特許 7546610 量子情報の光変換のための超伝導インターポーザ

(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】2024-08-29

(45)【発行日】2024-09-06

(54)【発明の名称】量子情報の光変換のための超伝導インターポーザ

(51)【国際特許分類】

   H10N 60/00 20230101AFI20240830BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20240830BHJP

   H01L 25/065 20230101ALI20240830BHJP

   H01L 25/18 20230101ALI20240830BHJP

   H01L 25/04 20230101ALI20240830BHJP

   H10N 60/80 20230101ALI20240830BHJP

   H01L 23/12 20060101ALN20240830BHJP

   H01L 23/14 20060101ALN20240830BHJP

【ＦＩ】

H10N60/00 C

H01L25/08 H

H01L25/04 Z

H10N60/80 W ZAA

H01L23/12 501B

H01L23/14 M

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2021576724

(86)(22)【出願日】2020-06-23

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-09-01

(86)【国際出願番号】 EP2020067450

(87)【国際公開番号】W WO2020260251

(87)【国際公開日】2020-12-30

【審査請求日】2022-11-21

(31)【優先権主張番号】16/455,043

(32)【優先日】2019-06-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】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

【住所又は居所原語表記】Ｎｅｗ Ｏｒｃｈａｒｄ Ｒｏａｄ， Ａｒｍｏｎｋ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １０５０４， Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ

(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】ブロン、ニコラス、トーレイフ

(72)【発明者】

【氏名】ボゴリン、ダニエラ、フロレンティーナ

(72)【発明者】

【氏名】グマン、パトリク

(72)【発明者】

【氏名】ハート、シーン

(72)【発明者】

【氏名】オリヴァデーセ、サルヴァトーレ、ベルナルド

(72)【発明者】

【氏名】オーカット、ジェイソン

【審査官】恩田 和彦

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０００３７５３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１０２４６９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／１６０６７４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１３３８１９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００５－３２２７５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ ６０／００

Ｈ１０Ｎ ６０／８０

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２５／０４

Ｈ０１Ｌ ２３／１２

Ｈ０１Ｌ ２３／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

量子情報の光変換のためのシステムであって、
マイクロ波周波数で動作するように構成された複数のデータ量子ビットを含む量子ビット・チップと、
前記量子ビット・チップから離間された変換チップであって、マイクロ波－光周波数変換器を備える前記変換チップと、
前記量子ビット・チップおよび前記変換チップに結合されたインターポーザであって、内部に複数の超伝導マイクロ波導波路が形成された誘電体材料を含む前記インターポーザと、
を備え、前記複数の超伝導マイクロ波導波路が、量子情報を前記複数のデータ量子ビットから前記変換チップ上の前記マイクロ波－光周波数変換器に伝送するように構成され、前記マイクロ波－光周波数変換器が、前記量子情報を前記マイクロ波周波数から光周波数に変換するように構成され、前記インターポーザが、迷光場を、前記複数のデータ量子ビットから分離する、システム。

【請求項2】

前記マイクロ波－光周波数変換器が、量子情報を前記光周波数から前記マイクロ波周波数に変換するようにさらに構成され、前記複数の超伝導マイクロ波導波路が、前記量子情報を前記変換チップ上の前記マイクロ波－光周波数変換器から前記複数のデータ量子ビットに伝送するように構成されている、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記マイクロ波－光周波数変換器が、光周波数領域で動作するように構成されたデバイスに結合されたマイクロ波導波路を備える、請求項１または２に記載のシステム。

【請求項4】

前記光周波数領域で動作するように構成された前記デバイスが光共振器を備える、請求項３に記載のシステム。

【請求項5】

前記変換チップが前記光共振器に結合された光ポンプ線路をさらに備え、前記光ポンプ線路が前記量子情報を光周波数信号として伝送するように構成されている、請求項４に記載のシステム。

【請求項6】

前記光周波数領域で動作するように構成された前記デバイスがバルク音響波共振器、機械的カプラ、または膜を備える、請求項３に記載のシステム。

【請求項7】

前記変換チップが複数の変換量子ビットを備え、前記複数の変換量子ビットのうちの少なくとも１つが前記マイクロ波－光周波数変換器に結合され、前記複数の超伝導マイクロ波導波路が、量子情報を前記複数のデータ量子ビットから、マイクロ波光子を介して前記複数の変換量子ビットに伝送するように構成されている、請求項１ないし６のいずれかに記載のシステム。

【請求項8】

前記変換チップが複数のマイクロ波－光周波数変換器をさらに備え、前記複数の変換量子ビットのそれぞれが、前記複数のマイクロ波－光周波数変換器のうちの１つに結合されている、請求項７に記載のシステム。

【請求項9】

前記複数のデータ量子ビットのそれぞれが、量子計算を実行するのに十分な緩和時間およびコヒーレンス時間を有し、前記複数の変換量子ビットのそれぞれが、前記マイクロ波－光周波数変換器の変換時間を超える緩和時間およびコヒーレンス時間を有する、請求項８に記載のシステム。

【請求項10】

前記変換チップが電気光学材料もしくは圧電材料を含む基板、または、シリコン・オン・インシュレータ基板を備える、請求項１ないし９のいずれかに記載のシステム。

【請求項11】

前記マイクロ波－光周波数変換器が光学機械システムを備える、請求項１ないし１０のいずれかに記載のシステム。

【請求項12】

前記インターポーザが、第１の表面と、前記第１の表面の反対側の第２の表面とを備え、前記量子ビット・チップが前記第１の表面に結合され、前記変換チップが前記第２の表面に結合されている、請求項１ないし１１のいずれかに記載のシステム。

【請求項13】

前記量子ビット・チップおよび前記変換チップが、前記インターポーザの同じ表面に結合されている、請求項１ないし１１のいずれかに記載のシステム。

【請求項14】

前記誘電体材料が、Ｓｉウエハ、プリント回路板、有機ラミネート、セラミック、ガラス強化エポキシ・ラミネート材料、デュロイド、ＰＥＥＫ、およびテフロン（Ｒ）からなる群から選択された１つまたは複数を含む、請求項１ないし１３のいずれかに記載のシステム。

【請求項15】

量子情報の光変換を実行するための方法であって、
マイクロ波周波数で動作するように構成された複数のデータ量子ビットを含む量子ビット・チップを提供することと、
量子情報を前記複数のデータ量子ビットから、前記量子ビット・チップから離間された変換チップに転送することであって、前記変換チップがマイクロ波－光周波数変換器を備
える、前記転送することと、
前記量子ビット・チップと前記変換チップとの間に配置された誘電体インターポーザを使用して、前記複数のデータ量子ビットを迷光場から遮蔽しながら、前記量子情報のマイクロ波－光周波数変換を実行することと、
前記量子情報を光周波数信号として出力することと、
を含む、量子情報の光変換を実行するための方法。

【請求項16】

量子コンピュータであって、
封じ込め容器を備える真空下の冷却システムと、
請求項１ないし１４のいずれかに記載のシステムであって、前記封じ込め容器によって画定された冷却真空環境内に収容されている、前記システムと、
を備える、量子コンピュータ。

【請求項17】

前記量子情報を光周波数信号として、前記封じ込め容器によって画定された前記冷却真空環境から前記封じ込め容器の外部に伝送するように構成されている第２の光ポンプ線路をさらに備える、請求項１６に記載の量子コンピュータ。

【請求項18】

前記変換チップが、光リング共振器に結合された第３の光ポンプ線路をさらに備え、前記第３の光ポンプ線路が、前記量子情報を光周波数信号として、前記変換チップから第２の量子ビット・チップに結合された第２の変換チップに伝送するように構成されている、請求項１６または１７に記載の量子コンピュータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の現在請求されている実施形態は、量子情報の光変換のためのシステムおよび方法に関し、より詳細には、量子情報の光変換のための超伝導インターポーザに関する。

【背景技術】

【0002】

超伝導量子ビットは、電磁スペクトルのマイクロ波領域で動作する。マイクロ波周波数では、マイクロ波伝送線路（すなわち、同軸ケーブル、プリント回路板のストリップ線路）は、損失が非常に大きい（約１ｄＢ／フィートの減衰）。これらの損失は、量子情報が遠くに輸送されるのを妨げる。例えば、損失は、量子情報がマイクロ波伝送線路を使用して希釈冷却機環境の外に輸送されることを妨げる。光変換は、マイクロ波の光子を光の周波数（すなわち、通信範囲約１５５０ｎｍ）に変換する。電磁スペクトルのこの領域では、光子は、光ファイバまたは自由空間を通って実質的に無損失（約０．２ｄＢ／ｋｍ）で伝搬することができる。しかしながら、量子ビットおよび光変換器の材料と動作は、多くの場合互換性がない。

【0003】

したがって、当技術分野では、前述の問題に対処する必要がある。

【発明の概要】

【0004】

第１の態様から見ると、本発明は、マイクロ波周波数で動作するように構成された複数のデータ量子ビットを含む量子ビット・チップと、前記量子ビット・チップから離間された変換チップであって、マイクロ波－光周波数変換器を備える変換チップと、前記量子ビット・チップおよび前記変換チップに結合されたインターポーザであって、内部に複数の超伝導マイクロ波導波路が形成された誘電体材料を含む、インターポーザと、を備え、前記複数の超伝導マイクロ波導波路が、量子情報を前記複数のデータ量子ビットから前記変換チップ上のマイクロ波－光周波数変換器に伝送するように構成され、前記マイクロ波－光周波数変換器が、前記量子情報を前記マイクロ波周波数から光周波数に変換するように構成されている、量子情報の光変換のためのシステムを提供する。

【0005】

さらなる態様から見ると、本発明は、マイクロ波周波数で動作するように構成された複数のデータ量子ビットを含む量子ビット・チップを提供することと、量子情報を前記複数のデータ量子ビットから、前記量子ビット・チップから離間された変換チップに転送することであって、前記変換チップがマイクロ波－光周波数変換器を備える、転送することと、前記量子ビット・チップと前記変換チップとの間に配置された誘電体インターポーザを使用して、前記複数のデータ量子ビットを迷光場から遮蔽しながら、前記量子情報のマイクロ波－光周波数変換を実行することと、前記量子情報を光周波数信号として出力することと、を含む、量子情報の光変換を実行するための方法を提供する。

【0006】

さらなる態様から見ると、本発明は、封じ込め容器を備える真空下の冷却システムと、本発明のシステムを備え、システムは封じ込め容器によって画定された冷却真空環境内に収容されている、量子コンピュータを提供する。

【0007】

さらなる態様から見ると、本発明は、封じ込め容器を備える真空下の冷却システムと、前記封じ込め容器によって画定された冷却真空環境内に収容された量子ビット・チップであって、マイクロ波周波数で動作するように構成された複数のデータ量子ビットを含む量子ビット・チップと、前記封じ込め容器によって画定された冷却真空環境内に収容された変換チップであって、前記量子ビット・チップから離間され、マイクロ波－光周波数変換器を備える変換チップと、前記封じ込め容器によって画定された冷却真空環境内に収容され、前記量子ビット・チップおよび前記変換チップに結合されたインターポーザであって、内部に複数の超伝導マイクロ波導波路が形成された誘電体材料を含むインターポーザと、を備え、前記複数の超伝導マイクロ波導波路が、量子情報を前記複数のデータ量子ビットから前記変換チップ上の前記マイクロ波－光周波数変換器に伝送するように構成されており、前記マイクロ波－光周波数変換器が、前記量子情報を前記マイクロ波周波数から光周波数に変換するように構成されている、量子コンピュータを提供する。

【0008】

本発明の一実施形態によると、量子情報の光変換のためのシステムは、マイクロ波周波数で動作するように構成された複数のデータ量子ビットを含む量子ビット・チップと、量子ビット・チップから離間された変換チップであって、マイクロ波－光周波数変換器を含む変換チップと、を含む。本システムは、量子ビット・チップおよび変換チップに結合されたインターポーザであって、内部に複数の超伝導マイクロ波導波路が形成された誘電体材料を含むインターポーザを含む。複数の超伝導マイクロ波導波路は、量子情報を複数のデータ量子ビットから変換チップ上のマイクロ波－光周波数変換器に伝送するように構成されており、マイクロ波－光周波数変換器は、量子情報をマイクロ波周波数から光周波数に変換するように構成されている。

【0009】

本発明の一実施形態によると、量子情報の光変換を実行する方法は、マイクロ波周波数で動作するように構成された複数のデータ量子ビットを含む量子ビット・チップを提供することと、量子情報を複数のデータ量子ビットから、量子ビット・チップから離間された変換チップであって、マイクロ波－光周波数変換器を含む変換チップに転送することと、を含む。本方法は、量子ビット・チップと変換チップとの間に配置された誘電体インターポーザを使用して、複数のデータ量子ビットを迷光場から遮蔽しながら、量子情報のマイクロ波－光周波数変換を実行することと、量子情報を光周波数信号として出力することとを含む。

【0010】

本発明の一実施形態によると、量子コンピュータは、封じ込め容器を備える真空下の冷却システムと、封じ込め容器によって画定された冷却真空環境内に収容された量子ビット・チップであって、マイクロ波周波数で動作するように構成された複数のデータ量子ビットを含む量子ビット・チップとを含む。本システムは、封じ込め容器によって画定された冷却真空環境内に収容された変換チップであって、量子ビット・チップから離間され、マイクロ波－光周波数変換器を含む変換チップをさらに含む。本システムは、封じ込め容器によって画定された冷却真空環境内に収容され、量子ビット・チップおよび変換チップに結合された、インターポーザであって、内部に複数の超伝導マイクロ波導波路が形成された誘電体材料を含むインターポーザを含む。複数の超伝導マイクロ波導波路は、量子情報を複数のデータ量子ビットから変換チップ上のマイクロ波－光周波数変換器に伝送するように構成されており、マイクロ波－光周波数変換器は、量子情報をマイクロ波周波数から光周波数に変換するように構成されている。

【0011】

ここで、本発明は、以下の図に示されるような好ましい実施形態を参照して、例としてのみ説明される。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態による、量子情報の光変換のためのシステムの概略図である。

【図2A】本発明の一実施形態による変換チップの概略図である。

【図2B】本発明の一実施形態による量子ビット・チップの概略図である。

【図2C】本発明の一実施形態によるインターポーザの概略図である。

【図2D】本発明の一実施形態による、図２Ａの変換チップおよび図２Ｂの量子ビット・チップに結合された図２Ｃのインターポーザの概略図である。

【図3A】２つの変換量子ビットを含む変換チップの概略図である。

【図3B】本発明の一実施形態によるインターポーザの概略図である。

【図3C】図３Ａの変換チップおよび量子ビット・チップに結合された図３Ｂのインターポーザの概略図である。

【図4】インターポーザの同じ表面に結合された量子ビット・チップおよび変換チップの概略図である。

【図5】量子情報の光変換を実行するための方法を示す流れ図である。

【図6】本発明の一実施形態による量子コンピュータの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１は、本発明の一実施形態による、量子情報の光変換のためのシステム１００の概略図である。システム１００は、マイクロ波周波数で動作するように構成された複数のデータ量子ビット１０４、１０６、１０８を含む量子ビット・チップ１０２を含む。システム１００は、量子ビット・チップ１０２から離間された変換チップ１１０を含む。変換チップ１１０は、マイクロ波－光周波数変換器を含む（図１には図示せず、図２Ａ参照）。システム１００は、量子ビット・チップ１０２および変換チップ１１０に結合されたインターポーザ１１２を含む。インターポーザ１１２は、内部に複数の超伝導マイクロ波導波路１１６、１１８、１２０が形成された誘電体材料１１４を含む。複数の超伝導マイクロ波導波路１１６、１１８、１２０は、量子情報を複数のデータ量子ビット１０４、１０６、１０８から変換チップ１１０上のマイクロ波－光周波数変換器に伝送するように構成されている。マイクロ波－光周波数変換器は、量子情報をマイクロ波周波数から光周波数に変換するように構成されている。図１の実施形態は、特定の数のデータ量子ビット、マイクロ波－光周波数変換器、および超伝導マイクロ波導波路を有する例を示すが、本発明の実施形態は、これらの特定の数に限定されない。本発明の実施形態は、より多くのまたはより少ないデータ量子ビット、マイクロ波－光周波数変換器、および超伝導マイクロ波導波路を含むことができる。

【0014】

本発明の一実施形態によると、マイクロ波－光周波数変換器は、量子情報を光周波数からマイクロ波周波数に変換するようにさらに構成され、複数の超伝導マイクロ波導波路１１６、１１８、１２０は、量子情報を変換チップ上のマイクロ波－光周波数変換器から複数のデータ量子ビット１０４、１０６、１０８に伝送するように構成されている。

【0015】

図１に示すように、本発明の一実施形態によるインターポーザ１１２は、第１の表面１２２と、第１の表面１２２の反対側の第２の表面１２４とを含む。量子ビット・チップ１０２は、インターポーザ１１２の第１の表面１２２に結合され、変換チップ１１０は、インターポーザ１１２の第２の表面１２４に結合されている。

【0016】

本発明の一実施形態によると、量子ビット・チップは、インターポーザに結合されている。図１では、量子ビット・チップ１０２は、複数のはんだバンプ１２６、１２８、１３０を使用してインターポーザ１１２に結合されている。はんだバンプ１２６、１２８、１３０は、超伝導マイクロ波導波路１１６、１１８、１２０に直接結合されてもよく、データ量子ビット１０４、１０６、１０８に容量結合されてもよい。はんだバンプは、超伝導材料から形成されてもよいが、本発明の実施形態は、超伝導材料から形成されたはんだバンプに限定されない。はんだバンプの材料の一例は、インジウムである。本発明の実施形態は、図１に示す例に示されるはんだバンプの数に限定されない。

【0017】

本発明の一実施形態によると、変換チップは、インターポーザに結合されている。図１では、変換チップ１１０は、複数のはんだバンプ１３２、１３４、１３６を使用してインターポーザ１１２に結合されている。はんだバンプ１３２、１３４、１３６は、マイクロ波－光周波数変換器を超伝導マイクロ波導波路１１６、１１８、１２０に結合する。本発明の一実施形態によるシステム１００は、複数の量子ビット・チップおよび変換チップを含むことができる。量子ビット・チップおよび変換チップは、単一のインターポーザまたは複数のインターポーザに接合されてもよい。

【0018】

本発明の一実施形態によるシステムは、量子情報を超伝導量子ビット・チップから、誘電体インターポーザに埋め込まれた超伝導導波路を介して、光変換を実行するチップに転送することを可能にする。本システムは、変換チップ上に配置されたマイクロ波－光変換器によって生成される迷光場を、パッケージング・ソリューションを介して超伝導量子ビット・チップ上のデータ量子ビットから分離する。すなわち、データ量子ビットを１つのチップ上に形成することができ、一方、マイクロ波－光変換器を別のチップ上に形成することができる。したがって、材料処理工程が量子ビット・チップと光変換チップとの間で分離される。量子ビット・チップ上のデータ量子ビットは、量子ビットのコヒーレンスを最適化する材料およびプロセスを使用して製造することができる。一方、変換チップは、データ量子ビットの品質に影響を与えることなく、マイクロ波－光変換を容易にする材料およびプロセスを使用して製造することができる。

【0019】

本システムはまた、変換チップ上に量子ビットを含むことができる。この場合、量子ビット・チップは、高品質の量子ビットを有することができるが、変換チップ上の量子ビットは、１０ｎｓ～１μｓの範囲の変換時間よりも長い寿命を有していればよい。さらに、変換チップを形成するのに有用である可能性がある電気光学材料または圧電材料などの基板は、多くの場合、量子ビットの高寿命と両立しない。また、変換基板としてしばしば使用されるシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）上に長寿命の量子ビットを製造することも困難である。ＳＯＩ上に形成された量子ビットは、しばしば、３μｓのオーダのＴ１およびＴ２時間を有する。複数のリソグラフィ工程などの、マイクロ波－光変換器を形成するのに有用な処理技術は、接合アニーリングまたは２レベルシステムの導入あるいはその両方（すなわち、誘電損失）に起因して量子ビットの寿命を低下させる可能性がある。データ量子ビットとマイクロ波－光変換器を異なるチップ上に分離することによって、最適な処理技術を使用して、各チップおよびその上に含まれる構造体を形成することができる。

【0020】

本発明の一実施形態によると、マイクロ波－光周波数変換器は、光周波数領域で動作するように構成されたデバイスに結合されたマイクロ波導波路を備える。図２Ａは、変換チップ２００の概略図である。変換チップ２００は、光周波数領域で動作するように構成されたデバイス２０６に結合されたマイクロ波導波路２０４を含むマイクロ波－光周波数変換器２０２を含む。デバイス２０６は、例えば、リング、楕円、レース・トラック、または二重の８の字形の形状の光共振器であってもよい。デバイス２０６は、例えば、バルク音響波共振器、機械的カプラ、または膜であってもよい。変換チップ２００はまた、デバイス２０６に結合された光ポンプ線路２０８を含むことができる。光ポンプ線路２０８は、量子情報を光周波数信号として伝送するように構成されている。

【0021】

図２Ｂは、本発明の一実施形態による量子ビット・チップ２１２の概略図である。量子ビット・チップ２１２は、マイクロ波周波数で動作するように構成されたデータ量子ビット２１４を含む。

【0022】

図２Ｃは、本発明の一実施形態によるインターポーザ２１６の概略図である。インターポーザ２１６は、内部に超伝導マイクロ波導波路２２０が形成された誘電体材料２１８を含む。本発明の一実施形態によると、誘電体材料２１８は、例えば、プリント回路板、有機ラミネート、シリコン・チップ、セラミック、ＦＲ－４などのガラス強化エポキシ・ラミネート材料、デュロイド、またはポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）のうちの１つもしくは複数を含む。本発明の一実施形態によると、超伝導マイクロ波導波路２２０は、例えば、ニオブ、アルミニウム、スズ、電気めっきレニウム、またはインジウムのうちの１つもしくは複数から形成されてもよい。

【0023】

図２Ｄは、本発明の一実施形態による、変換チップおよび量子ビット・チップに結合されたインターポーザの概略図である。超伝導マイクロ波導波路２２０は、量子情報をデータ量子ビット２１４から変換チップ上のマイクロ波－光周波数変換器２０２に伝送するように構成されている。図２Ｂおよび図２Ｄは、単一のデータ量子ビット２１４を有する量子ビット・チップを示しているが、本発明の実施形態による量子ビット・チップは、複数のデータ量子ビットを含むことができる。図２Ｃおよび図２Ｄは、単一の超伝導マイクロ波導波路２２０を有するインターポーザを示しているが、本発明の実施形態によるインターポーザは、複数の超伝導マイクロ波導波路を含むことができる。

【0024】

本発明の一実施形態によると、変換チップは、複数の変換量子ビットを含む。図３Ａは、２つの変換量子ビット３０２、３０４を含む変換チップ３００の概略図である。変換量子ビット３０２、３０４のそれぞれは、マイクロ波－光周波数変換器３０６、３０８に結合されている。本発明の一実施形態によるマイクロ波－光周波数変換器３０６、３０８はそれぞれ、光領域で動作するように構成された共振器３１４、３１６に結合されたマイクロ波導波路３１０、３１２を含む。共振器３１４、３１６は、様々な形状、例えば、リング、レース・トラック、または８の字形を有することができる。共振器３１４、３１６はそれぞれ、光ポンプ線路３１８、３２０に結合されてもよい。

【0025】

図３Ｂは、本発明の一実施形態によるインターポーザ３２２の概略図である。インターポーザ３２２は、内部に２つの超伝導マイクロ波導波路３２６、３２８が形成された誘電体材料３２４を含む。

【0026】

図３Ｃは、図３Ａの変換チップ３００と、図２Ｂに示す量子ビット・チップ２１２などの量子ビット・チップとに結合された図３Ｂのインターポーザ３２２の概略図である。超伝導マイクロ波導波路３２６、３２８は、量子情報をデータ量子ビット３３０から、変換量子ビット３０２、３０４を介してマイクロ波－光周波数変換器３０６、３０８に伝送するように構成されている。マイクロ波導波路３２６、３２８は、量子情報をデータ量子ビット３３０から、マイクロ波光子を介して変換量子ビット３０２、３０４に伝送する。本発明の実施形態は、図３Ａ～図３Ｃに示す例に示される特定の数のデータ量子ビット、超伝導マイクロ波導波路、および変換量子ビットに限定されない。

【0027】

本発明の一実施形態によると、複数のデータ量子ビットのそれぞれは、量子計算を実行するのに十分な緩和時間（Ｔ１）およびコヒーレンス時間（Ｔ２）を有する。本発明の一実施形態によるデータ量子ビットは、７５μｓを超えるＴ１時間およびＴ２時間を有することができる。本発明の一実施形態によるデータ量子ビットは、１００μｓ以上のオーダのＴ１時間およびＴ２時間を有することができる。

【0028】

本発明の一実施形態によると、複数の変換量子ビットのそれぞれは、マイクロ波－光周波数変換器の変換時間を超える緩和時間およびコヒーレンス時間を有する。例えば、マイクロ波－光周波数変換に必要な時間が約１０ｎｓ～１μｓの場合、変換量子ビットは、約３μｓ以上のオーダのＴ１時間およびＴ２時間を有することができる。本発明の一実施形態によると、マイクロ波－光周波数変換器の変換時間は、１μｓ未満である。本発明の一実施形態によると、変換量子ビットは、データ量子ビットのＴ１時間およびＴ２時間よりも小さいＴ１時間およびＴ２時間を有する。

【0029】

本発明の一実施形態によると、変換チップは、電気光学材料、圧電材料、またはシリコン・オン・インシュレータ基板のうちの１つもしくは複数を含む基板を含む。本発明の一実施形態によると、マイクロ波－光周波数変換器は、例えば、膜などの光学機械システムを含む。

【0030】

図１に示す構成の代替として、量子ビット・チップおよび変換チップは、インターポーザの同じ表面に結合されてもよい。図４は、インターポーザ４０６の同じ表面４０４に結合された量子ビット・チップ４００および変換チップ４０２の概略図である。

【0031】

図５は、量子情報の光変換を実行するための方法５００を示す流れ図である。方法５００は、マイクロ波周波数で動作するように構成された複数のデータ量子ビットを含む量子ビット・チップを提供すること（５０２）を含む。方法５００は、量子情報を複数のデータ量子ビットから、量子ビット・チップから離間された変換チップであって、マイクロ波－光周波数変換器を含む、変換チップに転送すること（５０４）を含む。方法５００は、量子ビット・チップと変換チップとの間に配置された誘電体インターポーザを使用して、複数のデータ量子ビットを迷光場から遮蔽しながら、量子情報のマイクロ波－光周波数変換を実行すること（５０６）と、量子情報を光周波数信号として出力すること（５０８）とを含む。

【0032】

図６は、本発明の一実施形態による量子コンピュータ６００の概略図である。量子コンピュータ６００は、封じ込め容器６０２を備える真空下の冷却システムを含む。量子コンピュータ６００は、封じ込め容器６０２によって画定された冷却真空環境内に収容された量子ビット・チップ６０４を含む。量子ビット・チップ６０４は、マイクロ波周波数で動作するように構成された複数のデータ量子ビット６０６、６０８、６１０を含む。量子コンピュータ６００は、封じ込め容器６０２によって画定された冷却真空環境内に収容された変換チップ６１２を含む。変換チップ６１２は、量子ビット・チップ６０４から離間されており、マイクロ波－光周波数変換器を含む。量子コンピュータ６００は、封じ込め容器６０２によって画定された冷却真空環境内に収容されたインターポーザ６１４を含む。インターポーザ６１４は、量子ビット・チップ６０４および変換チップ６１２に結合されている。インターポーザ６１４は、内部に複数の超伝導マイクロ波導波路６１８、６２０、６２２が形成された誘電体材料６１６を含む。複数の超伝導マイクロ波導波路６１８、６２０、６２２は、量子情報を複数のデータ量子ビット６０６、６０８、６１０から変換チップ６１２上のマイクロ波－光周波数変換器に伝送するように構成され、マイクロ波－光周波数変換器は、この量子情報をマイクロ波周波数から光周波数に変換するように構成されている。

【0033】

本発明の一実施形態によると、誘電体材料６１６は、プリント回路板、有機ラミネート、シリコン・ウエハ、セラミック、ＦＲ－４などのガラス強化エポキシ・ラミネート材料、デュロイド、テフロン（Ｒ）、またはポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）のうちの１つもしくは複数を含む。本発明の一実施形態によると、マイクロ波－光周波数変換器は、光周波数領域で動作するように構成されたデバイスに結合されたマイクロ波導波路を含む。変換チップ６１２は、図２の光ポンプ線路２０８などの、光周波数領域で動作するように構成されたデバイスに結合された光ポンプ線路をさらに含むことができる。光ポンプ線路は、量子情報を、封じ込め容器６０２によって画定された冷却真空環境から封じ込め容器６０２の外部に光周波数信号として伝送するように構成されてもよい。代替的または追加的に、光ポンプ線路は、量子情報を光周波数信号として、変換チップ６１２から、第２の量子ビット・チップに結合された第２の変換チップに伝送するように構成されてもよい。

【0034】

本発明の一実施形態による量子コンピュータは、複数のデータ量子ビット・チップ、変換チップ、およびインターポーザを含むことができる。さらに、本発明の実施形態は、図６に示す特定の数のデータ量子ビット、マイクロ波－光周波数変換器、および超伝導マイクロ波導波路に限定されない。

【0035】

本発明の様々な実施形態の説明は、例示の目的で提示されてきたが、網羅的であることを意図するものではなく、または開示された実施形態に限定されることを意図するものではない。説明された実施形態の範囲から逸脱することなく、多くの修正および変形が当業者には明らかであろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、市場で見られる技術に対する実際の適用または技術的改善を最もよく説明するために、または当業者が本明細書に開示される実施形態を理解できるようにするために選択された。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5】

【図6】