特許 7533578 発振器

(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】2024-08-05

(45)【発行日】2024-08-14

(54)【発明の名称】発振器

(51)【国際特許分類】

   H10N 60/10 20230101AFI20240806BHJP

【ＦＩ】

H10N60/10 K

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2022528406

(86)(22)【出願日】2020-06-05

(86)【国際出願番号】 JP2020022445

(87)【国際公開番号】W WO2021245951

(87)【国際公開日】2021-12-09

【審査請求日】2022-11-29

【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）平成３０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

(73)【特許権者】

【識別番号】000004237

【氏名又は名称】日本電気株式会社

(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】宮田 明

(72)【発明者】

【氏名】菊池 克

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 秀

(72)【発明者】

【氏名】西 教徳

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 英行

(72)【発明者】

【氏名】山道 智博

(72)【発明者】

【氏名】山本 剛

(72)【発明者】

【氏名】橋本 義仁

【審査官】恩田 和彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０４７９９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－００３９７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１４５８１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００５０９６１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－０３６６２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－１６０４５３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ ６０／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の超伝導線路と第１のジョセフソン接合と第２の超伝導線路と第２のジョセフソン接合とが環状に接続されているループ回路を複数備えた共振器と、
所定の形状に周回する電極を備え、前記ループ回路に磁場を印加する磁場印加回路と
を備え、
前記電極は、少なくとも２つの前記ループ回路に対向するように配置されており、
前記共振器は、前記ループ回路と接続される所定の形状の導電部材を備え、
前記導電部材は、形状が十字形であり、
前記ループ回路が、前記十字形における凹み部分であるくびれ部の一つに接続されている
発振器。

【請求項2】

第１の超伝導線路と第１のジョセフソン接合と第２の超伝導線路と第２のジョセフソン接合とが環状に接続されているループ回路を複数備えた共振器と、
所定の形状に周回する電極を備え、前記ループ回路に磁場を印加する磁場印加回路と
を備え、
前記電極は、少なくとも２つの前記ループ回路に対向するように配置されており、
前記共振器は、前記ループ回路と接続される所定の形状の導電部材を備え、
前記導電部材は、形状が四角形である
発振器。

【請求項3】

第１の超伝導線路と第１のジョセフソン接合と第２の超伝導線路と第２のジョセフソン接合とが環状に接続されているループ回路を複数備えた共振器と、
所定の形状に周回する電極を備え、前記ループ回路に磁場を印加する磁場印加回路と
を備え、
前記電極は、少なくとも２つの前記ループ回路に対向するように配置されており、
前記共振器は、前記ループ回路と接続される所定の形状の導電部材を備え、
前記導電部材は、形状が丸形である
発振器。

【請求項4】

前記共振器は第１の面に配置され、
前記電極は、前記第１の面と対向する第２の面に配置されている
請求項１から３のいずれか一項に記載の発振器。

【請求項5】

前記電極は、前記電極と前記ループ回路が対向する方向から見て、前記導電部材と重ならないように離れて配置されている
請求項１から４のいずれか一項に記載の発振器。

【請求項6】

前記ループ回路が、前記四角形における頂点部分の一つに接続されている
請求項２に記載の発振器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、発振器及び量子計算機に関し、特に超伝導体を用いた発振器及び量子計算機に関する。

【背景技術】

【0002】

超伝導体を用いた回路についての研究が行なわれている。例えば、特許文献１は、直列に複数接続したＳＱＵＩＤ（superconducting quantum interference device）とコンデンサからなる共振器が示されている。また、特許文献２は、共振器を発振させるための磁場印加回路の実装構造を開示している。この実装構造では、磁場印加回路は、共振器と同じ平面上に形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００５０９６１号明細書

【文献】特開２０２０－０４７９９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載された構成のように、複数のＳＱＵＩＤを用いることで、共振器のパラメータの設計自由度を向上することができる。しかしながら、複数のＳＱＵＩＤに磁場を印加するための磁場印加回路の配線は、ＳＱＵＩＤの個数に応じて長くなるため、特許文献２のように磁場印加回路を実装した場合、回路の占有面積の増大を招く。

【0005】

本開示はこのような問題点を解決するためになされたものであり、回路の占有面積を抑制することができる発振器及び量子計算機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】

【0006】

本開示の第１の態様にかかる発振器は、
第１の超伝導線路と第１のジョセフソン接合と第２の超伝導線路と第２のジョセフソン接合とが環状に接続されているループ回路を複数備えた共振器と、
所定の形状に周回する電極を備え、前記ループ回路に磁場を印加する磁場印加回路と
を備え、
前記電極は、少なくとも２つの前記ループ回路に対向するように配置されている。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、回路の占有面積を抑制することができる発振器及び量子計算機を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１にかかる量子デバイスの実装構造の一例を模式的に示す斜視図である。

【図2】実施の形態１にかかる量子デバイスの分解図である。

【図3】実施の形態１にかかる量子デバイスの実際の実装構造を説明する模式図である。

【図4A】実施の形態１にかかる量子チップの下面の超伝導配線層の平面図である。

【図4B】実施の形態１にかかるインターポーザの上面の超伝導配線層の平面図である。

【図5】実施の形態１にかかる発振器の回路構成を示す模式図である。

【図6】図５に示した回路の等価回路を示す模式図である。

【図7A】変形例１にかかる量子チップの下面の超伝導配線層の平面図である。

【図7B】変形例１にかかるインターポーザの上面の超伝導配線層の平面図である。

【図8A】変形例２にかかる量子チップの下面の超伝導配線層の平面図である。

【図8B】変形例２にかかるインターポーザの上面の超伝導配線層の平面図である。

【図9A】変形例３にかかる量子チップの下面の超伝導配線層の平面図である。

【図9B】変形例３にかかるインターポーザの上面の超伝導配線層の平面図である。

【図10】実施の形態２にかかる量子計算機の構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一又は対応する要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明は省略される。

【0010】

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態にかかる量子デバイス１の実装構造の一例を模式的に示す斜視図である。なお、図１では、理解を容易にするために、量子チップ１０とインターポーザ２０との間を離して図示している。図２は、量子デバイス１の分解図である。また、図３は、量子デバイス１の実際の実装構造を説明する模式図である。図２及び図３に示されるように、量子デバイス１は、第１の基板１１を用いて構成された量子チップ１０と、第２の基板２１を用いて構成されたインターポーザ２０とを有する。量子チップ１０は、バンプ１５を介したフリップチップ接続によって、インターポーザ２０に実装されている。すなわち、量子チップ１０は、外部回路等との接続を行うためのインターポーザ２０にフリップチップ実装されている。なお、量子チップ１０とインターポーザ２０との間は例えば、真空である。

【0011】

図２及び図３に示されるように、第１の基板１１のバンプ１５と接続される面、すなわち、第２の基板２１と対向する面には、超伝導配線層１２が設けられている。この超伝導配線層１２には、後述する共振器１００及びカプラー１０４の回路が形成されている。また、第２の基板２１のバンプ１５と接続される面（表面と称す）、すなわち、第１の基板１１と対向する面には、超伝導配線層２２が設けられている。この超伝導配線層２２には、後述する磁場印加回路２００及び読み出し部２１０の回路が形成されている。第２の基板２１の上述した表面と反対側の面（裏面と称す）には、超伝導配線層２３が設けられている。この超伝導配線層２３には、第２の基板２１に設けられたビア２４を介し表面の超伝導配線層２２と接続される配線が形成されている。例えば、超伝導配線層２３には、磁場印加回路２００及び読み出し部２１０を外部回路と接続するための配線が形成される。このように、量子チップ１０（第１の基板１１）と、インターポーザ２０（第２の基板２１）は積層されており、特に、共振器１００が形成された面と、磁場印加回路２００が形成された面とが積層されている。

【0012】

ここで、第１の基板１１及び第２の基板２１には、例えば、シリコン基板が用いられるが、基板の材料はこれに限られない。例えば、サファイヤ基板又はガラス基板などが用いられてもよい。また、本実施の形態では、超伝導配線層１２、２２、２３と、バンプ１５と、ビア２４は、超伝導体により実現される。超伝導体の材料としては、例えば、ニオブ、ニオブ窒化物、アルミニウム、インジウム、鉛、錫、レニウム、パラジウム、チタン、チタン窒化物、タンタル、または、これらのいずれかを含む合金が挙げられる。なお、必ずしも、超伝導配線層１２、２２、２３と、バンプ１５と、ビア２４の全てが、超伝導体により実現されていなくてもよく、超伝導配線層１２を除く少なくとも一部に常伝導体が用いられてもよい。常伝導体の材料としては、例えば、銅、銀、金、白金、または、これらのいずれかを含む合金が挙げられる。なお、超伝導状態を実現するため、冷凍機により実現される例えば１０ｍＫ（ミリケルビン）程度の温度環境において、量子デバイス１は利用される。

【0013】

図１に示した量子デバイス１の構成について、他の図面を参照しつつ具体的に説明する。図４Ａは、超伝導配線層１２の平面図であり、図４Ｂは、超伝導配線層２２の平面図である。より詳細には、図４Ａ及び図４Ｂは、超伝導配線層１２の面と超伝導配線層２２の面とが向き合う方向（図１の上下方向）から見た超伝導配線層１２及び超伝導配線層２２の平面図である。

【0014】

上述した通り、超伝導配線層１２には、カプラー１０４と、後述する図５及び図６に示される共振器１００が形成される。より詳細には、超伝導配線層１２は、導電部材１０２Ａと、複数のＳＱＵＩＤ１１０と、グランド電極１０１と、カプラー１０４とを含む。なお、本実施の形態では、４つのカプラー１０４が、導電部材１０２Ａの四方に配置されているが、カプラー１０４の数は４つに限定されない。本実施の形態では、導電部材１０２Ａは形状が十字形である。グランド電極１０１は、導電部材１０２Ａの周りに、導電部材１０２Ａを囲うように配置されている。なお、導電部材１０２Ａとグランド電極１０１とは離れており、両者の間には隙間が存在する。これにより、導電部材１０２Ａとグランド電極１０１は、容量結合している。換言すると、導電部材１０２Ａとグランド電極１０１との間にキャパシタＣ（図５及び図６参照）が形成される。

【0015】

導電部材１０２Ａには、複数のＳＱＵＩＤ１１０が直列に接続されている。なお、本実施の形態では、２つのＳＱＵＩＤ１１０が直列に接続されているが、３つ以上であってもよい。具体的には図４Ａのように十字形の導電部材１０２Ａにおける外側に突き出た部分である４つの端部（すなわち、十字状の導電部材１０２Ａの４本の腕の先端）のうちの一つに、複数のＳＱＵＩＤ１１０が、グランド電極１０１と橋渡しをするように接続されている。すなわち、一連のＳＱＵＩＤ１１０の一端は、導電部材１０２Ａと接続し、他端は、グランド電極１０１と接続している。換言すると、直列に接続された複数のＳＱＵＩＤ１１０は、導電部材１０２Ａとグランド電極１０１との間に配置されている。なお、本実施の形態では、十字形の導電部材１０２Ａの４本の腕のうち、一連のＳＱＵＩＤ１１０と接続された腕は、一連のＳＱＵＩＤ１１０の長さに応じて、他の３本の腕に比べて短くなっている。

【0016】

導電部材１０２ＡとＳＱＵＩＤ１１０とにより共振器１００が構成される。なお、本実施の形態では、グランド電極１０１を用いて、導電部材１０２ＡとＳＱＵＩＤ１１０とを含む閉回路が構成されている。また、共振器１００と、超伝導配線層２２に設けられた磁場印加回路２００とにより発振器３００が構成される。以下、図５及び図６を参照しつつ、発振器３００について説明する。

【0017】

一連のＳＱＵＩＤ１１０の一端は、グランド電極１０１と容量結合する導電部材１０２Ａと接続し、他端はグランド電極１０１と接続している。したがって、量子デバイス１における共振器１００は、図５に示すような回路図で表わされる。つまり、図６に示した等価回路で示されるように、共振器１００は、次のような構成を備えた回路である。共振器１００は、ＳＱＵＩＤ１１０と、キャパシタＣとを備えている。一連のＳＱＵＩＤ１１０は、キャパシタＣによりシャントされている。

【0018】

各ＳＱＵＩＤ１１０は、２つのジョセフソン接合（第１のジョセフソン接合１１１ａ及び第２のジョセフソン接合１１１ｂ）を超伝導線路により環状に接続した回路である。すなわち、ＳＱＵＩＤ１１０は、第１のジョセフソン接合１１１ａ及び第２のジョセフソン接合１１１ｂを有する環状のループ回路である。ここで、ジョセフソン接合とは、２つの超伝導体により、薄い絶縁膜を挟んだ構造を有する素子をいう。より詳細には、図６に示すように、ＳＱＵＩＤ１１０は、次のような構成である。ＳＱＵＩＤ１１０は、第１のジョセフソン接合１１１ａと第２のジョセフソン接合１１１ｂとを接続する第１の超伝導線路１１２ａと、第１のジョセフソン接合１１１ａと第２のジョセフソン接合１１１ｂとを接続する第２の超伝導線路１１２ｂとを備えている。換言すると、共振器１００は、第１の超伝導線路１１２ａと第２の超伝導線路１１２ｂとが第１のジョセフソン接合１１１ａと第２のジョセフソン接合１１１ｂにより接合されているループ回路であるＳＱＵＩＤ１１０を備えている。図６に示すように、第１の超伝導線路１１２ａと第１のジョセフソン接合１１１ａと第２の超伝導線路１１２ｂと第２のジョセフソン接合１１１ｂとが環状に接続されることによりループ回路（すなわち、ＳＱＵＩＤ１１０）が構成されている。換言すると、ＳＱＵＩＤ１１０において、第１の超伝導線路１１２ａと第２の超伝導線路１１２ｂとが第１のジョセフソン接合１１１ａと第２のジョセフソン接合１１１ｂにより接合されることによりループを構成している。

【0019】

各ＳＱＵＩＤ１１０は、ＳＱＵＩＤ１１０を構成する２つのジョセフソン接合（第１のジョセフソン接合１１１ａ及び第２のジョセフソン接合１１１ｂ）をループ状に接続するために、導電部材１０２Ａ、中間配線１０３、又はグランド電極１０１を用いてもよい。ここで、中間配線１０３は、図５に示すように、隣接するＳＱＵＩＤ１１０を直列に接続するための導電部材である。図５に示した例では、左側のＳＱＵＩＤ１１０は、導電部材１０２Ａ、第１のジョセフソン接合１１１ａ、中間配線１０３、第２のジョセフソン接合１１１ｂにより、ループ回路が構成されている。同様に、右側のＳＱＵＩＤ１１０は、中間配線１０３、第１のジョセフソン接合１１１ａ、グランド電極１０１、第２のジョセフソン接合１１１ｂにより、ループ回路が構成されている。このように、上述した第１の超伝導線路１１２ａ及び第２の超伝導線路１１２ｂは、例えば、導電部材１０２Ａ、中間配線１０３、又は、グランド電極１０１を用いて構成される。

【0020】

磁場印加回路２００と共振器１００は相互インダクタンスを介して磁気的に結合している。言い換えれば、磁場印加回路２００と共振器１００は誘導的に結合している。磁場印加回路２００は、交流磁場を発生させ、複数のＳＱＵＩＤ１１０に交流磁場を印加する回路である。磁場印加回路２００は、交流電流が流れる回路であり、当該交流電流により交流磁場を発生させる。より詳細には、磁場印加回路２００は、直流電流と交流電流が重畳された電流が流れる。発生する交流磁場の周波数は、この交流電流の周波数に等しい。直流電流の大きさにより、磁束及び発振周波数（共振周波数）の大きさが制御される。共振器１００の共振周波数、すなわち発振器３００の発振周波数は、ＳＱＵＩＤ１１０の等価インダクタンスに依存している。そして、この等価インダクタンスは、ＳＱＵＩＤ１１０のループを貫く磁束の大きさに依存している。ループを貫く磁束の大きさは、磁場印加回路２００に流れる直流電流の大きさに依存する。このため、上述の通り、発振周波数（共振周波数）の大きさは、直流電流の大きさにより制御される。

【0021】

磁場印加回路２００に交流電流を流すことによってＳＱＵＩＤ１１０に共振器１００の共振周波数の２倍の交流磁場を印加すると、当該共振周波数（すなわち交流磁場の周波数の０．５倍の発振周波数）で発振器３００は発振する。このような発振はパラメトリック発振と呼ばれる。したがって、発振器３００は、ジョセフソンパラメトリック発振器とも称される。発振状態は、互いに位相がπだけ異なる第一の発振状態と第二の発振状態のいずれかの状態をとり得る。この第一の発振状態と第二の発振状態が量子ビットの０、１に対応する。すなわち、発振器３００（共振器１００）は、量子ビット回路として用いることができる。

【0022】

再び、図４Ａを参照し、超伝導配線層１２の説明を続ける。導電部材１０２Ａの周辺には、カプラー１０４が配置されている。カプラー１０４は、共振器１００と同様の構成を備える他の共振器と結合するための回路である。カプラー１０４は、共振器１００と容量結合している。本実施の形態では、具体的には、図４Ａに示すように、十字形の導電部材１０２Ａにおける外側に突き出た部分である４つの端部（すなわち、十字状の導電部材１０２Ａの４本の腕の先端）のそれぞれに、カプラー１０４が配置されている。各カプラー１０４は、導電部材１０２Ａの上述した端部を囲むように、当該端部と近接して配置されている。カプラー１０４と導電部材１０２Ａは、離れており、両者の間には、グランド電極１０１が存在している。カプラー１０４は、導電部材１０２Ａとは逆側に延伸しており、延伸部分の両サイドには、カプラー１０４と間隔をあけてグランド電極１０１が配置されている。グランド電極１０１は、図４Ａに示されるように、導電部材１０２Ａ、ＳＱＵＩＤ１１０、及びカプラー１０４が配置される領域が切り抜かれたような形状となっている。すなわち、グランド電極１０１は、導電部材１０２Ａ、ＳＱＵＩＤ１１０、及びカプラー１０４の周囲を覆うように形成されている。

【0023】

次に、図４Ｂを参照しつつ、超伝導配線層２２について説明する。超伝導配線層２２には、磁場印加回路２００と、読み出し部２１０と、グランド電極２０１とが形成されている。

【0024】

グランド電極２０１は、共振器１００及びカプラー１０４に超伝導配線層２２のグランド電極２０１が近接することによる影響を低減するべく、導電部材１０２Ａ、ＳＱＵＩＤ１１０、及びカプラー１０４に対応する領域が切り抜かれたような形状となっている。なお、上述の影響としては、例えば、共振器１００の共振周波数やＱ値（Quality factor）、カプラー１０４の結合度、カプラー１０４のコプレーナ線路の特性インピーダンスなどへの影響が挙げられる。グランド電極２０１は、バンプ１５を介してグランド電極１０１と接続している。超伝導配線層２２では、グランド電極２０１が存在しない領域において、読み出し部２１０と磁場印加回路２００が配置されている。

【0025】

読み出し部２１０は、共振器１００に容量結合した回路であり、共振器１００（発振器３００）の内部状態、すなわち発振状態を読み出すための電極である。読み出し部２１０は、超伝導配線層２３と接続しており、共振器１００（発振器３００）の内部状態を取得する外部回路に、超伝導配線層２３を介して接続している。読み出し部２１０の形状は、例えば、超伝導配線層１２の導電部材１０２Ａの形状に対応した形状であり、本実施の形態では、読み出し部２１０の形状は、十字形である。読み出し部２１０は、超伝導配線層１２の面と超伝導配線層２２の面とが向き合う方向（図１の上下方向）から見て、導電部材１０２Ａと重なる位置に配置されている。なお、読み出し部２１０は、共振器１００に容量結合していればよく、その形状は十字形に限られない。

【0026】

磁場印加回路２００は、上述した通り、超伝導配線層１２に形成されている複数のＳＱＵＩＤ１１０に、磁場を印加する回路である。図４Ｂに示すように、磁場印加回路２００は、所定の形状に周回する電極（配線）である。具体的には、磁場印加回路２００は、環状の一部が欠けた形状、すなわちＣ字形状の電極である。つまり、磁場印加回路２００は、略環状の電極（配線）である。磁場印加回路２００に電流が流れることにより、この略環状の電極の内側を通る磁場が発生する。磁場印加回路２００（すなわち、略環状の電極）は、超伝導配線層１２のＳＱＵＩＤ１１０の位置に対応した位置に配置されている。つまり、図１の矢印Ｍに示すように、磁場印加回路２００（すなわち、略環状の電極）は、略環状の電極の内側に発生する磁場（矢印Ｍ）が複数のＳＱＵＩＤ１１０のそれぞれを貫くよう、超伝導配線層２２に配置されている。換言すると、磁場印加回路２００（すなわち、略環状の電極）は、少なくとも２つのＳＱＵＩＤ１１０に対向するように配置されている。

【0027】

磁場印加回路２００は、超伝導配線層１２の少なくとも２つのＳＱＵＩＤ１１０に磁場を印加するという条件を満たす限り、任意の位置に配置可能である。例えば、超伝導配線層１２の面と超伝導配線層２２の面とが向き合う方向（図１の上下方向）から見て、磁場印加回路２００の略環状の配線が、一連のＳＱＵＩＤ１１０の配置領域の全体又は一部と重なる位置に配置されてもよい。ただし、共振器１００を構成する導電部材１０２Ａが磁場印加回路２００による磁場の影響を受けると、共振周波数が変動してしまうことに加え、共振器１００のＱ値（Quality factor）の劣化を招く。このため、量子ビットのコヒーレンスが劣化してしまう。したがって、磁場印加回路２００（すなわち、略環状の電極）は、超伝導配線層１２の面と超伝導配線層２２の面とが向き合う方向（図１の上下方向）から見て、導電部材１０２Ａと重ならないように離れて配置されることが好ましい。換言すると、磁場印加回路２００（すなわち、略環状の電極）は、略環状の電極とＳＱＵＩＤ１１０が対向する方向（図１の上下方向）から見て、導電部材１０２Ａと重ならないように離れて配置されることが好ましい。つまり、超伝導配線層１２の面と超伝導配線層２２の面とが向き合う方向（図１の上下方向）から見て、略環状の電極が導電部材１０２Ａに被らないように、磁場印加回路２００が超伝導配線層２２に配置されることが好ましい。このようにすることで、コヒーレンスの劣化を抑制することができる。

【0028】

磁場印加回路２００の一端は、グランド電極に接続される。例えば、磁場印加回路２００の一端は、バンプ１５を介して、超伝導配線層１２のグランド電極１０１と接続してもよいし、グランド電極２０１と接続してもよいし、超伝導配線層２３のグランド電極と接続してもよい。また、磁場印加回路２００の他端は、電流制御部（不図示）に接続される。この電流制御部は、発振周波数を制御するための直流電流と、発振を発生させるための交流電流を磁場印加回路２００に供給する。

【0029】

以上、実施の形態１について説明した。本実施の形態では、発振器３００は、複数のＳＱＵＩＤ１１０を備えた共振器１００と、所定の形状に周回する電極を備えた磁場印加回路２００とを備える。そして、共振器１００は超伝導配線層１２の面（第１の面）に配置され、磁場印加回路２００の電極は、この電極の内側に発生する磁場が複数のＳＱＵＩＤ１１０のそれぞれを貫くよう、上記第１の面と対向する超伝導配線層２２の面（第２の面）に配置されている。このため、磁場印加回路２００を、共振器１００が配置される超伝導配線層１２に配置する必要がない。したがって、超伝導配線層１２における回路の占有面積の増大を抑制できる。すなわち、磁場印加回路２００と共振器１００とを立体的配置することにより、回路の占有面積を抑制することができる。

【0030】

なお、上述した実施の形態では、共振器１００は、導電部材１０２Ａのように、ＳＱＵＩＤ１１０と接続される所定の形状の導電部材を備える。このような構成によれば、共振器１００のインピーダンス及びＱ値を適切にすることができる。特に、上述した実施の形態では、十字形の導電部材１０２Ａが用いられており、ＳＱＵＩＤ１１０が、導電部材１０２Ａの十字形における外側に突き出た部分に接続されている。このような構成によれば、カプラー１０４を用いた量子ビット回路の接続に関し、優れた制御性又は拡張性を提供できる。

【0031】

＜変形例１＞
次に、実施の形態１の変形例１について説明する。図７Ａは、変形例１にかかる超伝導配線層１２の平面図であり、図７Ｂは、変形例１にかかる超伝導配線層２２の平面図である。図７Ａに示されるように、変形例１では、一連のＳＱＵＩＤ１１０が、十字形の導電部材１０２Ｂのくびれ部に接続されている点で、上述した実施の形態と異なっている。また、これに伴い、図７Ｂに示されるように、超伝導配線層２２における磁場印加回路２００の配置位置が異なっている。以下、変形例１について詳細に説明するが、実施の形態１における説明と重複する説明については適宜割愛する。

【0032】

本変形例では、実施の形態１で示した導電部材１０２Ａの代わりに、左右対称かつ上下対称な十字形の導電部材１０２Ｂが用いられる。導電部材１０２Ｂには、実施の形態１と同様、複数のＳＱＵＩＤ１１０が直列に接続されている。すなわち、複数のＳＱＵＩＤ１１０は、導電部材１０２Ｂと、導電部材１０２Ｂの周囲に設けられたグランド電極１０１とを橋渡しするように配置されている。ただし、上述の通り、接続位置が実施の形態１とは異なっている。具体的には図７Ａのように、導電部材１０２Ｂの十字形における凹み部分であるくびれ部（すなわち、十字状の導電部材１０２Ｂの４本の腕の付け根）のうちの一つに、複数のＳＱＵＩＤ１１０が、グランド電極１０１と橋渡しをするように直列に接続されている。

【0033】

なお、本変形例でも、実施の形態１と同様、４つのカプラー１０４が、導電部材１０２Ｂの四方に配置されている。具体的には、図７Ａに示すように、十字形の導電部材１０２Ｂにおける外側に突き出た部分である４つの端部（すなわち、十字状の導電部材１０２Ｂの４本の腕の先端）のそれぞれに、カプラー１０４が配置されている。ただし、実施の形態１とは異なり、本変形例では、導電部材１０２Ａの４本の腕のいずれにもＳＱＵＩＤ１１０が接続されていないため、４つのカプラー１０４は対称的な結合を実現することができる。

【0034】

上述の通り、本変形例では、一連のＳＱＵＩＤ１１０の配置場所が異なるため、この一連のＳＱＵＩＤ１１０に磁場を印加するための磁場印加回路２００の位置も、実施の形態１と異なっている。すなわち、磁場印加回路２００は、導電部材１０２Ｂのくびれ部に接続されたＳＱＵＩＤ１１０の位置に対応した位置に配置されている。なお、本変形例においても、磁場印加回路２００は、少なくとも２つのＳＱＵＩＤ１１０に磁場を印加するという条件を満たす限り、任意の位置に配置可能であるが、導電部材１０２Ｂと重ならないように離れて配置されることが好ましい。

【0035】

以上、変形例１について説明した。本変形例では、ＳＱＵＩＤ１１０が、導電部材１０２Ｂの十字形におけるくびれ部に接続されている。このような構成によれば、ＳＱＵＩＤ１１０が、導電部材１０２Ａの十字形における外側に突き出た部分に接続される場合に比べて、次のような利点がある。すなわち、各カプラー１０４と導電部材１０２Ｂの結合を対称にすることができるため、設計を容易にすることができる。

【0036】

上述した実施の形態１又はその変形例１では、共振器１００を構成する導電部材として十字形のものが用いられたが、共振器１００を構成する導電部材の形状はこれに限られない。以下では、四角形の導電部材を用いた構成を変形例２とし、丸形の導電部材を用いた構成を変形例３として説明する。ただし、これらは構成の例を説明するに過ぎず、共振器１００を構成する導電部材の形状として、十字形、四角形、丸形に限らず、他の形状が用いられてもよい。

【0037】

＜変形例２＞
図８Ａは、変形例２にかかる超伝導配線層１２の平面図であり、図８Ｂは、変形例２にかかる超伝導配線層２２の平面図である。図８Ａに示されるように、変形例２では、十字形の導電部材１０２Ａに代わり、四角形（例えば正方形）の導電部材１０２Ｃが用いられている点で、上述した実施の形態１と異なっている。以下、変形例２について詳細に説明するが、実施の形態１における説明と重複する説明については適宜割愛する。

【0038】

導電部材１０２Ｃには、実施の形態１と同様、複数のＳＱＵＩＤ１１０が直列に接続されている。具体的には図８Ａのように、導電部材１０２Ｃの頂点部分の一つに、複数のＳＱＵＩＤ１１０が、導電部材１０２Ｃの周囲に設けられたグランド電極１０１と橋渡しをするように直列に接続されている。また、本変形例でも、実施の形態１と同様、４つのカプラー１０４が、導電部材１０２Ｃの四方に配置されている。ただし、本変形例では、図８Ａに示すように、ＳＱＵＩＤ１１０が四角形の頂点部分に接続されているため、導電部材１０２Ｃの四角形の各辺のそれぞれに、カプラー１０４が配置されている。このため、本変形例においても、４つのカプラー１０４は対称的な結合を実現することができる。

【0039】

図８Ｂに示すように、本変形例においても、超伝導配線層２２において、グランド電極２０１は、導電部材１０２Ｃ及びカプラー１０４に対応する領域と、磁場印加回路２００を配置する領域とが切り抜かれたような形状となっている。また、本変形例でも、導電部材１０２Ｃに対応する位置には、読み出し部２１０が配置されている。なお、図８Ｂに示した例では、読み出し部２１０は、導電部材１０２Ｃの形状と対応するよう、四角形となっている。また、本変形例においても、超伝導配線層２２において、磁場印加回路２００は、超伝導配線層１２の一連のＳＱＵＩＤ１１０の配置場所に対応する位置に配置されている。すなわち、磁場印加回路２００は、導電部材１０２Ｃの頂点部分に接続されたＳＱＵＩＤ１１０の位置に対応した位置に配置されている。なお、本変形例においても、磁場印加回路２００は、少なくとも２つのＳＱＵＩＤ１１０に磁場を印加するという条件を満たす限り、任意の位置に配置可能であるが、導電部材１０２Ｃと重ならないように離れて配置されることが好ましい。

【0040】

以上、変形例２について説明した。本変形例では、四角形の導電部材１０２Ｃが用いられている。このため、形状の違いに起因して、十字形の導電部材を用いる場合に比べ、Ｑ値を高くすることができる。ただし、四角形の導電部材を用いる場合、形状の違いに起因して、十字形の導電部材を用いる場合に比べインダクタンスが低下する。このため、十字形の導電部材を用いた方が共振器を小型化できる。

【0041】

＜変形例３＞
図９Ａは、変形例３にかかる超伝導配線層１２の平面図であり、図９Ｂは、変形例３にかかる超伝導配線層２２の平面図である。図９Ａに示されるように、変形例３では、十字形の導電部材１０２Ａに代わり、丸形の導電部材１０２Ｄが用いられている点で、上述した実施の形態１と異なっている。以下、変形例３について詳細に説明するが、実施の形態１における説明と重複する説明については適宜割愛する。

【0042】

導電部材１０２Ｄには、実施の形態１と同様、複数のＳＱＵＩＤ１１０が直列に接続されている。具体的には図９Ａのように、導電部材１０２Ｄの円周上の一箇所に、複数のＳＱＵＩＤ１１０が、導電部材１０２Ｄの周囲に設けられたグランド電極１０１と橋渡しをするように直列に接続されている。また、本変形例でも、実施の形態１と同様、４つのカプラー１０４が、導電部材１０２Ｄの四方に配置されている。なお、複数のＳＱＵＩＤ１１０は、四方に配置された４つのカプラー１０４のうちの隣り合う２つのカプラー１０４の間に配置されている。本変形例においても、４つのカプラー１０４は対称的な結合を実現することができる。

【0043】

図９Ｂに示すように、本変形例においても、超伝導配線層２２において、グランド電極２０１は、導電部材１０２Ｄ及びカプラー１０４に対応する領域と、磁場印加回路２００を配置する領域とが切り抜かれたような形状となっている。また、本変形例でも、導電部材１０２Ｄに対応する位置には、読み出し部２１０が配置されている。なお、図９Ｂに示した例では、読み出し部２１０は、導電部材１０２Ｄの形状と対応するよう、丸形となっている。また、本変形例においても、超伝導配線層２２において、磁場印加回路２００は、超伝導配線層１２の一連のＳＱＵＩＤ１１０の配置場所に対応する位置に配置されている。すなわち、磁場印加回路２００は、導電部材１０２Ｄの円周上に接続されたＳＱＵＩＤ１１０の位置に対応した位置に配置されている。なお、本変形例においても、磁場印加回路２００は、少なくとも２つのＳＱＵＩＤ１１０に磁場を印加するという条件を満たす限り、任意の位置に配置可能であるが、導電部材１０２Ｄと重ならないように離れて配置されることが好ましい。

【0044】

以上、変形例３について説明した。本変形例では、丸形の導電部材１０２Ｄが用いられている。このため、形状の違いに起因して、十字形の導電部材を用いる場合に比べ、Ｑ値を高くすることができる。ただし、丸形の導電部材を用いる場合、形状の違いに起因して、十字形の導電部材を用いる場合に比べインダクタンスが低下する。このため、十字形の導電部材を用いた方が共振器を小型化できる。

【0045】

＜実施の形態２＞
次に、上述した発振器３００により構成された量子ビット回路を用いた量子計算機について説明する。なお、本実施の形態において、発振器３００の構成として、上述した実施の形態１、変形例１、変形例２、変形例３のうち、いずれの構成が採用されてもよい。なお、ここでいう量子計算機は、例えば、イジングモデルにマッピング可能な任意の問題の解を計算する量子アニーリング型の計算機である。上述したように、発振器３００は、共振周波数の２倍の周波数の交流磁場をＳＱＵＩＤ１１０に与えるとパラメトリック発振し、量子ビットを実現する。

【0046】

図１０は、実施の形態２にかかる量子計算機３０の構成を示す模式図である。量子計算機３０は、複数の発振器３００と、結合回路３５０とを含む。量子計算機３０は、結合回路３５０を介して複数の発振器３００（量子ビット回路）がネットワークを構成した計算機である。結合回路３５０は、所定数の発振器３００を結合する回路である。具体的には、結合回路３５０は、４個の発振器３００（量子ビット回路）を結合する回路である。図１０に示した量子計算機３０では、４個の発振器３００を１個の結合回路３５０で接続している。上述したカプラー１０４は、共振器１００と結合するための結合回路３５０の端子である。

【0047】

各発振器３００において、磁場印加回路２００によって、ＳＱＵＩＤ１１０に磁場が印加され、パラメトリック発振がおきる。また、各発振器３００には、上述した通り、読み出し部２１０が容量結合しており、発振器３００の発振状態が読み出される。これにより、量子計算の結果が読み出される。

【0048】

図１０に示した構成では、発振器３００が４個とそれらを結合する１個の結合回路３５０を単位構造として、複数の単位構造を並べて接続することにより、任意の個数の発振器３００を集積した量子計算機３０が実現されている。各結合回路３５０は、図１０に示したように、それぞれ４個の発振器３００と接続している。そして、各発振器３００を１乃至４個の結合回路３５０と接続し、発振器３００を複数の単位構造で共有して並べることにより、単位構造が並べられた状態としている。量子計算機３０において、少なくとも一個の発振器３００は、複数の結合回路３５０に接続されている。特に図１０に示した例では、少なくとも１個の発振器３００は、４個の結合回路３５０に接続されている。また、量子計算機３０について、次のように説明することもできる。量子計算機３０は、複数の発振器３００を有し、各発振器３００は、１乃至４個の結合回路３５０に接続されている。各発振器３００が接続する結合回路３５０の個数は、当該発振器３００がいくつの単位構造において共有されているかに対応している。このように、図１０で示した例では、量子計算機３０は、単位構造を複数有し、発振器３００が、複数の単位構造で共有されている。図１０に示した例では１３個の発振器３００を集積しているが、任意の個数の発振器３００を同様の方法で集積できる。

【0049】

本実施形態によれば、磁場印加回路２００と共振器１００とを立体的配置した発振器３００により、量子計算機３０を構成することができる。したがって、回路の占有面積を抑制した量子計算機を実現することができる。

【0050】

以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

【0051】

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
（付記１）
第１の超伝導線路と第１のジョセフソン接合と第２の超伝導線路と第２のジョセフソン接合とが環状に接続されているループ回路を複数備え、前記ループ回路に磁場を印加する共振器と、
所定の形状に周回する電極を備えた磁場印加回路と
を備え、
前記電極は、少なくとも２つの前記ループ回路に対向するように配置されている
発振器。
（付記２）
前記共振器は第１の面に配置され、
前記電極は、前記第１の面と対向する第２の面に配置されている
付記１に記載の発振器。
（付記３）
前記共振器は、前記ループ回路と接続される所定の形状の導電部材を備える
付記１又は２に記載の発振器。
（付記４）
前記電極は、前記電極と前記ループ回路が対向する方向から見て、前記導電部材と重ならないように離れて配置されている
付記３に記載の発振器。
（付記５）
前記導電部材は、形状が十字形である
付記３又は４に記載の発振器。
（付記６）
前記ループ回路が、前記十字形における外側に突き出た部分である端部の一つに接続されている
付記５に記載の発振器。
（付記７）
前記ループ回路が、前記十字形における凹み部分であるくびれ部の一つに接続されている
付記５に記載の発振器。
（付記８）
前記導電部材は、形状が四角形である
付記３又は４に記載の発振器。
（付記９）
前記ループ回路が、前記四角形における頂点部分の一つに接続されている
付記８に記載の発振器。
（付記１０）
前記導電部材は、形状が丸形である
付記３又は４に記載の発振器。
（付記１１）
付記１乃至１０のいずれか１項に記載の所定数の発振器と、前記所定数の発振器を結合する結合回路とを単位構造として有する量子計算機。
（付記１２）
前記単位構造を複数有し、
前記発振器が、複数の前記単位構造で共有されている
付記１１に記載の量子計算機。

【符号の説明】

【0052】

１ 量子デバイス
１０ 量子チップ
１１、２１ 基板
１２、２２、２３ 超伝導配線層
１５ バンプ
２０ インターポーザ
２４ ビア
３０ 量子計算機
１００ 共振器
１０１、２０１ グランド電極
１０２Ａ、１０２Ｂ、１０２Ｃ、１０２Ｄ 導電部材
１０３ 中間配線
１０４ カプラー
１１０ ＳＱＵＩＤ
１１１ａ、１１１ｂ ジョセフソン接合
１１２ａ、１１２ｂ 超伝導線路
２００ 磁場印加回路
２１０ 読み出し部
３００ 発振器
３５０ 結合回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図10】