１１は量子ビット７２の量子ビット状態の情報を含んでいる。ここで、マイクロ波／光変換器５０は、マイクロ波読み出し信号を光信号に変換するように構成されている。

【0058】

ブロック５１５で、マイクロ波／光変換器５０によって光信号２７が出力されることに応答して、量子ビット７２が事前に定義された量子ビット状態にあるということが決定される。ブロック５２０で、マイクロ波／光変換器５０によって光信号が出力されないことに応答して、量子ビット７２が事前に定義された量子ビット状態にないということが決定される。

【0059】

量子ビット７２が事前に定義された量子ビット状態にあるということを決定することは、マイクロ波／光変換器５０によってマイクロ波読み出し信号１１を光信号２７に変換することを含む。マイクロ波／光変換器５０は、光信号２７を出力するように構成される。

【0060】

光子検出器２６は、マイクロ波／光変換器５０からの光信号２７（における少なくとも１つの光子）を検出する。光子検出器２６による光信号の検出は、量子ビットが事前に定義された量子ビット状態にあるということの決定に使用される。光子検出器２６が、マイクロ波／光変換器５０から出力された光信号を検出しないことに応答して、光信号を検出しないことが、量子ビット７２が事前に定義された量子ビット状態にないということの決定に使用される。マイクロ波読み出し信号１１がマイクロ波／光変換器５０のしきい値を下回り、それによって、マイクロ波／光変換器が光信号を出力しないので、光子検出器によって光信号が検出されない。

【0061】

１つの実装では、ブロック５２５および５３０で、光子検出器２６を読み取る操作者が決定を行う。１つの実装では、プロセッサ、コンピュータ実装命令、およびメモリを含んでいるコンピュータが、光子検出器２６に接続されてよく、このコンピュータは、このコンピュータがブロック５２５および５３０で決定を行うことができるように、光子検出器２６による光信号２７の検出を認識するように構成される。

【0062】

マイクロ波／光変換器５０は、電子光学デバイス（図４および５）、光学機械デバイス（図１）、圧電光学デバイス（opto-piezo-electricdevice）（図３）、磁気光学デバイス、または量子マイクロ波信号（quantum microwave signal）を光信号に変換できる任意のデバイスから成る群から選択されるデバイスである。

【0063】

マイクロ波読み出し共振器７４は、マイクロ波空洞（例えば、１Ｄ、２Ｄ、または３Ｄマイクロ波読み出し空洞）である。

【0064】

マイクロ波共振器７４、量子ビット７２、およびマイクロ波／光変換器５０は、熱ノイズ温度（thermal noise temperature）よりも非常に低い、事前に定義された温度に冷却される。

【0065】

図７は、１つまたは複数の実施形態による、Ｎ個のマイクロ波共振器７４（例えば、１〜Ｎ個のマイクロ波読み出し共振器）にそれぞれ結合されたＮ個の量子ビット７２を読み取る方法のフローチャート６００である。図１、２、３、４、５、６、８、または９、あるいはその組み合わせを参照することができる。

【0066】

ブロック６０５で、Ｎ個のマイクロ波入力読み出し信号２１が、Ｎ個の異なるマイクロ波共振器周波数で、Ｎ個の量子ビット７２をそれぞれ結合するＮ個のマイクロ波読み出し共振器７４に入力される。ここで、Ｎは整数であり、Ｎ個のマイクロ波共振器周波数のうちの各マイクロ波共振器周波数が、Ｎ個のマイクロ波共振器７４のうちの１つに個々に対応する。Ｎ個の異なるマイクロ波共振器周波数は、１対１で、Ｎ個のマイクロ波共振器７４に対応する。

【0067】

ブロック６１０で、Ｎ個のマイクロ波読み出し信号１１（例えば、１〜Ｎ個のマイクロ波読み出し信号が導波管７１〜８１上で多重化されてよい）が、Ｎ個のマイクロ波共振器７４からＮ個のマイクロ波／光変換器５０＿１〜５０＿Ｎにそれぞれ出力される。Ｎ個のマイクロ波読み出し信号１１は、Ｎ個の量子ビットそれぞれの量子ビット状態の情報を個々に含む。ここで、Ｎ個のマイクロ波／光変換器５０は、Ｎ個のマイクロ波読み出し信号１１をＮ個の光信号２７（例えば、光導波管４上の１〜Ｎ個の光信号）に変換するように構成されている。Ｎ個のマイクロ波読み出し信号１１のうちの１つは、Ｎ個の量子ビット７２のうちの１つに個々に対応する。

【0068】

ブロック６１５で、Ｎ個のマイクロ波／光変換器５０＿１〜５０＿ＮによってＮ個の光信号２７のいずれかが出力されることに応答して、Ｎ個の量子ビット７２のうちの対応する量子ビットが事前に定義された量子ビット状態にあるということが決定される。

【0069】

ブロック６２０で、Ｎ個のマイクロ波／光変換器５０＿１〜５０＿Ｎのいずれかによって光信号が出力されないことに応答して、Ｎ個の量子ビット７２のうちの対応する量子ビットが事前に定義された量子ビット状態にないということが決定される。

【0070】

Ｎ個のマイクロ波／光変換器５０＿１〜５０＿Ｎは、Ｎ個の出力光信号２７を、Ｎ個の光子検出器に向かう光回線４上に出力される多重光信号に多重化するように構成される。

【0071】

１つまたは複数のマイクロ波導波管７１、８１は、マイクロ波／光変換器５０およびマイクロ波共振器７４に結合される。１つまたは複数の光導波管２、４は、マイクロ波／光変換器５０に結合される。１つまたは複数のマイクロ波サーキュレータ８０は、マイクロ波共振器７４およびマイクロ波／光変換器５０を接続する。

【0072】

読み出しデバイス７０または読み出しデバイス７０内の任意のデバイスあるいはその両方が、チップ上で、例えば集積回路として実装されてよいということが理解されるべきである。マイクロ波／光変換器５０またはマイクロ波／光変換器５０内の任意のデバイスあるいはその両方が、チップ上で、例えば集積回路として実装されてよいということが理解されるべきである。

【0073】

１つまたは複数の実施形態によるハードウェアのオーバーヘッドの削減およびハードウェア要件の低減を理解することにおいて読者を支援するために、例示の目的で、ただしこれに限定されない表が、図８および９に示されている。

【0074】

図８は、量子ビットごとの従来の読み出しと、１つまたは複数の実施形態による量子ビットごとのマイクロ波／光変換を使用した読み出しを示す表７００である。表７００は、ハードウェア要件、量子ビット設定ごとの物理的設置面積、拡張、および良好な信号対ノイズ比（ＳＮＲ：signal-to-noise ratio）の要件というタイトルが付けられた４つの行を示している。

【0075】

各量子ビットの読み出しに関して、従来のマイクロ波読み出しには、実施形態のマイクロ波／光変換器を使用した光読み出しよりも大きいハードウェア要件がある。

【0076】

図９は、１つまたは複数の実施形態による、Ｎ個の量子ビットの読み出しのハードウェア要件の比較を示す表８００である。表８００は、読み出し駆動線、アイソレータ、サーキュレータ、量子増幅器、およびポンプ線というタイトルが付けられた５つの行を示している。

【0077】

表８は、従来の読み出し、従来の多重化読み出し、および１つまたは複数の実施形態による多重化を使用した光読み出しの比較を示している。Ｎ個の量子ビット読み出しの読み取りに関して（Ｎは整数）、実施形態におけるＮ個の量子ビットの多重化を使用した光読み出しは、従来の読み出しまたは従来の多重化読み出しよりも、必要なハードウェア・デバイスが少ない。

【0078】

技術的効果および利点は、例えば１つまたは複数のマイクロ波／光変換器を利用することによる、改善された量子ビット読み出しシステムおよび量子ビット読み出し方法を含む。技術的利点は、光ファイバを介して光子を使用して、マイクロ波周波数での信号を有する量子ビットの量子状態を読み出す、新しい構造および方法を提供する。さらに、実施形態は、重いマイクロ波コンポーネントの量における大幅な削減を実現することによって、最新技術と比較して、ハードウェア要件の少ないマイクロ波量子ビットの拡張を可能にする。さらに、実施形態は、読み出しケーブルが低温段で終端された、極めて熱的および電気的に分離された環境内でのマイクロ波量子ビットの量子状態の読み出しを開示する。

【0079】

本発明の態様は、本明細書において、本発明の実施形態による、方法、装置（システム）、およびコンピュータ・プログラム製品のフローチャート図またはブロック図あるいはその両方を参照して説明される。フローチャート図またはブロック図あるいはその両方の各ブロック、ならびにフローチャート図またはブロック図あるいはその両方に含まれるブロックの組み合わせが、コンピュータ可読プログラム命令によって実装され得るということが理解されるであろう。

【0080】

図内のフローチャートおよびブロック図は、本発明のさまざまな実施形態による、システム、方法、およびコンピュータ・プログラム製品の可能な実装のアーキテクチャ、機能、および処理を示す。これに関連して、フローチャートまたはブロック図内の各ブロックは、規定された論理機能を実装するための１つまたは複数の実行可能な命令を備える、命令のモジュール、セグメント、または部分を表してよい。一部の代替の実装では、ブロックに示された機能は、図に示された順序とは異なる順序で発生してよい。例えば、連続して示された２つのブロックは、実際には、含まれている機能に応じて、実質的に同時に実行されるか、または場合によっては逆の順序で実行されてよい。ブロック図またはフローチャート図あるいはその両方の各ブロック、ならびにブロック図またはフローチャート図あるいはその両方に含まれるブロックの組み合わせは、規定された機能または動作を実行するか、または専用ハードウェアとコンピュータ命令を組み合わせて実行する専用ハードウェアベースのシステムによって実装され得るということにも注意する。

【0081】

本発明のさまざまな実施形態の説明は、例示の目的で提示されているが、網羅的であることは意図されておらず、開示された実施形態に制限されない。記載された実施形態の範囲および思想を逸脱することなく多くの変更および変形が可能であることは、当業者にとって明らかである。本明細書で使用された用語は、実施形態の原理、実際の適用、または市場で見られる技術を超える技術的改良を最も適切に説明するため、または他の当業者が本明細書で開示された実施形態を理解できるようにするために選択されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】