特開 2024-7000 超伝導量子回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024007000

(43)【公開日】2024-01-18

(54)【発明の名称】超伝導量子回路

(51)【国際特許分類】

   H10N 60/82 20230101AFI20240111BHJP

   H01P 7/08 20060101ALI20240111BHJP

   H01P 5/02 20060101ALI20240111BHJP

   H01P 1/203 20060101ALI20240111BHJP

   H03H 7/09 20060101ALI20240111BHJP

   G06F 7/38 20060101ALI20240111BHJP

【ＦＩ】

H01L39/06

H01P7/08 ZAA

H01P5/02 603C

H01P1/203

H03H7/09 Z

G06F7/38 610

G06F7/38 510

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022108087

(22)【出願日】2022-07-05

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２０年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「高効率・高速処理を可能とするＡＩチップ・次世代コンピューティングの技術開発／次世代コンピューティング技術の開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000004237

【氏名又は名称】日本電気株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】川上 洋平

(72)【発明者】

【氏名】浦出 芳郎

(72)【発明者】

【氏名】橋本 義仁

(72)【発明者】

【氏名】山本 剛

【テーマコード（参考）】

4M113

5J006

5J024

【Ｆターム（参考）】

4M113AC45

4M113AC50

4M113AD51

5J006HB03

5J006HB12

5J006JA02

5J006LA02

5J006MA12

5J006NA08

5J024AA01

5J024CA04

5J024CA06

5J024CA09

5J024DA01

5J024DA29

5J024DA35

5J024EA03

5J024KA02

(57)【要約】      （修正有）

【課題】内部損失を抑制する超伝導量子回路を提供する。
【解決手段】超伝導量子回路である周波数可変型共振器１は、超伝導量子干渉計ＳＱＵＩＤ１１と、超伝導量子干渉計とともに閉ループを構成するキャパシタ１２と、を有する第１共振器１０と、第１制御ポートＰ１に接続され、且つ、超伝導量子干渉計に磁気的に結合された、制御ラインＬ１と、を備える。制御ラインＬ１は、特性インピーダンスが第１インピーダンス値を示す制御ラインＬ１１と、制御ラインＬ１１よりも超伝導量子干渉計に磁気的に結合された部分に近い側に設けられ、且つ、特性インピーダンスが第１インピーダンス値とは異なる第２インピーダンス値を示す制御ラインＬ１２と、を少なくとも含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超伝導量子干渉計と、前記超伝導量子干渉計とともに閉ループを構成するキャパシタと、を有する第１共振器と、
第１制御ポートに接続され、且つ、前記超伝導量子干渉計に磁気的に結合された、制御ラインと、
を備え、
前記制御ラインは、
特性インピーダンスが第１インピーダンス値を示す第１ラインと、
前記第１ラインよりも前記超伝導量子干渉計に磁気的に結合された部分に近い側に設けられ、且つ、特性インピーダンスが前記第１インピーダンス値とは異なる第２インピーダンス値を示す第２ラインと、
を少なくとも含む、
超伝導量子回路。

【請求項2】

外部から制御信号が前記第１制御ポートに供給されることによって発生する、前記第１共振器の共振、の周波数である第１共振周波数と、前記第１ラインと前記第２ラインとによって構成される第２共振器の共振周波数である第２共振周波数と、が異なるように構成される、
請求項１に記載の超伝導量子回路。

【請求項3】

前記第２共振周波数は、前記第１共振周波数の２倍の０．９倍以上、前記第２共振周波数の２倍の１．１倍以下である、
請求項２に記載の超伝導量子回路。

【請求項4】

前記制御ラインの一端は、前記第１制御ポートに接続され、前記制御ラインの他端は、グランドに接続され、
前記第２ラインが、前記超伝導量子干渉計に磁気的に結合されている、
請求項１～３の何れか一項に記載の超伝導量子回路。

【請求項5】

前記制御ラインは、
前記第１ラインとの間に前記第２ラインを介すようにして設けられ、特性インピーダンスが前記第１インピーダンス値を示す第３ラインをさらに含む、
請求項１に記載の超伝導量子回路。

【請求項6】

外部から制御信号が前記第１制御ポートに供給されることによって発生する、前記第１共振器の共振、の周波数である第１共振周波数と、前記第１ライン、前記第２ライン、及び、前記第３ラインによって構成される第２共振器の共振周波数である第２共振周波数と、が異なるように構成される、
請求項５に記載の超伝導量子回路。

【請求項7】

前記第２共振周波数は、前記第１共振周波数の２倍の０．９倍以上、前記第２共振周波数の２倍の１．１倍以下である、
請求項６に記載の超伝導量子回路。

【請求項8】

前記第３ラインは、外部から制御信号が前記第１制御ポートに供給されることによって発生する、前記第１共振器の共振、の周波数である第１共振周波数、に対する波長の１２分の１の長さに構成されている、
請求項５に記載の超伝導量子回路。

【請求項9】

前記制御ラインの一端は、前記第１制御ポートに接続され、前記制御ラインの他端は、グランドに接続され、
前記第３ラインが、前記超伝導量子干渉計に磁気的に結合されている、
請求項５～８の何れか一項に記載の超伝導量子回路。

【請求項10】

前記制御ラインの一端は、前記第１制御ポートに接続され、前記制御ラインの他端は、グランド又は第２制御ポートに接続され、
前記第２ラインが、前記超伝導量子干渉計に磁気的に結合されている、
請求項５～８の何れか一項に記載の超伝導量子回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超伝導量子回路に関する。

【背景技術】

【0002】

量子情報処理回路において、共振器は、量子回路（量子ビットを生成する回路）、結合器、及び、増幅器等の様々な用途で用いられる。ここで、共振器に蓄えられたエネルギーが失われることは、損失と呼ばれ、量子情報処理回路ではエラーに相当するため、低減することが求められている。共振器の損失には、共振器の構成要素の抵抗成分などに起因した内部損失と、共振器を外部環境と結合させるために当該共振器に意図的に取り付けられたポートに起因した外部損失と、がある。外部損失の抑制は、結合強度等のパラメータを調整すればよいため比較的容易である。しかしながら、内部損失は、物質の誘電損や浮遊モードへの結合など、設計者が意図しない要因によることが多いため、内部損失を抑制することは、量子情報処理回路に用いられる共振器における重要課題の一つである。

【0003】

特許文献１には、共振周波数を外的に制御するための制御信号が供給されるポート（制御ポート）を有する、周波数可変型共振器の典型的な構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６５３０３２６号

【特許文献2】特許第６４３７６０７号

【特許文献3】特許第６７４９３８２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

超伝導を用いた量子情報処理回路では、共振周波数を外的に制御可能な周波数可変型共振器が、量子ビットを生成する量子回路や、増幅器の一種であるパラメトリック増幅器、に用いられる。特許文献１に開示された周波数可変型共振器は、キャパシタと超伝導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ；Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）とによって構成された共振器と、外部から制御信号が供給される制御ポートに接続され、且つ、超伝導量子干渉計に磁気的に結合された、制御ラインと、を備える。この周波数可変型共振器では、共振器が、外部から制御ポートに供給される制御信号に応じた発振周波数で発振する。しかしながら、この周波数可変型共振器では、共振器の発振信号が制御ポートへ漏出するため、内部損失が増大してしまう、という課題があった。

【0006】

本開示の目的の一つは、上述した課題を解決する超伝導量子回路を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

一実施の形態によれば、超伝導量子回路は、超伝導量子干渉計と、前記超伝導量子干渉計とともに閉ループを構成するキャパシタと、を有する第１共振器と、第１制御ポートに接続され、且つ、前記超伝導量子干渉計に磁気的に結合された、制御ラインと、を備え、前記制御ラインは、特性インピーダンスが第１インピーダンス値を示す第１ラインと、前記第１ラインよりも前記超伝導量子干渉計に磁気的に結合された部分に近い側に設けられ、且つ、特性インピーダンスが前記第１インピーダンス値とは異なる第２インピーダンス値を示す第２ラインと、を少なくとも含む。

【発明の効果】

【0008】

前記一実施の形態によれば、内部損失を抑制することが可能な超伝導量子回路を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１に係る周波数可変型共振器の構成例を示す回路図である。

【図2】実施の形態１に係るシミュレーション実施用の周波数可変型共振器の構成例を示す回路図である。

【図3】図２に示す周波数可変型共振器における、共振器１０の励振周波数と、物理量Ｓ２１の絶対値と、の関係を示す図である。

【図4】図２に示す周波数可変型共振器における、制御ラインＬ１３の長さと、共振器１０から制御ポートに透過する電力と、の関係を示す図である。

【図5】図２に示す周波数可変型共振器のレイアウトの一例を示す図である。

【図6】実施の形態２に係る周波数可変型共振器の構成例を示す回路図である。

【図7】図６に示す周波数可変型共振器の変形例を示す回路図である。

【図8】実施の形態３に係る周波数可変型共振器の構成例を示す回路図である。

【図9】構想段階の周波数可変型共振器の構成例を示す回路図である。

【図10】構想段階のシミュレーション実施用の周波数可変型共振器の構成例を示す回路図である。

【図11】図１０に示す周波数可変型共振器における、共振器５０の励振周波数と、物理量Ｓ２１の絶対値と、の関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。なお、図面は簡略的なものであるから、この図面の記載を根拠として実施の形態の技術的範囲を狭く解釈してはならない。また、同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0011】

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明する。ただし、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、応用例、詳細説明、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

【0012】

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（動作ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数等（個数、数値、量、範囲等を含む）についても同様である。

【0013】

以下、量子コンピューティングとは、量子力学的な現象（量子ビット）を用いてデータを操作する領域のことである。量子力学的な現象とは、複数の状態の重ね合わせ（量子変数が複数の異なる状態を同時にとること）、もつれ（複数の量子変数が空間または時間に関わらず関係する状態）などである。量子チップには、量子ビットを生成する量子回路が設けられている。

【0014】

＜発明者らによる事前検討＞
実施の形態１に係る周波数可変型共振器（超伝導量子回路）について説明する前に、発明者らが事前検討した内容について説明する。

【0015】

図９は、周波数可変型共振器５の構成例を示す回路図である。周波数可変型共振器５は、超伝導を用いた量子情報処理回路において、例えば量子ビットを生成する量子回路や、増幅器の一種であるパラメトリック増幅器等に用いられる、超伝導量子回路である。

【0016】

図９に示すように、周波数可変型共振器５は、共振器５０と、制御ラインＬ５と、によって構成されている。共振器５０は、ＳＱＵＩＤ５１と、ＳＱＵＩＤ５１とともに閉ループを構成するキャパシタ５２と、を有する。制御ラインＬ５の一端は、制御ポートＰ５に接続され、制御ラインＬ５の他端は、グランドＧＮＤに接続（終端）されている。制御ポートＰ５には、外部から直流又は高周波の制御信号Ｓ５が供給される。また、制御ラインＬ５は、ＳＱＵＩＤ５１と磁気的に結合されている。なお、図中のＭは、磁気的に結合している状態を表している。周波数可変型共振器５では、共振器５０が、外部から制御ポートＰ５に供給される制御信号Ｓ５に応じた周波数で発振する。周波数可変型共振器５は、例えばトランズモンに用いられてもよいし、ジョセフソンパラメトリック発振器やジョセフソンパラメトリック増幅器に用いられてもよい。

【0017】

図１０は、シミュレーションに用いる周波数可変型共振器５ａの構成例を示す回路図である。周波数可変型共振器５ａは、周波数可変型共振器５（図９に例示）と比較して、共振器５０から制御ポートＰ５へ漏出する励振エネルギーをシミュレーションによって定量的に評価するために、当該シミュレーションに用いられる信号を入出力するための入出力ラインＬ６をさらに備える。入出力ラインＬ６の一端は、外部との間で信号の入出力が行われる入出力ポートＰ６に接続されている。入出力ラインＬ６の他端は、共振器５０に接続されている。また、入出力ラインＬ６上には、キャパシタ５３が設けられている。つまり、入出力ポートＰ６と、共振器５０とは、キャパシタ５３を介して入出力ラインＬ６によって結合されている。周波数可変型共振器５ａのその他の構成については、周波数可変型共振器５と同様であるため、その説明を省略する。

【0018】

周波数可変型共振器５ａでは、共振器５０が、外部から制御ポートＰ５に供給される制御信号Ｓ５に応じた周波数で発振する。より具体的には、周波数可変型共振器５ａでは、外部から制御ポートＰ５に制御信号Ｓ５が供給され、ＳＱＵＩＤ５１に制御信号Ｓ５に応じた強度の磁場が印加されることにより、ＳＱＵＩＤ５１のインダクタンスが変化するため、共振器５０の共振周波数が調整される。

【0019】

ここで、ある磁場におけるＳＱＵＩＤ５１のインダクタンスをＬ、キャパシタ５２のキャパシタンスをＣとした場合、周波数可変型共振器５ａの共振周波数ωｒは、以下の式（１）のように表される。

【0020】

ωｒ＝（ＬＣ）＾（－１／２） ・・・（１）

【0021】

この周波数可変型共振器５ａの内部損失は、外部から入出力ポートＰ６に入力信号が供給された場合に、その入力信号の一部が制御ラインＬ５を介して制御ポートＰ５へ透過することによって発生する。この透過は、Ｓ２１と呼ばれる物理量を電磁界シミュレーションにより計算することで、定量的に評価することができる。物理量Ｓ２１は、Ｓパラメータの一つであって、その絶対値の二乗は、第１ポートと第２ポートとが存在する場合において、第１ポートに供給されたエネルギーのうち、第２ポートに透過するエネルギーの割合を示している。周波数可変型共振器５ａでは、入出力ポートＰ６が第１ポートに対応し、制御ポートＰ５が第２ポートに対応する。以下、周波数可変型共振器５の内部損失については、周波数可変型共振器５ａを用いてシミュレーションを行うことにより調査されている。

【0022】

図１１は、周波数可変型共振器５ａのシミュレーション結果を示す図である。図１１では、周波数可変型共振器５ａにおける、共振器５０の励振周波数と、物理量Ｓ２１の絶対値と、の関係が示されている。図１１において、横軸は、共振器５０の励振周波数を表し、縦軸は、物理量Ｓ２１の絶対値を表している。

【0023】

図１１を参照すると、共振器５０の共振周波数である１１．１６１２ＧＨｚでは、物理量Ｓ２１の絶対値が、最大値である０．０８９２を示している。これは、例えば入出力ポートＰ６に１０００ｍＷ（ミリワット）の電力が供給された場合、制御ポートＰ５に約８．０ｍＷ（＝１０００ｍＷ×（０．０８９２）＾２）の電力が透過することを意味する。また、このとき、入出力ポートＰ６には、残りの約９９２ｍＷの電力が反射する。つまり、入出力ポートＰ６に供給された１０００ｍＷの電力は、入出力ポートＰ６に反射する電力と、制御ポートＰ５に透過する電力と、に分けられる。したがって、制御ラインＬ５が終端されたグランドＧＮＤへのエネルギーの漏出については考慮しなくてもよい。

【0024】

このように、周波数可変型共振器５では、共振器５０から制御ポートＰ５へのエネルギーの透過、即ち、周波数可変型共振器５の内部損失、を抑制することが求められている。この要求を満たすため、発明者等は、以下に示すように、周波数可変型共振器１～３を見出した。

【0025】

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１にかかる周波数可変型共振器１の構成例を示す回路図である。周波数可変型共振器１は、超伝導を用いた量子情報処理回路において、例えば量子ビットを生成する量子回路や、増幅器の一種であるパラメトリック増幅器等に用いられる、超伝導量子回路である。

【0026】

図１に示すように、周波数可変型共振器１は、共振器１０と、制御ラインＬ１と、によって構成されている。共振器１０は、ＳＱＵＩＤ１１と、ＳＱＵＩＤ１１とともに閉ループを構成するキャパシタ１２と、を有する。制御ラインＬ１の一端は、制御ポートＰ１に接続され、制御ラインＬ１の他端は、グランドＧＮＤに接続（終端）されている。制御ポートＰ１には、外部から例えば直流又は高周波の制御信号Ｓ１が供給される。また、制御ラインＬ１は、ＳＱＵＩＤ１１と磁気的に結合されている。なお、図中のＭは、磁気的に結合している状態を表している。周波数可変型共振器１では、共振器１０が、外部から制御ポートＰ１に供給される制御信号Ｓ１に応じた周波数で発振する。

【0027】

ここで、制御ラインＬ１は、ステップインピーダンス共振器１５を構成する制御ラインＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３を含む。制御ラインＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３は、制御ラインＬ１において、制御ポートＰ１からグランドＧＮＤにかけて順番に設けられている。具体的には、制御ラインＬ１１は、制御ラインＬ１において、制御ポートＰ１に最も近い側に設けられている。制御ラインＬ１２は、制御ラインＬ１において、制御ラインＬ１１よりもＳＱＵＩＤ１１に磁気的に結合された部分に近い側に、制御ラインＬ１１と連なるように設けられている。制御ラインＬ１３は、制御ラインＬ１において、制御ラインＬ１２よりもさらにＳＱＵＩＤ１１に磁気的に結合された部分に近い側（換言すると、制御ポートＰ１から最も遠い側）に、制御ラインＬ１２と連なるように設けられている。そして、本実施の形態では、制御ラインＬ１３とＳＱＵＩＤ１１とが磁気的に結合されている。

【0028】

制御ラインＬ１１，Ｌ１３の特性インピーダンスは何れもＺ０を示す。制御ラインＬ１２の特性インピーダンスは、Ｚ０とは異なるＺ１を示す。

【0029】

なお、周波数可変型共振器１において、共振器１０及びステップインピーダンス共振器１５は、例えば半導体チップ上に微細加工によって作製される。また、制御ポートＰ１は、周波数可変型共振器１の外部において、図示しないコネクタによって高周波ケーブルに接続される。当該高周波ケーブルは、例えば制御信号Ｓ１を出力する電子回路（制御回路）に接続される。ここで、高周波の反射損失を抑制するため、高周波ケーブルの特性インピーダンスと、制御ポートＰ１に接続された制御ラインＬ１１の特性インピーダンスとは、同じ値であることが好ましい。一般的に、高周波ケーブルの特性インピーダンスは、５０Ω（オーム）又は７５Ωであることが多い。そこで、本実施の形態では、高周波ケーブルの特性インピーダンスが５０Ωであって、それにあわせて、制御ラインＬ１１，Ｌ１３の特性インピーダンスも５０Ωである場合を例に説明する。即ち、本実施の形態では、Ｚ０＝５０Ωである場合を例に説明する。

【0030】

また、制御ラインＬ１２の特性インピーダンスと、制御ラインＬ１１，Ｌ１３の特性インピーダンスと、の差分は、大きいほど好ましい。即ち、Ｚ０とＺ１との差分は大きいほど好ましい。例えば、｜Ｚ０－Ｚ１｜は、２０Ω以上であることが好ましく、３０Ω以上であることがさらに好ましい。そこで、本実施の形態では、制御ラインＬ１１，Ｌ１３の特性インピーダンスが５０Ωであるのに対し、制御ラインＬ１２の特性インピーダンスが２０Ωである場合を例に説明する。即ち、本実施の形態では、Ｚ０＝５０Ω、Ｚ１＝２０Ωである場合を例に説明する。但し、Ｚ０，Ｚ１は、Ｚ０とＺ１とが異なっていれば任意の値に設定されてよい。

【0031】

ここで、ステップインピーダンス共振器１５の共振周波数は、制御ラインＬ１２の長さによって決まる。なお、ステップインピーダンス共振器１５の共振周波数には、最も周波数の低い基本モードの共振周波数に加えて、高次のモードの共振周波数が存在する。そのうち、ステップインピーダンス共振器１５の基本モードの共振周波数は、制御ラインＬ１２の長さが波長の２分の１となるような周波数である。以降の説明では、制御ラインＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３からなるステップインピーダンス共振器１５を、半波長のステップインピーダンス共振器とも称す。

【0032】

また、周波数可変型共振器１では、ステップインピーダンス共振器１５の基本モード及び高次のモードのそれぞれの共振周波数と、共振器１０の共振周波数と、が異なるように構成される。なお、以降の説明では、ステップインピーダンス共振器１５の基本モード及び高次のモードのそれぞれの共振周波数を纏めて、単に、ステップインピーダンス共振器１５の共振周波数とも称す。それにより、ステップインピーダンス共振器１５は、制御ラインＬ１２の端部において周波数可変型共振器１の共振エネルギーを反射するフィルタとしての機能を有する。そのため、ステップインピーダンス共振器１５は、共振器１０の共振エネルギーの制御ポートＰ１への透過を防ぐことができる。

【0033】

さらに、ステップインピーダンス共振器１５の透過率が共振器１０の共振周波数ωｒにおいて最も低くなるように設計することにより、ステップインピーダンス共振器１５のフィルタとしての機能を強化することができる。そのためには、ステップインピーダンス共振器１５の共振周波数は、共振器１０の共振周波数の２倍±１０％であることが好ましく、２倍であることが最も好ましい。換言すると、ステップインピーダンス共振器１５の共振周波数は、共振器１０の共振周波数の２倍の０．９倍以上、且つ、共振器１０の共振周波数の２倍の１．１倍以下であることが好ましく、２倍であることが最も好ましい。

【0034】

図２は、シミュレーション実施用の周波数可変型共振器１ａの構成例を示す回路図である。周波数可変型共振器１ａは、周波数可変型共振器１（図１に例示）と比較して、共振器１０から制御ポートＰ１へ漏出する励振エネルギーをシミュレーションによって定量的に評価するために、当該シミュレーションに用いられる信号を入出力するための入出力ラインＬ４をさらに備える。入出力ラインＬ４の一端は、外部との間で信号の入出力が行われる入出力ポートＰ４に接続されている。入出力ラインＬ４の他端は、共振器１０に接続されている。また、入出力ラインＬ４上には、キャパシタ１３が設けられている。つまり、入出力ポートＰ４と、共振器１０とは、キャパシタ１３を介してラインＬ４によって結合されている。周波数可変型共振器１ａのその他の構成については、周波数可変型共振器１と同様であるため、その説明を省略する。以下、周波数可変型共振器１の内部損失については、周波数可変型共振器１ａを用いてシミュレーションを行うことにより調査されている。

【0035】

図３は、周波数可変型共振器１ａのシミュレーション結果を示す図である。図３では、周波数可変型共振器１ａにおける、共振器１０の励振周波数と、物理量Ｓ２１の絶対値と、の関係が示されている。図３において、横軸は、共振器１０の励振周波数を表し、縦軸は、物理量Ｓ２１の絶対値を表している。なお、物理量Ｓ２１は、Ｓパラメータの一つであって、その絶対値の二乗は、第１ポートと第２ポートとが存在する場合において、第１ポートに供給されたエネルギーのうち、第２ポートに透過するエネルギーの割合を示している。周波数可変型共振器１ａでは、入出力ポートＰ４が第１ポートに対応し、制御ポートＰ１が第２ポートに対応する。

【0036】

図３を参照すると、共振器１０の共振周波数である１１．１５３８ＧＨｚでは、物理量Ｓ２１の絶対値が、最大値である０．０２９１を示している。これは、例えば入出力ポートＰ４に１０００ｍＷの電力が供給された場合、制御ポートＰ１に約０．８ｍＷ（＝１０００ｍＷ×（０．０２９１）＾２）の電力が透過することを意味する。それに対し、周波数可変型共振器５ａでは、入出力ポートＰ６に１０００ｍＷの電力が供給された場合、制御ポートＰ５に約８．０ｍＷの電力が透過していた。したがって、周波数可変型共振器１ａは、周波数可変型共振器５ａと比較して、共振器１０から制御ポートＰ１へのエネルギーの透過（漏出）を大幅に抑制することができる。

【0037】

なお、周波数可変型共振器１ａが搭載される回路の集積度を上げるためには、周波数可変型共振器１ａの回路規模はできるだけ小さい方がよい。

【0038】

そこで、まず、制御ラインＬ１３の長さをできるだけ短くすることを検討する。具体的には、制御ラインＬ１３の長さが異なる周波数可変型共振器１ａに対して電磁界シミュレーションを行う。図４は、制御ラインＬ１３の長さと、制御ポートＰ１に透過する電力と、の関係を示す図である。図４に示すように、制御ラインＬ１３が長いほど、共振器１０から制御ポートＰ１への電力の透過、即ち、周波数可変型共振器１ａの内部損失が抑制されている。特に、共振器１０から制御ポートＰ１への電力の透過を、ステップインピーダンス共振器１５を有しない周波数可変型共振器５ａと比較して３０％以下に抑えるためには、制御ラインＬ１３の長さは１．０ｍｍ以上である必要がある。１．０ｍｍという長さは、量子ビットの共振周波数（１１．１５３８ＧＨｚ）に対する波長のおよそ１２分の１である。したがって、制御ラインＬ１３の長さは、共振器１０の共振周波数に対する波長の１２分の１以上であることが好ましいと言える。

【0039】

次に、制御ラインＬ１をできるだけ小さなエリアに配置することを検討する。図５は、周波数可変型共振器１ａのレイアウトの一例を示す図である。図５の例では、制御ラインＬ１（換言すると、ステップインピーダンス共振器１５）が、部分的に湾曲するようにして配置されている。このようなレイアウト構造は、メアンダ型のレイアウト構造と呼ばれる。なお、制御ラインＬ１のレイアウト構造は、図５に示すメアンダ型に限られず、任意に湾曲された他のレイアウト構造であってもよい。このように、制御ラインＬ１を部分的に湾曲させて配置することにより、周波数可変型共振器１ａの回路規模を小さくすることができる。

【0040】

また、比較的長い制御ラインＬ１を有する周波数可変型共振器１の構造では、意図した共振とは異なる共振がチップに現れることがある。このような現象を防ぐため、制御ラインＬ１を囲むように形成されたエアブリッジを設けることが好ましい。エアブリッジとは、制御ラインＬ１によって隔てられたグランド両面を、超伝導体を用いて空中架橋して電気的に接続する構造のことである。この構造の有効性は、例えば特許文献２及び特許文献３に記載されている。ただ、エアブリッジとは限らず、グランド両面を電気的に接続する導体であればよい。

【0041】

このように、本実施の形態にかかる周波数可変型共振器１は、制御ラインＬ１にステップインピーダンス共振器１５を設けることにより、共振器１０から制御ポートＰ１へのエネルギーの透過、即ち、内部損失、を抑制することができる。

【0042】

なお、周波数可変型共振器１は、例えばトランズモンに用いられてもよいし、ジョセフソンパラメトリック発振器やジョセフソンパラメトリック増幅器に用いられてもよい。ジョセフソンパラメトリック増幅器での内部Ｑ値の上昇は信号の増幅効率（量子効率）の上昇につながる。ただし、周波数可変型共振器１をトランズモンに適用する場合において、高周波の制御信号Ｓ１が用いられる場合、制御ラインＬ１に含まれるステップインピーダンス共振器１５を考慮して、外部から制御ポートＰ１に供給される高周波の制御信号Ｓ１を予め校正しておく必要がある。つまり、周波数可変型共振器１をトランズモンに適用する場合には、ステップインピーダンス共振器１５を透過した後の制御信号Ｓ１が所望の矩形波になるように、ステップインピーダンス共振器１５を透過する前の制御信号Ｓ１を予め校正しておく必要がある。

【0043】

＜実施の形態２＞
図６は、実施の形態２に係る周波数可変型共振器２の構成例を示す回路図である。周波数可変型共振器２は、超伝導を用いた量子情報処理回路において、特に、ジョセフソンパラメトリック発振器や、ジョセフソンパラメトリック増幅器に用いられる、超伝導量子回路である。

【0044】

周波数可変型共振器２は、周波数可変型共振器１（図１に例示）と比較して、制御ラインＬ１の代わりに制御ラインＬ２を備える。制御ラインＬ２の一端は、制御ポートＰ２＿１に接続され、制御ラインＬ２の他端は、制御ポートＰ２＿２に接続されている。制御ポートＰ２＿１，Ｐ２＿２の少なくとも何れかには、外部から直流又は高周波の制御信号Ｓ２が供給される。また、制御ラインＬ２は、ＳＱＵＩＤ１１と磁気的に結合されている。なお、図中のＭは、磁気的に結合している状態を表している。周波数可変型共振器２では、共振器１０が、外部から制御ポートＰ２＿１，Ｐ２＿２の少なくとも何れかに供給される制御信号Ｓ２に応じた周波数で発振する。

【0045】

ここで、制御ラインＬ２は、ステップインピーダンス共振器２５を構成する制御ラインＬ２１，Ｌ２２，Ｌ２３を含む。なお、ステップインピーダンス共振器２５は、ステップインピーダンス共振器１５に対応し、制御ラインＬ２１，Ｌ２２，Ｌ２３は、それぞれ制御ラインＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３に対応する。制御ラインＬ２１，Ｌ２２，Ｌ２３は、制御ラインＬ２において、制御ポートＰ２＿１から制御ポートＰ２＿２にかけて順番に設けられている。ここで、本実施の形態では、制御ラインＬ２２の中央付近とＳＱＵＩＤ１１とが磁気的に結合されている。周波数可変型共振器２のその他の構造については、周波数可変型共振器１と同様であるため、その説明を省略する。

【0046】

半波長のステップインピーダンス共振器２５では、制御ラインＬ２２の中央付近において、電流が最も大きくなり、制御信号Ｓ２の増幅効果を見込めるため、制御ラインＬ２２の中央付近とＳＱＵＩＤ１１とを磁気的に結合することにより、制御ポートＰ２＿１，Ｐ２＿２の少なくとも何れかから供給される制御信号Ｓ２のパワーを低く設定することができる。

【0047】

（周波数可変型共振器２の変形例）
図７は、周波数可変型共振器２（図６に例示）の変形例を周波数可変型共振器２ａとして示す回路図である。周波数可変型共振器２ａでは、制御ラインＬ２の他端が、制御ポートＰ２＿２の代わりにグランドＧＮＤに接続（終端）されている。周波数可変型共振器２ａのその他の構造については、周波数可変型共振器２と同様であるため、その説明を省略する。それにより、周波数可変型共振器２ａは、周波数可変型共振器２よりも構造を簡略化することができる。また、周波数可変型共振器２ａでは、周波数可変型共振器２よりも制御ポートの数が少ないため、制御ポートに接続される高周波配線の数の削減が可能である。

【0048】

＜実施の形態３＞
図８は、実施の形態３に係る周波数可変型共振器３の構成例を示す回路図である。周波数可変型共振器３は、周波数可変型共振器１（図１に例示）と比較して、制御ラインＬ１の代わりに制御ラインＬ３を備える。制御ラインＬ３の一端は、制御ポートＰ３に接続され、制御ラインＬ３の他端は、グランドＧＮＤに接続（終端）されている。制御ポートＰ１には、外部から例えば直流又は高周波の制御信号Ｓ３が供給される。

【0049】

制御ラインＬ３は、ステップインピーダンス共振器３５を構成する制御ラインＬ３１，Ｌ３２を含む。なお、ステップインピーダンス共振器３５は、ステップインピーダンス共振器１５に対応し、制御ラインＬ３１，Ｌ３２は、それぞれ制御ラインＬ１１，Ｌ１２に対応する。ステップインピーダンス共振器３５には、制御ラインＬ１３に対応する制御ラインは存在しない。制御ラインＬ３１，Ｌ３２は、制御ラインＬ３において、制御ポートＰ３からグランドＧＮＤにかけて順番に設けられている。また、本実施の形態では、制御ラインＬ３２とＳＱＵＩＤ１１とが磁気的に結合されている。周波数可変型共振器３では、共振器１０が、外部から制御ポートＰ３に供給される制御信号Ｓ３に応じた周波数で発振する。

【0050】

ここで、ステップインピーダンス共振器３５の基本モードの共振周波数は、制御ラインＬ３２の長さが波長の４分の１となるような周波数である。以降の説明では、制御ラインＬ３１，Ｌ３２からなるステップインピーダンス共振器３５を、四分の一波長のステップインピーダンス共振器とも称す。それに対し、ステップインピーダンス共振器１５の基本モードの共振周波数は、制御ラインＬ１２の長さが波長の２分の１となるような周波数であった。つまり、ステップインピーダンス共振器３５では、基本モードの共振周波数を設定するために、制御ラインＬ３２の長さを、ステップインピーダンス共振器１５の制御ラインＬ１２の長さよりも短くすることができる。そのため、周波数可変型共振器３は、周波数可変型共振器１よりも、回路規模を抑制することができる

【0051】

以上、図面を参照して、本開示の実施の形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等が可能である。

【0052】

上記の実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

【0053】

（付記１）
超伝導量子干渉計と、前記超伝導量子干渉計とともに閉ループを構成するキャパシタと、を有する第１共振器と、
第１制御ポートに接続され、且つ、前記超伝導量子干渉計に磁気的に結合された、制御ラインと、
を備え、
前記制御ラインは、
特性インピーダンスが第１インピーダンス値を示す第１ラインと、
前記第１ラインよりも前記超伝導量子干渉計に磁気的に結合された部分に近い側に設けられ、且つ、特性インピーダンスが前記第１インピーダンス値とは異なる第２インピーダンス値を示す第２ラインと、
を少なくとも含む、
超伝導量子回路。

【0054】

（付記２）
外部から制御信号が前記第１制御ポートに供給されることによって発生する、前記第１共振器の共振、の周波数である第１共振周波数と、前記第１ラインと前記第２ラインとによって構成される第２共振器の共振周波数である第２共振周波数と、が異なるように構成される、
付記１に記載の超伝導量子回路。

【0055】

（付記３）
前記第２共振周波数は、前記第１共振周波数の２倍の０．９倍以上、前記第２共振周波数の２倍の１．１倍以下である、
付記２に記載の超伝導量子回路。

【0056】

（付記４）
前記制御ラインの一端は、前記第１制御ポートに接続され、前記制御ラインの他端は、グランドに接続され、
前記第２ラインが、前記超伝導量子干渉計に磁気的に結合されている、
付記１～３の何れか一項に記載の超伝導量子回路。

【0057】

（付記５）
前記制御ラインは、
前記第１ラインとの間に前記第２ラインを介すようにして設けられ、特性インピーダンスが前記第１インピーダンス値を示す第３ラインをさらに含む、
付記１に記載の超伝導量子回路。

【0058】

（付記６）
外部から制御信号が前記第１制御ポートに供給されることによって発生する、前記第１共振器の共振、の周波数である第１共振周波数と、前記第１ライン、前記第２ライン、及び、前記第３ラインによって構成される第２共振器の共振周波数である第２共振周波数と、が異なるように構成される、
付記５に記載の超伝導量子回路。

【0059】

（付記７）
前記第２共振周波数は、前記第１共振周波数の２倍の０．９倍以上、前記第２共振周波数の２倍の１．１倍以下である、
付記６に記載の超伝導量子回路。

【0060】

（付記８）
前記第３ラインは、外部から制御信号が前記第１制御ポートに供給されることによって発生する、前記第１共振器の共振、の周波数である第１共振周波数、に対する波長の１２分の１の長さに構成されている、
付記５～７の何れか一項に記載の超伝導量子回路。

【0061】

（付記９）
前記制御ラインの一端は、前記第１制御ポートに接続され、前記制御ラインの他端は、グランドに接続され、
前記第３ラインが、前記超伝導量子干渉計に磁気的に結合されている、
付記５～８の何れか一項に記載の超伝導量子回路。

【0062】

（付記１０）
前記制御ラインの一端は、前記第１制御ポートに接続され、前記制御ラインの他端は、グランド又は第２制御ポートに接続され、
前記第２ラインが、前記超伝導量子干渉計に磁気的に結合されている、
付記５～８の何れか一項に記載の超伝導量子回路。

【0063】

（付記１１）
前記第１共振器は、ジョセフソンパラメトリック発振器又はジョセフソンパラメトリック増幅器として用いられる、
付記１０に記載の超伝導量子回路。

【0064】

（付記１２）
前記第１インピーダンス値は、５０Ω及び７５Ωの少なくとも何れかである、
付記１～１１の何れか一項に記載の超伝導量子回路。

【0065】

（付記１３）
前記第２インピーダンス値は、前記第１インピーダンス値との差分が２０Ω以上である、付記１～１２の何れか一項に記載の超伝導量子回路。

【0066】

（付記１４）
前記制御ラインは、部分的に湾曲した湾曲部を有する、
付記１～１３の何れか一項に記載の超伝導量子回路。

【0067】

（付記１５）
前記制御ラインを囲むように形成されたエアブリッジ構造をさらに備える、
付記１～１４の何れか一項に記載の超伝導量子回路。

【符号の説明】

【0068】

１ 周波数可変型共振器
１ａ 周波数可変型共振器
２ 周波数可変型共振器
２ａ 周波数可変型共振器
３ 周波数可変型共振器
５ 周波数可変型共振器
５ａ 周波数可変型共振器
１０ 共振器
１１ ＳＱＵＩＤ
１２ キャパシタ
１３ キャパシタ
１５ ステップインピーダンス共振器
２５ ステップインピーダンス共振器
３５ ステップインピーダンス共振器
５０ 共振器
５１ ＳＱＵＩＤ
５２ キャパシタ
５３ キャパシタ
Ｌ１ 制御ライン
Ｌ２ 制御ライン
Ｌ３ 制御ライン
Ｌ４ 入出力ライン
Ｌ５ 制御ライン
Ｌ６ 入出力ライン
Ｌ１１ 制御ライン
Ｌ１２ 制御ライン
Ｌ１３ 制御ライン
Ｌ２１ 制御ライン
Ｌ２２ 制御ライン
Ｌ２３ 制御ライン
Ｌ３１ 制御ライン
Ｌ３２ 制御ライン
Ｐ１ 制御ポート
Ｐ２＿１ 制御ポート
Ｐ２＿２ 制御ポート
Ｐ３ 制御ポート
Ｐ４ 入出力ポート
Ｐ５ 制御ポート
Ｐ６ 入出力ポート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】