特許 7223881 調整可能な電流演算子を有する量子ビットアセンブリ

(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】

(24)【登録日】2023-02-08

(45)【発行日】2023-02-16

(54)【発明の名称】調整可能な電流演算子を有する量子ビットアセンブリ

(51)【国際特許分類】

   G06N 10/20 20220101AFI20230209BHJP

   G06F 7/38 20060101ALI20230209BHJP

【ＦＩ】

G06N10/20

G06F7/38 510

G06F7/38 610

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2021569131

(86)(22)【出願日】2020-05-14

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-08-17

(86)【国際出願番号】 US2020032909

(87)【国際公開番号】W WO2020256864

(87)【国際公開日】2020-12-24

【審査請求日】2022-01-06

(31)【優先権主張番号】16/445,889

(32)【優先日】2019-06-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】520128820

【氏名又は名称】ノースロップ グラマン システムズ コーポレーション

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡 亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田 直

(74)【代理人】

【識別番号】100202751

【弁理士】

【氏名又は名称】岩堀 明代

(74)【代理人】

【識別番号】100208580

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 玲奈

(74)【代理人】

【識別番号】100191086

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 香元

(72)【発明者】

【氏名】クラーク，デイビッド ジェームズ

【審査官】関口 明紀

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／１５１９２９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／１４０２１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／２６５２２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／７５１０６（ＷＯ，Ａ２）

【文献】特表２００５－５１３６８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０６Ｎ １０／２０

Ｇ０６Ｆ ７／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

量子ビットアセンブリであって、
第１のジョセフソン接合および第２のジョセフソン接合を含む第１の超伝導ループと、
前記第２のジョセフソン接合および第３のジョセフソン接合を含む第２の超伝導ループと、
前記第３のジョセフソン接合および第４のジョセフソン接合を含む第３の超伝導ループと、
前記第２の超伝導ループに制御磁束を提供するように構成された磁束源であって、それにより、前記磁束源によって前記第２の超伝導ループに提供される制御磁束の大きさを変更することによって、前記第１の超伝導ループ内の電流に対応する第１の量子演算子と、前記第３の超伝導ループ内の電流に対応する第２の量子演算子との間の有効な交換関係を変更することができる、磁束源と、
を含む、量子ビットアセンブリ。

【請求項2】

前記第１の量子演算子が、前記量子ビットアセンブリのための選択されたＸ軸を表しており、前記第２の量子演算子が、前記第２の超伝導ループに提供される制御磁束の大きさを変更することによって、ブロッホ球の平面内の任意の軸を表すように構成することができる、請求項１に記載の量子ビットアセンブリ。

【請求項3】

前記ループに隣接する超伝導アイランド上の電圧に対応する量子演算子が、前記Ｘ軸および前記任意の軸の各々に垂直な前記ブロッホ球内の第３の軸を表している、請求項２に記載の量子ビットアセンブリ。

【請求項4】

前記制御磁束が、第１の制御磁束であり、前記量子ビットアセンブリが、第４の超伝導ループおよび第５の超伝導ループをさらに含み、前記第４のループが、前記第１のジョセフソン接合および第５のジョセフソン接合を含み、前記第５のループが、前記第５のジョセフソン接合および第６のジョセフソン接合を含み、前記磁束源が、前記第４の超伝導ループに第２の制御磁束を提供するように構成されており、それにより、前記第２の制御磁束の大きさを変更することによって、前記第１の量子演算子と、前記第５の超伝導ループ内の電流に対応する第３の量子演算子との間の有効な交換関係を変更することができる、請求項１に記載の量子ビットアセンブリ。

【請求項5】

前記第１の超伝導ループが、前記第１のジョセフソン接合によって中断された接地への第１の経路、および前記第２のジョセフソン接合によって中断された接地への第２の経路を含み、前記第２の超伝導ループが、前記接地への第２の経路、および前記第３のジョセフソン接合によって中断された接地への第３の経路を含み、前記第３の超伝導ループが、前記接地への第３の経路、および前記第４のジョセフソン接合によって中断された接地への第４の経路を含む、請求項１に記載の量子ビットアセンブリ。

【請求項6】

前記第１のジョセフソン接合、前記第２のジョセフソン接合、前記第３のジョセフソン接合、および前記第４のジョセフソン接合のうちの少なくとも１つが、複合ジョセフソン接合である、請求項１に記載の量子ビットアセンブリ。

【請求項7】

前記第３の超伝導ループに結合され、前記第２の量子演算子の状態を測定するように構成された読み出し共振器をさらに含む、請求項１に記載の量子ビットアセンブリ。

【請求項8】

システムであって、
請求項１に記載の量子ビットアセンブリと、
前記量子ビットアセンブリが関与する複数の論理演算の各々の間に、前記第２の量子演算子によって表されるブロッホ球の軸を記録するように構成された古典的なコンピュータと、
を含む、システム。

【請求項9】

量子システムであって、
請求項１に記載の量子ビットアセンブリであって、前記磁束源が、第１の磁束源であり、前記制御磁束が、第１の制御磁束である、量子ビットアセンブリと、
第２の量子ビットアセンブリであって、
第５のジョセフソン接合および第６のジョセフソン接合を含む第４の超伝導ループと、
前記第６のジョセフソン接合および第７のジョセフソン接合を含む第５の超伝導ループと、
前記第７のジョセフソン接合および第８のジョセフソン接合を含む第６の超伝導ループと、
前記第５の超伝導ループに第２の制御磁束を提供するように構成された第２の磁束源であって、それにより、前記第２の制御磁束の大きさを変更することによって、前記第４の超伝導ループのうちの１つの中の電流に対応する第３の量子演算子と、前記第６の超伝導ループ内の電流に対応する第４の量子演算子との間の有効な交換関係を変更することができる、第２の磁束源と、
を含む、第２の量子ビットアセンブリと、
前記第３の超伝導ループを前記第６の超伝導ループに結合するように構成された結合アセンブリと、
を含む、量子システム。

【請求項10】

前記結合アセンブリが、複合ジョセフソン接合を含む調整可能なカプラである、請求項９に記載の量子システム。

【請求項11】

方法であって、
第１の量子ビットに関連付けられ、関連する第１の量子演算子を有する第１の超伝導ループを、第２の量子ビットに関連付けられ、関連する第２の量子演算子を有する第２の超伝導ループに結合することと、
前記第１の量子ビットに第１の制御磁束を提供して、ブロッホ球の軸を表すように前記第１の量子演算子を調整することと、
前記第２の量子ビットに第２の制御磁束を提供して、前記ブロッホ球の軸を表すように前記第２の量子演算子を調整し、それにより、前記第１の量子ビットおよび前記第２の量子ビットが、前記第１の量子演算子および前記第２の量子演算子に関連付けられたブロッホ球の軸に沿って結合されることと、
を含む、方法。

【請求項12】

前記第１の量子ビットに前記第１の制御磁束を提供することが、前記第１の制御磁束を、前記第１の超伝導ループと少なくとも１つのジョセフソン接合を共有する第３の超伝導ループに提供することを含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

第１の電流演算子によって表されるブロッホ球の軸が、

【数1】

に比例するように前記第１の制御磁束に関する値（φ）とともに変化する、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記第１の超伝導ループを前記第２の超伝導ループに結合することが、前記第１の超伝導ループと前記第２の超伝導ループとの間に配置された調整可能なカプラアセンブリに第３の制御磁束を提供することを含む、請求項１１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願
本出願は、２０１９年６月１９日に出願された米国特許出願第１６／４４５８８９号の優先権を主張し、その全体が本明細書に組み込まれる。

【0002】

本発明は、量子コンピューティング、より具体的には、調整可能な電流演算子を有する量子ビットアセンブリに関する。

【背景技術】

【0003】

古典的な情報は、０または１と称される２つの状態のいずれかに存在し得る。量子ビットはまた、２つの状態｜０＞および｜１＞を有するが、「重ね合わせ」で存在し得、ここで、量子ビットは、任意の時点で各状態に存在するための複雑な確率振幅を有している。状態｜０＞にある確率振幅はｃｏｓ（θ／２）として表すことができ、状態｜１＞にある確率振幅はｓｉｎ（θ／２）ｅｘｐ（ｉ ）として表すことができる。これらの角度は、単位半径の「ブロッホ球」上の点を表すものとして視覚化でき、量子ビットの状態は、球の中心からこの点まで伸びる「量子ビット偏光ベクトル」によって特徴付けることができる。量子ビットの状態が読み出されるとき、つまり古典的なビットに転送されるとき、それは通常、Ｚ軸に沿って読み出される。かかる読み出しは、垂直な「ｚ軸」に沿った偏光ベクトルの射影ｃｏｓ（θ）に関連する確率（１＋ｃｏｓ（θ））／２で古典的なビット値０を返す。同様に、読み出しは確率（１－ｃｏｓ（θ））／２で１を返す。値ｃｏｓ（θ）はパウリＺ演算子の期待値であり、この種類の読み出しは「パウリＺ」方向に沿った読み出しと称される。大部分の超伝導量子ビットは、単一の軸に沿ってのみ読み出すことができ、これは通常、「パウリＺ」方向と称される。

【発明の概要】

【0004】

本発明の一態様によれば、量子ビットアセンブリは、第１のジョセフソン接合および第２のジョセフソン接合を含む第１の超伝導ループと、第２のジョセフソン接合および第３のジョセフソン接合を含む第２の超伝導ループと、第３のジョセフソン接合および第４のジョセフソン接合を含む第３の超伝導ループと、を含む。磁束源は、第２の超伝導ループに制御磁束を提供し、それにより、磁束源によって第２の超伝導ループに提供される制御磁束の大きさを変更することによって、第１の超伝導ループの電流に対応する第１の量子演算子と第３の超伝導ループの電流に対応する第２の量子演算子との間の有効な交換関係を変更することができるように構成されている。

【0005】

本発明の別の態様によれば、方法は、第１の量子ビットに関連付けられ、関連する第１の量子演算子を有する第１の超伝導ループを、第２の量子ビットに関連付けられ、関連する第２の量子演算子を有する第２の超伝導ループに結合することを含む。第１の量子ビットに第１の制御磁束が提供され、ブロッホ球の軸を表すように第１の量子演算子が調整される。第２の量子ビットに第２の制御磁束が提供され、ブロッホ球の軸を表すように第２の量子演算子が調整される。

【0006】

本発明のさらに別の態様によれば、制御磁束の第１の値は、量子ビットの第１の超伝導ループに提供され、一組の基底状態を有する第２の超伝導ループ内の電流に対応する量子演算子を提供する。制御磁束の第２の値は、量子ビットの第１の超伝導ループに提供され、量子演算子に関連付けられた基底状態のセットを改変する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】調整可能な電流演算子を備えた量子ビットアセンブリを示す。

【図2】調整可能な電流演算子を有する量子ビットアセンブリの例を示す。

【図3】２つの量子ビットアセンブリが調整可能なカプラを介して結合されて、２つの量子ビットアセンブリ間の選択可能な結合を提供するシステムの一例を示す。

【図4】量子ビットで電流演算子を提供する方法を示す。

【図5】本発明の一態様による量子ビットの回転を行う方法を表す。

【図6】ブロッホ球の特定の軸に沿って２つの量子ビットを結合する方法を示す。

【発明を実施するための形態】

【0008】

一部の量子プラットフォームでは、測定装置を比較的容易に受動的に回転させることができるが、特に以前の形態の超伝導量子ビットを含む他の多くの量子プラットフォームでは、概して、一度に１つの有効スピン軸に沿ってしか読み出しを行うことができない。この読み出し軸は、電圧読み出し、持続電流読み出し、または分散読み出しと称されるシステムハミルトニアンに沿った軸に沿った読み出しの３つの形式のいずれかを取ることが多い。多くのシステムでは、これらの読み出し方法は、互いに同じ有効スピン軸を測定するか、構成空間の種々のポイントで情報を提供しない。例えば、複合ジョセフソン接合によってシャントされたインダクタで構成される調整可能な磁束量子ビットは、量子ビットがダブルウェル領域にあるときにインダクタを流れる持続電流によって読み出すことができる。複合ジョセフソン接合を循環する電流は、別の可能な読み出しチャネルであり、これは、複合ジョセフソン接合磁束がメインループに出入りする磁束渦のホッピングに対し支配的であるため、原理的にインダクタの持続電流に直交することができる。残念ながら、循環する複合ジョセフソン接合電流の大きさは、ダブルウェル領域で急激に低下するため、インダクタを流れる持続電流の最適な領域での直交軸の測定が不可能になる。

【0009】

本明細書で説明する量子ビットアセンブリは、調整可能な超伝導ループを利用して、一次読み出し軸に垂直な平面内の任意の軸を含む、複数の可能な方向に沿った電流演算子を表す。例えば、２つの電流演算子は、量子ビットの主要な演算子だけでなく、互いに直交するように調整でき、これにより、量子ビットは、「パウリＸ」方向、「パウリＹ」方向、「パウリＺ」方向の３つの独立した直交軸に沿って読み出すことができる。電流演算子は、種々の軸に沿った量子ビットの結合を可能にするように選択でき、これにより、設計者フェーズでの物質の構築が容易になる。

【0010】

量子ビットアセンブリの１つの実装形態では、複数の電流演算子および１つの電圧演算子からの超伝導量子ビットの有効なスピン軸のセットが提供される。一般的な意味で、この量子ビット設計の概念により、ローカル量子ビット測定軸の受動的な変換が、古典的なコプロセッサで実行および連結され得る量子演算用の超伝導量子ビットで使用可能なツールボックスに追加される。電流演算子および電圧演算子は常に直交しており、低エネルギー部分空間では可換ではないが、種々の電流演算子の交換関係は、外部磁束を適用することで調整できる。この外部磁束は古典的に設定されているため、量子ビットの受動的な回転は、測定演算子を選択するか、かつ／または磁束を設定することによって実行できる。したがって、一連の回転の忠実度は、中間回転のコヒーレンス時間ではなく、一連の最後の単一測定の読み出し値によって制限される。

【0011】

図１は、調整可能な電流演算子を有する量子ビットアセンブリ１００を示している。第１の超伝導ループ１０２は、第１のジョセフソン接合１０４および第２のジョセフソン接合１０６を含む。第２の超伝導ループ１１２は、第２のジョセフソン接合１０６および第３のジョセフソン接合１１４を含む。第３の超伝導ループ１２２は、第３のジョセフソン接合１１４および第４のジョセフソン接合１２４を含む。一実施形態では、各ループ１０２、１１２、および１２２は、超伝導接地への２つの接続として形成され得ることが理解されよう。一実施形態では、第１、第２、第３、および第４のジョセフソン接合１０４、１０６、１１２、および１１４の各々は、同じ臨界電流を有する。さらに、各ループは、直列または並列のいずれかに配置された複数のジョセフソン接合を含み得ることが理解されよう。

【0012】

ジョセフソン接合１０４、１０６、１１４、および１２４は、量子ビットアセンブリ１００の一部を分離し、これは、本明細書では超伝導アイランド１３０と称される。電圧源１３２は、オフセット電圧を超伝導アイランド１３０に印加するように構成される。一実施形態では、コンデンサ（図示せず）を超伝導アイランド１３０に結合して、オフセット電圧を提供することができる。磁束源１４０は、超伝導ループ１０２、１１２、および１２２の各々に選択的に磁束を提供するように構成される。具体的には、第２の超伝導ループに提供される制御磁束を選択して、第１の超伝導ループ１０２および第３の超伝導ループ１２２の各々によって表されるそれぞれの電流演算子間の交換関係を調整することができる。磁束源１４０は、電流を運ぶインダクタなど、磁束を提供し得る種々の回路デバイスおよび要素のいずれかとして実装することができる。磁束源１４０は、種々の超伝導ループ１０２、１１２、および１２２に磁束を提供するための複数の個別の構成要素を含み得ることが理解されよう。

【0013】

磁束量子の半分の磁束がループ１０２、１１２、および１２２のいずれかに通されると、ループはメインノードから接地への電流を通さず、ジョセフソン接合の合計静電容量に等しい静電容量を持つコンデンサとして効果的に作用する。メインノードから接地への電流の流れを停止するために必要な磁束調整は、その要素のセットの「キャンセルポイント」と称される。同様に、電圧源１３２によって提供される電圧は、超伝導アイランドの充電エネルギーを縮退点にシフトするように調整することができる。

【0014】

ループの各々を通る磁束がキャンセルポイントにあり、電圧源１３０からの電圧が縮退点に調整されている場合、状態｜ｎ＞および｜ｎ＋１＞を含む計算部分空間のハミルトニアンは、正確にゼロなる。このように調整すると、量子ビット１００はゼロ以外の電流および電圧双極子を保持し、量子ビットのエネルギーを外部電圧または磁束によって調整し、または複数の量子ビット間の結合を可能にする。２つの電流双極子演算子Ｊ_ｘおよびＪ_ｙ、ならびに電圧双極子演算子Ｖ_ｚを含む複数の演算子は、量子ビット状態への影響に従って定義できる。第１の電流双極子演算子Ｊ_ｘは、２つの固有状態を有し、第１の超伝導ループ１０２内の電流のそれぞれの方向を表す。同様に、第２の電流双極子演算子Ｊ_ｙは、２つの固有状態を有し、第３の超伝導ループ１２２内の電流のそれぞれの方向を表す。電圧双極子演算子は２つの固有状態を有しており、各々が超伝導アイランド１３０と接地との間の測定された電圧を表す。

【0015】

電流双極子演算子は、電圧双極子演算子と可換ではなく、第２の超伝導ループ１１２に適用される制御磁束に応じて、互いに可換でない場合がある。第２の超伝導ループ１１２に適用される制御磁束が磁束量子の４分の１に等しい大きさを有するとき、２つの電流双極子演算子および電圧双極子演算子は、量子ビットアセンブリ１００の基底ベクトルの直交トライアドを形成し、これは、Ｊ_Ｘ＝｜Ｊ_Ｘ｜σ_Ｘ、Ｊ_Ｙ＝±｜Ｊ_Ｙ｜σ_ＹおよびＶ_Ｚ＝｜Ｖ_Ｚ｜σ_Ｚとして正規化できる。ここで、σ_Ｘ、σ_Ｙ、およびσ_Ｚはパウリ行列であり、｜Ｊ_Ｘ｜は、量子ビットがパウリＸ演算子の＋１固有状態で分極されているときの持続電流であり、｜Ｊ_Ｙ｜は、量子ビットがパウリＹ演算子の＋１固有状態で分極されているときの持続電流であり、｜Ｖ_Ｚ｜は、量子ビットがパウリＺ演算子の＋１固有状態にあるときに、超伝導アイランド１３０と接地との間で測定できる電圧である。この場合、電流演算子は直交しているため、可換ではない。第２の超伝導ループ１１２に適用される制御磁束の他の値については、電流演算子は並列であり得、したがって可換であり得る。

【0016】

この量子ビット設計では、恒等演算子は、電流演算子または電圧演算子の計算部分空間への射影には現れない。これは、偽の単一量子ビットハミルトニアン項を作成せずに量子ビットを結合するための有利な機能である。さらに、量子ビットがパウリＺ演算子の＋１固有状態にある場合、第１および第３の超伝導ループ１０２および１２２の電流の期待値はゼロである。しかしながら、それらのループのうちの１つ、例えば、第１の超伝導ループ１０２が測定される場合、量子ビットがパウリＸ演算子の固有状態の１つに射影されるとき、持続電流が現れる。この意味で、電流および電圧の測定は、量子ビット状態の量子非破壊プローブである。

【0017】

磁束源によって第２の超伝導ループ１１２に提供される磁束の大きさを変更することによって、第１の超伝導ループ１０２と第３の超伝導ループ１２２との間の電流演算子間の有効な交換関係を変更することができる。具体的には、第２の超伝導ループ１１２に供給される制御磁束Φが所定の値に設定されると、第３の超伝導ループ１２２内の電流は、

【数1】

に比例する演算子として接地空間で作用する。したがって、制御磁束を調整して、電圧演算子によって定義された軸に垂直な平面内のブロッホ球の任意の軸に沿って量子ビットを測定または結合できるようにすることができる。

【0018】

図２は、調整可能な電流演算子を有する量子ビットアセンブリ２００の例を示している。量子ビットアセンブリは、超伝導アイランド２１０からの接地への複数の接続を含み、各接続は、関連するジョセフソン接合２１２～２１７によって中断される。接地への所与の接続は、直列または並列のいずれかに配置された複数のジョセフソン接合を含み得ることが理解されよう。例えば、接地への各接続は、複合ジョセフソン接合によって中断され得る。図１の量子ビットアセンブリ１００と同様に、量子ビットアセンブリ２００は、電圧源（図示せず）を利用して、超伝導アイランド２１０および磁束源（図示せず）にオフセット電圧を提供し、接地への接続によって形成された超伝導ループ（例えば、２２２～２２６）に磁束を選択的に提供する。

【0019】

本明細書で説明するように、任意の数の調整可能な電流演算子を有する量子ビットアセンブリのハミルトニアンは、次のように表すことができる。

【数2】

【0020】

式中、Ｅ_Ｃは、ジョセフソン接合容量からの全ての寄与を含む超伝導アイランドの総充電エネルギーであり、Ｅ_Ｊｉは、ジョセフソン接合のｉ番目のジョセフソンエネルギーであり、ｎおよびθはメインノードの電荷および位相の演算子であり、Ｍはジョセフソン接合の数でありｎ_ｇは、例えばゲート電圧によって設定されるメインアイランドのオフセット変化であり、φ_ｉはｉ番目のジョセフソン接合の正規化された分岐磁束である。

【0021】

より一般的には、ジョセフソン接合はＮ個の区間にグループ化でき、各々が少なくとも２つのジョセフソン接合のセットを含む。かかるシステムの場合、ハミルトニアンは次のように記述できる。

【数3】

【0022】

式中、｛φ｝_ｋは、ｋ番目の区間の一部であるジョセフソン接合の正規化された分岐磁束のセットφ_ｉを表し、関数Ｅ_Ｊ ^（ｋ）（｛φ｝）_ｋは、ｋ番目の区間の全てのジョセフソン接合にわたる集合ジョセフソンエネルギーを表し、関数Ｅ_Ｊ ^（ｋ）（｛φ｝_ｋ）および

【数4】

は、同じ周波数の余弦項の合計と、ｋ番目の区間の一部であるジョセフソン接合の標準規則によって定義される。

【0023】

上記から、Ｅ_Ｊ ^（ｋ）（｛φ｝_ｋ）は正規化された分岐磁束間の差にのみ依存し得、量子ビットアセンブリ２００は、全ての区間に対してＥ_Ｊ ^（ｋ）（｛φ｝_ｋ）＝０である超伝導ループへの磁束の一貫した割り当てが存在するように設計されている。この割り当ては、各区間ｋに対して、同様の割り当てが利用可能な区間ｋのジョセフソン接合のセットから形成できるサブ区間ｋ’がない（つまり、Ｅ_Ｊ ^（ｋ’）（｛φ｝_ｋ’）＝０となるようなｋ’が存在しない）という意味で最大であると想定される。この集合ジョセフソン接合は、特定の区間内の分岐磁束間の差にのみ依存するため、ハミルトニアンを不変のままにして変化させ得るＮ－１個の独立した物理磁束が存在する。一例では、これらの磁束は、各区間の接合の分岐磁束の平均値

【数5】

の差として選択でき、

【数6】

を

【数7】

として表すことができる。ここで、

【数8】

は区間ｋ内の接合の分岐磁束間の差のみに依存する。

【0024】

全ての区間でＥ_Ｊ ^（ｋ）（｛φ｝_ｋ）＝０となる点では、ハミルトニアンは単純にＨ＝Ｅ_Ｃ（ｎ－ｎ_ｇ）^２である。ゲート電荷が半整数値に調整されると、超伝導アイランドの総充電エネルギーの２倍だけ高エネルギー部分空間から分離された縮退した低エネルギー部分空間が提供される。低エネルギー部分空間内で、演算子

【数9】

を識別でき、後者の２つは、位相と電荷の自由度の交換関係から得られる。さらに、Ｅ_Ｊ ^（ｋ）（｛φ｝_ｋ）＝０の場合、区間ｋ内のある物理磁束ｆに共役な物理電流演算子は、

【数10】

のように与えられる。区間の一つ、ｋ_ｘにその区間の分岐磁束の平均値を

【数11】

に設定することにより、ｘ軸として定義でき、それにより、区間の電流がｃｏｓ（θ）に比例する。他の区間の場合、計算部分空間の現在の演算子の方向は、その区間の物理磁束

【数12】

を変えることによって調整できる。例えば、区間の分岐磁束の平均値ｋ_ｙが

【数13】

に設定されている場合、区間ｋ_ｙの循環電流はｓｉｎ（θ）に比例するため、ｙ軸に沿って整列した電流演算子が提供される。

【0025】

図示の例では、第１の電流演算子は、ジョセフソン接合２１２および２１３を含む第１の超伝導ループ２２２に対応する第１の区間で定義され、第２の電流演算子は、ジョセフソン接合２１４および２１５を含む第２の超伝導ループ２２３に対応する第２の区間で定義され、第３の電流演算子は、ジョセフソン接合２１６および２１７を含む第３の超伝導ループ２２４に対応する第３の区間で定義される。各区間の物理的磁束の差は、第４のおよび第５の超伝導ループ２２５および２２６に制御磁束を提供することによって制御することができ、第２のおよび第３の電流演算子の各々を第１の電流演算子に対して調整することができる。

【0026】

図示の例では、第２の超伝導ループ２２３における分岐磁束の平均値は、第２の電流演算子がブロッホ球のｘ軸を表すように、上記のように設定することができる。第１の制御磁束を、選択された大きさで第４の超伝導ループ２２５に適用して、第１の電流演算子の方向をブロッホ球内の所望の方向に調整することができる。実際には、第４の超伝導ループ２２５に提供される大きさΦの制御磁束は、

【数14】

に比例する方向に演算子を整列させる。同様に、第２の制御磁束を、選択された大きさで第５の超伝導ループ２２６に適用して、第３の電流演算子の方向をブロッホ球内の所望の方向に調整することができる。結果として、量子ビットアセンブリ２００は、パウリＺ軸に対応する電圧演算子、パウリＸ軸に対応する第１の電流演算子、およびパウリＺ軸に垂直な平面内の任意に選択された軸に対応する２つの追加の電流演算子を含む。量子ビットアセンブリ２００は、上記の原理を用いて、ジョセフソン接合によって中断された接地への追加の接続を用いて拡張して、記載された３つを超える追加の電流演算子を含み得ることが理解されよう。

【0027】

図３は、２つの量子ビットアセンブリ３１０および３２０が２つの量子ビットアセンブリ間の選択可能な結合を提供するために、調整可能なカプラ３３０を介して結合されるシステム３００を示している。各量子ビットアセンブリ３１０および３２０は、図１に記載されたものと同様であり、それぞれ、パウリＸ軸に関連付けられた量子ビットの第１の電流演算子を表す第１の超伝導ループ３１２および３２２、ならびに、関連する磁束源３４０からの磁束を受容して、それぞれの第３の超伝導ループ３１６および３２６によって表される第２の電流演算子の方向を調整する第２の超伝導ループ３１４および３２４を備えている。

【0028】

図示の実施形態では、調整可能なカプラ３３０は、２つの量子ビットアセンブリ３１０および３２０の第３の超伝導ループ３１６および３２６を結合するように配置されている。図示の実施形態では、調整可能なカプラ３３０は、磁束源からの磁束に応答して、２つの量子ビットアセンブリの選択的結合を可能にするが、一部の実装形態では、固定された調整不可能な結合が使用され得ることが理解される。２つの量子ビットアセンブリ３１０および３２０の各々の第２の電流演算子の方向は、第２の超伝導ループ３１４および３２４に磁束を印加することによって、少なくともブロッホ球の定義された平面内で選択可能であることが理解されよう。したがって、これらの電流演算子に対して同じ方向を選択することにより、２つの量子ビット３１０と３２０との間の結合の方向を動的に選択することができる。

【0029】

この選択可能な結合は、量子スピンシステム用の量子ビットの一意の格子を作成するために使用でき、量子ビットはＺ軸に沿って結合できる。これにより、量子ビットに関連付けられたそれぞれの電圧演算子の整列は、２つの電流演算子を表すループを介するだけでなく、エネルギー的にも有利となる。一例では、量子ビットのセットは、各量子ビットが３つの隣接する量子ビットのセットに結合されるように、キタエフハニカム格子に配置することができる。この例では、量子ビットは、量子ビットの超伝導アイランド間の結合を介して、Ｚ軸に沿った第１の隣接量子ビットに結合され、量子ビットの第１の電流演算子を含む超伝導ループ間の結合を介して、Ｘ軸に沿った第２の隣接量子ビットに結合され、量子ビットの第２の電流演算子を含む超伝導ループ間の結合を介して、Ｙ軸に沿った第３の隣接量子ビットに結合される。しかしながら、本明細書に開示される量子ビットアセンブリは、３つ以上の超伝導ループが使用される場合、２つ以上の電流演算子を有することができ、各量子ビットの第２の以降の電流演算子の向きは動的に調整可能であることが理解されよう。したがって、３つを超える結合を有するか、または軸方向以外の方向に沿った結合を有する量子ビットの格子が想定される。

【0030】

上記の図１～３に記載された前述の構造的および機能的特徴を考慮して、例示的な方法は、図４～６を参照してよりよく理解されるであろう。説明を簡単にする目的で、図４～６の例示的な方法は、連続的に実行されるように示され、説明されているが、一部の動作は、他の例では、異なる順序で、複数回、および／または本明細書に示され、説明されているものと並行して生じ得るので、本例は、図示されている順序によって制限されないことを理解および認識されたい。

【0031】

図４は、量子ビットに電流演算子を提供するための方法４００を示している。４０２において、第１の値を有する制御磁束が、量子ビットの第１の超伝導ループに提供されて、一組の基底状態を有する第２の超伝導ループ内の電流に対応する量子演算子を提供する。４０４において、制御磁束の第２の値は、量子ビットの第１の超伝導ループに提供され、量子演算子に関連付けられた基底状態のセットを改変する。一例では、量子ビットに関連する一次演算子、例えば、電圧演算子は、パウリＺ演算子として指定され、第３の超伝導ループに関連する１つの電流演算子は、パウリＸ演算子として指定される。量子演算子は、制御磁束を介して調整して、

【数15】

に比例する演算子を提供でき、ここで、 は制御磁束の値である。量子ビットは、一次演算子、電流演算子、または調整可能な量子演算子の各々に沿って測定できることが理解されよう。

【0032】

図５は、本発明の一態様による量子ビットの回転を実行するための方法５００を表す。５０２において、第１の値を有する制御磁束が、量子ビットの第１の超伝導ループに提供されて、一組の基底状態を有する第２の超伝導ループ内の電流に対応する量子演算子を提供する。５０４において、論理演算が量子ビットで実行される。例えば、量子ビットは、制御された回転ゲート内のターゲットまたは制御量子ビットなど、論理ゲート操作の一部として使用できる。一実施形態では、量子演算子および論理演算子に関連する一連の基底状態の各々を、古典的なコンピュータで記録することができる。基底状態は、例えば、演算子を表すブロッホ球の軸として表すことができる。５０６において、制御磁束の第２の値が量子ビットの第１の超伝導ループに提供され、その結果、量子演算子に関連する基底状態のセットが変更される。記録された基底状態を使用して、後の測定結果を解釈して、量子ビットの受動的回転が表され得ることが理解されよう。

【0033】

図６は、ブロッホ球の特定の軸に沿って２つの量子ビットを結合するための方法６００を示している。６０２において、第１の量子ビットに関連付けられ、関連する第１の量子演算子を提供する第１の超伝導ループが、第２の量子ビットに関連付けられ、関連する第２の量子演算子を提供する第２の超伝導ループに結合される。６０４において、第１の制御磁束が第１の量子ビットに提供されて、ブロッホ球の軸を表すように第１の量子演算子を調整する。例えば、第１の超伝導ループは、ジョセフソン接合を第３の超伝導ループと共有することができ、第１の制御磁束は、第３の超伝導ループに提供することができる。６０６において、第２の制御磁束が第２の量子ビットに提供されて、ブロッホ球の軸を表すように第２の量子演算子を調整する。例えば、第２の超伝導ループは、ジョセフソン接合を第４の超伝導ループと共有することができ、第２の制御磁束を第４の超伝導ループに提供することができる。

【0034】

前述のように、方法６００は、図示した順序で進行しなくてもよい。例えば、６０２での第１の超伝導ループと第２の超伝導ループの間の結合は、調整可能なカプラアセンブリに第３の制御磁束を提供することによりループの選択的結合を可能にするように、第１の超伝導ループと第２の超伝導ループとの間に配置された調整可能なカプラアセンブリを介して実行することができる。かかる場合、第１および第２の量子演算子が６０４および６０６で調整されるまで、２つの量子ビットは６０２で結合されなくてもよい。

【0035】

上記したものは、本発明の例である。無論、本発明を説明する目的で構成要素または方法の想定される全ての組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者であれば、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理解するであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲を含む、本出願の範囲内のかかる全ての改変、修正、および変形を包含することが意図されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】