(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-07-19
(54)【発明の名称】量子ビットをリセットするための方法と配置
(51)【国際特許分類】
H10N 60/10 20230101AFI20230711BHJP
【ＦＩ】
H10N60/10 Z ZAA
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022575402
(86)(22)【出願日】2021-06-30
(85)【翻訳文提出日】2023-01-30
(86)【国際出願番号】 FI2021050503
(87)【国際公開番号】W WO2022003249
(87)【国際公開日】2022-01-06
(31)【優先権主張番号】20183079.1
(32)【優先日】2020-06-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】519394241
【氏名又は名称】アイキューエム フィンランド オイ
(74)【代理人】
【識別番号】110003694
【氏名又は名称】弁理士法人有我国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】リー，テンイ
(72)【発明者】
【氏名】チャン，コック ワイ
(72)【発明者】
【氏名】タン，クアン イェン
(72)【発明者】
【氏名】ゲッツ，ヤン
(72)【発明者】
【氏名】モットネン，ミッコ
【テーマコード（参考）】
4M113
【Ｆターム（参考）】
4M113AC06
4M113AC44
4M113AC45
4M113AC50
(57)【要約】
【解決手段】量子ビットをリセットするために、１つ以上の量子回路冷凍機があり、それぞれがトンネル接合と制御信号を受け取るための制御入力を備えている。制御信号に応答して、光子支援一電子トンネルがそれぞれのトンネル接合を横切って行われる。量子ビットと量子回路冷凍機の間には容量結合素子または誘導結合素子があり、各量子ビットを量子回路冷凍機に結合させる。量子ビット、量子回路冷凍機、結合素子は、極低温冷却環境下に置かれる。制御入力への共通制御信号線は、室温環境から前記極低温冷却環境に移行している。
【選択図】図２
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の量子ビットと、１つ以上の量子回路冷凍機であって、前記1つ以上の量子回路冷凍機の各々は、トンネル接合と、制御信号を受け取るための制御入力とを備え、前記1つ以上の量子回路冷凍機の各々は、それぞれの制御入力を通じて受け取った制御信号に応答して、それぞれのトンネル接合にわたる光子支援単一電子トンネル形成を可能にするよう構成された、量子回路冷凍機と、
前記複数の量子ビットと前記１つ以上の量子回路冷凍機との間の結合素子であって、前記複数の量子ビットの各々を前記１つ以上の量子回路冷凍機の１つに結合するように構成された、結合素子と、を備え、
前記複数の量子ビットと、前記1つ以上の量子回路冷凍機と、前記結合素子とが極低温冷却環境で動作するように構成された配置であって、
前記1つ以上の量子回路冷凍機の制御入力への共通制御信号線を備え、前記共通制御信号線は、室温環境から前記極低温冷却環境に移行するように構成された配置。
【請求項2】
前記結合素子は、容量結合素子からなることを特徴とする請求項１に記載の配置。
【請求項3】
前記結合素子は、誘導結合素子からなることを特徴とする請求項１に記載の配置。
【請求項4】
前記１つ以上の量子回路冷凍機は、前記複数の量子ビットの少なくともサブセットに対する共有量子回路冷凍機から構成され、かつ前記共有量子回路冷凍機のトンネル接合を、前記結合素子の少なくともそれぞれのサブセットを介して前記複数の量子ビットの前記サブセットに結合するための共振器と、を備えた請求項１から請求項３までのいずれかに記載の配置。
【請求項5】
前記共振器は、発振電気信号の共振周波数に合わせた長さを有し前記それぞれのサブセットの前記結合素子は、前記共振器の前記長さに沿って、前記共振周波数における前記発振電気信号の振動振幅の最大値に対応する点に配置された請求項４に記載の配置。
【請求項6】
前記共振周波数は、前記共振器の前記長さが半波長となる基本共振周波数のｎ：番目の高調波周波数であり、前記結合素子が容量結合素子からなる例では前記結合素子が位置する前記共振器の前記長さに沿った前記点のうちｎ＋１個が存在し、
前記結合素子が誘導結合素子からなる例では前記結合素子が位置する前記共振器の前記長さに沿った前記点のうちｎ個が存在し、
ｎは、正の整数である請求項５に記載の配置。
【請求項7】
前記１つ以上の量子回路冷凍機は、前記複数の量子ビットの数と同数の量子回路冷凍機から構成され、前記１つ以上の量子回路冷凍機の各々は、共通の基準電位に接続され、かつ
前記共通制御信号線は、前記制御信号を共通の電位で前記量子回路冷凍機のそれぞれの制御入力に結合するように構成される、請求項１から請求項３までのいずれかに記載の配置。
【請求項8】
前記配置は、制御可能なデマルチプレクサを備え、前記共通制御信号線は、前記制御可能なデマルチプレクサを介して前記制御信号を前記量子回路冷凍機のそれぞれの制御入力に結合するように構成され、かつ、
前記制御信号を前記量子回路冷凍機の選択されたもののそれぞれの制御入力に選択的に結合するために、前記制御可能なデマルチプレクサに結合されたデマルチプレクサ制御信号線と、を備える、請求項７に記載の配置。
【請求項9】
前記１つ以上の量子回路冷凍機は、発振信号で制御されるように構成されたＲＦ－ＱＣＲであり、前記共通制御信号線は、前記発振信号を前記１つ以上の量子回路冷凍機の制御入力に伝達するように構成されている、請求項１から請求項８までのいずれかに記載の配置。
【請求項10】
前記１つ以上の量子回路冷凍機は、前記複数の量子ビットの数と同数のＲＦ－ＱＣＲからなり、かつ、前記共通制御信号線からの前記発振信号を前記ＲＦ－ＱＣＲに分配するためのＲＦスプリッタと、を備える、請求項９に記載の配置。
【請求項11】
室温環境から極低温冷却環境へ共通の制御信号を導出するステップと、前記共通の制御信号を１つ以上の量子回路冷凍機のそれぞれの制御入力に結合し、これにより、前記１つ以上の量子回路冷凍機のトンネル接合を横切る一電子トンネルを可能にするステップと、
複数の量子ビットによって放出される光子を用いて前記一電子トンネルを駆動し、前記複数の量子ビットをリセットさせるステップと、
を含む、前記極低温冷却環境において量子ビットをリセットするための方法。
【請求項12】
前記複数の量子ビットの少なくともサブセットと、前記複数の量子ビットの前記サブセットによって放出された前記光子を共有量子回路冷凍機に結合させるための共振器との間の結合を使用するステップと、を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記制御信号としてバイアス電圧を用い、前記バイアス電圧の大きさは、前記トンネル接合の超伝導ギャップを克服するのに十分な大きさよりも第１の量だけ小さく、
前記第１の量は、前記複数の量子ビットによって放出される前記光子の光子エネルギーに等しい、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項14】
前記複数の量子ビットの各々に対して特定の量子回路冷凍機を使用するステップと、前記特定の量子回路冷凍機を共通の基準電位に結合するステップと、
前記制御信号を、共通の電位で前記特定の量子回路冷凍機に同時に結合するステップと、
を備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項15】
前記特定の量子回路冷凍機のサブセットに対して、前記共通の制御信号を制御可能に逆多重化するステップと、を含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般に、量子コンピューティングの技術に関する。特に、本発明は、極低温冷却環境に存在する量子コンピューティングデバイスの量子ビットをリセットすることに関する。
【背景技術】
【0002】
超伝導チップは、量子コンピューティングなどのさまざまなアプリケーションで使用されている。超伝導チップの中心にあるのは、２状態の量子力学系である量子ビットである。量子ビットの状態を制御された方法で変化させることは、量子コンピューティングの本質である。
【0003】
量子ビットをリセットするということは、量子ビットから余分なエネルギーを排出すること、つまり、量子ビットを最低エネルギーレベルまで冷却することを意味する。個々の量子ビットをリセットするための方法および配置は、ＥＰ３３９８２１３として公開された欧州特許出願から知られており、参照により本明細書に組み込まれる。前記先行技術文献に記載された回路素子は、一般に量子回路冷凍機またはＱＣＲとして知られている。これは、通常の金属－絶縁体－超伝導体（ＮＩＳ）接合で発生させることができる、光子支援単一電子トンネリングとして知られるプロセスに基づいている。ＮＩＳ接合に適切なバイアス電圧を印加すると、通常の金属から絶縁体を横切って超伝導体への個々の電子のトンネリングが開始される。この単一電子トンネリングにはエネルギーが必要であり、このエネルギーは量子ビットから光子の形で吸収される。光子を放出すると、量子ビットがより低いエネルギー状態に崩壊し、最終的に量子ビットがリセットされる。
【0004】
図１は、極低温冷却環境に配置された量子ビットを含む量子コンピューティングシステムを示しており、量子ビット１０１、１０２、および１０３が例として示されている。任意の数の量子ビットが存在する可能性がある。基本的に、量子コンピューティングシステムの計算能力は、量子ビットが多いほど高くなる。周囲の室温環境に配置された信号処理装置１０４によって、入力信号が量子ビット１０１から１０３に注入され、そこから読み出し信号が得られる。各量子ビットをリセットするために、関連するＱＣＲがあり、そのうちのＱＣＲ１０５、１０６、および１０７が例として示されている。各量子ビットとそれに関連するＱＣＲとの間の結合は、量子ビットによって放出された光子が関連するＱＣＲに吸収されることを可能にする任意の適切な形式を有することができる。ＱＣＲにおける単一電子トンネリングを活性化するバイアス信号は、ＱＣＲ制御回路１０８から来る。これは、図１に別個の機能ブロックとして示されている。実際の実装では、信号処理装置１０４の一部とすることができる。
【0005】
図１の既知の配置では、量子ビット制御線とＱＣＲバイアス線の両方の数は、量子ビットの数に比例して直線的に増加する。室温環境と極低温冷却環境との間の信号線の提供は、量子ビットの数が大きくなるにつれて、ますます大きな問題を引き起こす可能性がある。各信号線には特定のスペースが必要であり、極低温冷却環境を作成するために使用されるクライオスタットに特定の熱負荷を引き起こす。これは、室温から極低温環境までの信号経路における熱負荷や信号損失による消費電力の大きさ、システムの占有面積の大きさとなって現れ、量子コンピュータ基盤のスケーラビリティに制限を与えることになる。また、量子コンピュータの数が直線的に増加するため、チップの面積や製造コストが増大し、クライオスタットの冷却電力も増加する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、室温環境と極低温冷却環境との間のインタフェースにおけるより簡単なハードウェア実装を可能にする方法で量子ビットをリセットするための方法および配置を提供することを目的としている。もう１つの目的は、クライオスタットへの熱負荷を制限して量子ビットをリセットできるようにすることである。さらなる目的は、量子ビットをリセットするためのハードウェアインターフェイスを設計する方法にかなりの自由を提供することである。
【0007】
本発明の目的は、共通の制御信号が、共通の量子回路冷凍機を活性化することによって、または多数の量子回路冷凍機を同時に活性化することによって、またはその両方によって、複数の量子ビットのリセットに同時に影響を与えるアプローチを使用することによって達成される。
【課題を解決するための手段】
【0008】
第１の態様によれば、量子ビットをリセットするための配置が提供される。この配置は、複数の量子ビットと、１つ以上の量子回路冷凍機とから構成される。各量子回路冷凍機は、トンネル接合と、制御信号を受信するための制御入力とを備え、各量子回路冷凍機は、それぞれの制御入力を介して受信した制御信号に応答して、それぞれのトンネル接合にわたる光子支援単一電子トンネル形成を可能にするように構成される。前記配置は、前記複数の量子ビットと前記１つ以上の量子回路冷凍機との間の結合素子を備える。前記結合素子は、前記複数の量子ビットの各々を前記１つ以上の量子回路冷凍機の１つに結合するように構成される。前記複数の量子ビット、前記１つ以上の量子回路冷凍機、及び前記結合素子は、極低温冷却環境下で動作するように構成される。前記配置は、前記１つ以上の量子回路冷凍機の制御入力に共通制御信号線を備える。前記共通制御信号線は、室温環境から前記極低温冷却環境に移行するように構成される。
【0009】
一実施形態によれば、前記結合素子は容量結合素子を含む。これには、寸法決めと製造が比較的容易な非ガルバニック結合の周知の手段によって結合を行うことができるという利点が含まれる。
【0010】
一実施形態によれば、結合素子は誘導結合素子を含む。これには、寸法と製造が比較的容易な非ガルバニック結合の周知の手段によって結合を行うことができるという利点が含まれる。
【0011】
一実施形態によれば、前記１つ以上の量子回路冷凍機は、前記複数の量子ビットの少なくともサブセットに共通の共有量子回路冷凍機を備える。その場合、装置は、結合素子の少なくともそれぞれのサブセットを介して、共有量子回路冷凍機のトンネル接合を複数の量子ビットのサブセットに結合するための共振器を備える。これには、量子ビット数が比較的多いシステムでも、限られた数の量子回路冷凍機しか必要ないという利点がある。
【0012】
一実施形態によれば、前記共振器は、発振電気信号の共振周波数に対して寸法決めされた長さを有する。次いで、前記それぞれのサブセットの結合素子は、前記共振周波数での前記発振電気信号の振動振幅の最大値に対応する前記共振器の前記長さに沿った点に配置することができる。これには、共振器と関連する量子ビットのそれぞれとの間の効率的な結合を達成できるという利点が含まれる。
【0013】
一実施形態によれば、前記共振周波数は、前記共振器の長さが半波長である基本共振周波数のｎ次高調波周波数である。次いで、結合素子が容量結合素子を含む場合、結合素子が位置する共振器の長さに沿ってｎ＋１個の点が存在し得る。あるいは、前記結合素子が誘導結合素子を含む場合、前記結合素子が配置される共振器の長さに沿ってｎ個の前記点が存在してもよい。ここでｎは正の整数である。これには、利用される共振周波数とリセットできる量子ビット数との間の論理的かつ直感的な関連付けを利用できるという利点が含まれる。
【0014】
一実施形態によれば、前記１つ以上の量子回路冷凍機は、前記複数の量子ビット内の量子ビットと同数の量子回路冷凍機を備える。次いで、前記１つ以上の量子回路冷凍機のそれぞれを共通基準電位に接続することができ、前記共通制御信号線は、共通電位で前記量子回路冷凍機のそれぞれの制御入力に前記制御信号を結合するように構成することができる。これには、非常に正確に定義された一意の共振周波数の量子ビットをリセットできるという利点があり、量子ビット間の干渉と不要な漂遊結合を最小限に抑えることができる。
【0015】
一実施形態によれば、装置は、制御可能なデマルチプレクサを備える。次いで、前記共通制御信号線は、前記制御可能なデマルチプレクサを介して前記制御信号を前記量子回路冷凍機のそれぞれの制御入力に結合するように構成することができる。この配置はまた、前記制御信号を前記量子回路冷凍機の選択されたもののそれぞれの制御入力に選択的に結合するために、前記制御可能なデマルチプレクサに結合されたデマルチプレクサ制御信号線を備えてもよい。これには、必要に応じて量子ビットの目的のサブセットをリセットできるという利点がある。
【0016】
一実施形態によれば、前記１つ以上の量子回路冷凍機は、発振信号で制御されるように構成されたＲＦ－ＱＣＲである。次いで、前記共通制御信号線は、前記発振信号を前記１つ以上の量子回路冷凍機の制御入力に伝達するように構成され得る。これには、トンネル接合に支援エネルギーを選択的に注入することにより、量子回路冷凍機の動作を制御できるという利点がある。
【0017】
一実施形態によれば、前記１つ以上の量子回路冷凍機は、前記複数の量子ビット内の量子ビットと同数のＲＦ－ＱＣＲを備える。その場合、装置は、前記発振信号を前記共通制御信号線から前記ＲＦ－ＱＣＲに分配するためのＲＦスプリッタを備えることができる。これには、室温環境から極低温冷却環境に至る高周波制御ラインの数を、高周波数で制御される回路素子に比べて少なく保つことができるという利点が含まれる。
【0018】
第２の態様によれば、極低温冷却環境において量子ビットをリセットするための方法が提供される。この方法は、室温環境から前記極低温冷却環境へ共通の制御信号を導通させることと、前記共通の制御信号を１つ以上の量子回路冷凍機のそれぞれの制御入力に結合し、これにより前記１つ以上の量子回路冷凍機のトンネル接合を横切る一電子トンネルを可能にし、複数の量子ビットによって放出される光子を使用して前記一電子トンネルを駆動し、これにより前記複数の量子ビットをリセットさせることとを含んでいる。
【0019】
一実施形態によれば、本方法は、前記複数の量子ビットの少なくともサブセットと、前記複数の量子ビットの前記サブセットによって放出された前記光子を共有量子回路冷凍機に結合するための共振器との間の結合を使用することを含む。これには、量子ビット数が比較的多いシステムでも、限られた数の量子回路冷凍機しか必要ないという利点がある。
【0020】
一実施形態によれば、本方法は、バイアス電圧を前記制御信号として使用することを含み、前記バイアス電圧の大きさは、前記トンネル接合の超伝導ギャップを克服するのに十分な大きさよりも第１の量だけ小さく、前記第１の量は前記複数のキュービットによって放出された前記光子の光子エネルギーに等しい。これは、量子回路冷凍機の正確に制御された動作を達成できるという利点を伴う。
【0021】
一実施形態によれば、本方法は、前記複数の量子ビットのそれぞれに特定の量子回路冷凍機を使用すること、前記特定の量子回路冷凍機を共通の基準電位に結合すること、および前記制御信号を前記特定の量子回路冷凍機に同時に共通の電位で結合することを含む。これには、非常に正確に定義された一意の共振周波数の量子ビットをリセットできるという利点があり、量子ビット間の干渉と不要な漂遊結合を最小限に抑えることができる。
【0022】
一実施形態によれば、本方法は、前記共通制御信号を前記特定の量子回路冷凍機のサブセットに制御可能に逆多重化することを含む。これには、必要に応じて量子ビットの目的のサブセットをリセットできるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【0023】
添付図面は、本発明のさらなる理解を提供するために本明細書に含まれ、本明細書の一部を構成する本発明の実施形態を示し、本文の記載とともに本発明の原理の理解を助けている。
【発明を実施するための形態】
【0024】
図２は、量子コンピューティングシステムの一部を示している。量子コンピューティングシステムの一部は極低温冷却環境に置かれ、他の一部は隣接する室温環境に置かれる。一例として、極低温冷却環境は、それ自体が室温環境にあるクライオスタットの内部に配置することができる。「室温」という表示は、室温環境の環境条件が、人が住んで働く部屋の環境条件に対応することを実際に要求する制限として解釈されるべきではない。これは、図２の左側の条件では、極低温冷却環境で見られる温度まで極低温冷却する必要がないことを示している。極低温冷却環境の環境条件は、わずか数ケルビン、またはわずか数ミリケルビン程度の１ケルビンよりかなり低い温度など、非常に低い温度を伴う場合がある。徐々に温度が低下する冷却段階が存在する可能性があるため、極低温冷却環境の一部にのみ最低温度が存在する可能性がある。システムの一部が極低温冷却環境内にあると言うのは、その部分がそのような段階のどの段階にあるかについての立場ではない。極低温冷却環境の環境条件は、高真空を伴う場合もある。これは、関連する低温を維持するための断熱材として周囲の高真空が通常必要とされるためである。
【0025】
図２に示す部分は、特に、量子計算システムの一部として量子ビットをリセットするための構成に関する。この構成は複数の量子ビットを含み、そのうち量子ビット２０１、２０２、および２０３が図２に例として示されている。量子ビット制御ユニット１０４は、室温環境に位置する量子計算システムの部分に設けられる。この説明の目的では、量子ビット制御ユニット１０４の性質および動作は重要ではない。図２では、量子ビット２０１－２０３が量子コンピューティング演算を行うことに関係する何らかの目的を持つことを念のため示しているに過ぎない。
【0026】
この配置は、１つ以上の量子回路冷凍機を備えるＱＣＲブロック２０４も備える。この技術分野で確立された用語によれば、量子回路冷凍機は、独立型コンポーネントとして設計でき、トンネル接合と制御信号を受信するための制御入力を備える回路素子である。そのような量子回路冷凍機は、制御入力を介して受信された制御信号に応答して、トンネル接合を横切る光子支援単一電子トンネリングを可能にするように構成される。制御信号はバイアス信号とも呼ばれ、ＤＣバイアス信号、パルスバイアス信号、ＡＣバイアス信号のいずれでもかまわない。
【0027】
関連する量の大きさのオーダーの例を示すために、例えば、ＱＣＲのトンネル接合の超伝導ギャップが４００マイクロエレクトロンボルト（９６ＧＨｚ×ｈ、ｈはボルツマン定数）とすると、ＤＣバイアス値はｅあたり９２ＧＨｚ×ｈと計算される。ここで、ｅは電子の電荷である。この場合、バイアス電圧レベルは３８３マイクロボルトとなる。このようなバイアス電圧を前記例示的なＱＣＲに適用すると、光子支援トンネルが発生するために、周波数４ＧＨｚの光子がその差を埋め合わせることができるようになる。励起された量子ビットがＱＣＲに適切に結合された場合、励起エネルギーの対応する部分が、４ＧＨｚの光子の形で量子ビットからＱＣＲに移動し、結果として量子ビットが冷却される可能性がある。
【0028】
図２に示すように、配置は、複数の量子ビット２０１－２０３とＱＣＲブロック２０４内の１つ以上の量子回路冷凍機との間の結合２０５－２０７を含む。結合２０５－２０７は、例えば、複数の量子ビット２０１－２０３および１つ以上の量子回路冷凍機の間の複数の容量結合素子または誘導結合素子の間の結合素子を介して行うことができる。かかる結合素子は、複数の量子ビット２０１－２０３のそれぞれをＱＣＲブロック２０４内の１つ以上の量子回路冷凍機と結合するように構成されている。
【0029】
容量結合および容量結合素子という用語は、量子回路の２つの素子を容量結合するために使用できるすべての可能な方法をカバーしている。容量結合素子の例には、平行プレートコンデンサ、フィンガコンデンサ、および集中素子回路が含まれるが、これらに限定されない。同様に、誘導結合および誘導結合素子という用語は、量子回路の２つの素子を誘導結合するために使用できるすべての可能な方法をカバーしている。誘導結合は、例えば、誘導結合素子としてＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉素子）を用いることを含む。
【0030】
量子ビット２０１－２０３、量子回路冷凍機、および結合素子は、極低温冷却環境で動作するように構成されている。これは、実際には、それらが１つ以上の極低温集積回路または回路モジュールの一部として構築され、その材料が、動作中にクライオスタットで一般的な極低温での動作に適していることを意味する。このような極低温集積回路または回路モジュールは、クライオスタット内の極低温冷却構造に直接的または間接的に取り付けることができるようにも構築されており、それらへのおよびそれらからの外部接続は、クライオスタットへの熱負荷を最小限に抑えることを可能にする技術を用いて製造することができる。
【0031】
図１に示す従来技術の解決策とは対照的に、図２の配置は、ＱＣＲブロック２０４内の１つ以上の量子回路冷凍機の制御入力２０９への共通制御信号線２０８を備える。共通制御信号線２０８は、室温環境から極低温冷却環境に移行するように構成される。配置のハードウェア面に関しては、室温環境から極低温冷却環境に移行するための信号線を構成することは、量子コンピューティングのセットアップの一部として配置を組み立てることができるように、物理的な信号線とコネクタを構築することを意味し、その一方、システム、および必要なコールドアンカリングおよびクライオスタットへの熱伝導を最小限に抑えるその他の手段を講じることができ、同時に良好な信号伝搬と電磁干渉に対する保護を保証する。
【0032】
室温環境では、ＱＣＲ制御ユニット２１０は、１つ以上の量子回路冷凍機の制御入力２０９に送達される制御信号のソースとして使用され得る。ＱＣＲ制御ユニット２１０は、スタンドアローンのユニットであってもよいし、量子ビット制御ユニット１０４または室温環境内の他のより大きな信号処理エンティティに含まれていてもよい。
【0033】
図３および４は、ＱＣＲブロック２０４を構築するための２つの基本的なアプローチおよび複数の量子ビットへのその結合を示す。図３に示すアプローチによれば、ＱＣＲブロック２０４の１つ以上の量子回路冷凍機には、複数の量子ビット２０１－２０３の少なくともサブセットに共通の共有量子回路冷凍機がある。この配置は、共有量子回路冷凍機のトンネル接合３０２を、上述の結合素子の少なくともそれぞれのサブセットを介して複数の量子ビット２０１－２０３のサブセットに結合するための共振器３０１を備える。
【0034】
結合を最も効果的に利用するために、共振器３０１を特定の方法で寸法決めすることが有利である。一般に、共振器の共振周波数は高調波系列を構成し、共振周波数は第１、第２、第３などの高調波周波数として番号付けすることができる。一部の情報源では、最初の高調波周波数は基本周波数、基本共振周波数、またはゼロ次高調波周波数と呼ばれる。高調波周波数および共振器の寸法の特定の特性は、図５に関して考慮され得る。λ／２（ラムダ／２）伝送線路共振器の場合、最初の高調波周波数は、発振電気信号の全波長５０１が電気信号の長さ５０２の正確に２倍になる周波数である。第１高調波周波数での発振電気信号の例が、図５の実線グラフ５０３で示されている。図５に示すように、第１高調波周波数は、λ／２伝送線路共振器の長さ５０２に沿った２つの電圧の腹５０４および５０５を含む。
【0035】
図５の破線グラフ５０６は、第２高調波周波数における発振電気信号の例を示す。図５に示すように、第２高調波周波数は、λ／２伝送線路共振器の長さ５０２に沿った３つの電圧の腹５０７、５０８、および５０９を含む。一般に、ｎ番目の高調波周波数（共振器の長さが１／２波長である基本的な共振周波数の）には、共振器の長さに沿ってｎ＋１個の電圧の腹が含まれる。ここで、ｎは正の整数である。電圧の腹は、発振電気信号の電圧の振動振幅の最大値と呼ぶことができる。それに対応して、発振電気信号の電流の振動振幅の最大値が存在する。これらは、グラフ５０１および５０６の節、すなわち前記グラフが水平軸と交差する点に位置する。図５の点線グラフ５１０は、第１高調波周波数および第２高調波周波数での振動からなる複合発振電気信号を示す。
【0036】
励起された量子回路素子（量子ビットなど）と共振器の間の容量結合は、容量結合が共振器の長さに沿った電圧振動の腹またはその近くで行われる場合に最も強くなる。したがって、図３の共振器３０１は、発振電気信号の共振周波数に対して寸法決めされた長さを有する。図３では、量子ビット２０１－２０３（のサブセット）への容量結合を行う容量結合素子が、前記共振周波数における前記発振電気信号の腹に対応する共振器の長さに沿った点３０３、３０４、および３０５に位置していると仮定される。
【0037】
励起された量子回路素子（量子ビットなど）と共振器の間の誘導結合は、誘導結合が共振器の長さに沿った電圧振動の節またはその近くで行われる場合に最も強くなる。繰り返すが、図３の共振器３０１が発振電気信号の共振周波数に合わせた長さを有すると仮定すると、（サブセットの）量子ビット２０１－２０３への誘導結合を行う誘導結合素子が、前記共振周波数における発振電気信号の節に対応する共振器の長さに沿った点に位置する対応レイアウトを提示することができるであろう。
【0038】
励起された量子回路素子は、共振器内で腹が発生する周波数で共振周波数を持たなければならない。
【0039】
容量結合素子または誘導結合素子が、発振電気信号の振動振幅の最大値に対応する「点」にあるという定義は、「点またはその付近」を意味すると理解されるべきである。結合素子を腹または節に配置しようとする理由は、発生する電圧または電流のそれぞれの最大振幅を利用することを目的としているためであり、一般に、電圧が高いほど、または電流が大きいほど、結合より適切に結合に使用できるためである。たとえば、共振器の導体のトポロジーと量子ビットの位置との関係により、腹または節の正確な既知の位置に結合素子を配置することが不可能または不利になる場合は、腹または節にできるだけ近い位置、または上記の目的と他の設計上の考慮事項とのバランスが最適な位置に配置することができる。
【0040】
図４は、ＱＣＲブロック２０４が、複数の量子ビット内の量子ビット２０１－２０３と同数の量子回路冷凍機４０１－４０３を含む別の基本的なアプローチを示している。量子回路冷凍機４０１－４０３の各々は、共通の基準電位に接続されており、図４における局所接地電位である。共通制御信号線４０４は、量子回路冷凍機４０１－４０３のそれぞれの制御入力に共通電位で制御信号を結合するように構成される。本明細書で先に論じた数値例を取ると、制御信号の共通電位は、例えば、共通基準電位に対して数百マイクロボルトまたは数ミリボルトであり得る。
【0041】
図６は、図３に示したアプローチに従って量子ビットをリセットするための配置を採用する量子コンピューティング回路の一部を示す。３つの量子ビット６０１、６０２、および６０３と、１つの量子回路冷凍機６０４が例として示されている。量子ビット６０１－６０３は、より大きな量子コンピューティングシステム内のすべての量子ビットのサブセットを構成することができる。量子ビット６０１、６０２、および６０３への容量結合が例として使用されるが、誘導結合も同様に使用され得る。
【0042】
量子回路冷凍機６０４は、制御入力６０５を備える。先に説明したように、量子回路冷凍機６０４は、トンネル接合（図６には別個に図示せず）を含み、制御入力６０５を介して受信した制御信号に応答して、トンネル接合を横切る光子支援単一電子トンネリングを可能にするように構成される。同じ量子回路冷凍機６０４が３つの量子ビット６０１－６０３すべてに対して冷却効果を有することができるので、量子回路冷凍機６０４のその制御入力６０５に結合される制御信号線は、共通制御信号線と呼ぶことができる。同様に、量子回路冷凍機６０４は、複数の量子ビット６０１－６０３に共通の共有量子回路冷凍機と呼ぶことができる。
【0043】
図６に示す配置は、共有量子回路冷凍機６０４を量子ビット６０１－６０３に結合するための共振器６０６を備える。結合は、一組の容量結合素子を介して行われ、そのうちの容量結合素子６０７が例として示されている。共振器６０６は、発振電気信号の共振周波数に対して寸法決めされた長さを有する。容量結合素子は、共振周波数における発振電気信号の電圧の腹に対応する共振器６０６の長さに沿った点に配置される。図５のグラフと比較すると、共振器６０６は、その長さが半波長である基本共振周波数に対して寸法が決められていると仮定することができる。基本共振周波数の２倍である第２高調波周波数は、その長さに沿って３つの電圧の腹を含み、そのうち２つは共振器６０６の端部にあり、３つ目は中央にある。
【0044】
図７は、量子コンピューティングシステムの一部と、量子ビットをリセットするための配置を示し、その中で、図３および図６を参照して上で説明した原理が任意の数の量子ビットに一般化され、また、ここで、量子ビット７０１、７０２、７０３、および７０４は、量子コンピューティングシステム内のすべての量子ビットのサブセットを構成するか、量子コンピューティングシステム内のすべての量子ビットである可能性がある（言い換えると、サブセットは適切なサブセットである必要はなく、極端な場合はセット全体になることもある）。図６と同様に、ここでも容量結合が例として使用されているが、誘導結合も同様に使用することができる。
【0045】
複数の量子ビット７０１－７０４は、共通の量子回路冷凍機７０５を共有する。量子回路冷凍機７０５の制御入力は、７０６として示される。配置は、容量結合素子のそれぞれのサブセットを介して共有量子回路冷凍機７０５を複数の量子ビット７０１－７０４に結合するための共振器７０７を備える。共振器７０７は、発振信号の共振周波数に対して寸法決めされた長さを有し、容量結合素子は、共振周波数における発振電気信号の腹に対応する共振器７０７の長さに沿った点に配置される。共振周波数は、共振器７０７の長さが半波長である基本共振周波数のｎ次高調波周波数であってもよい。換言すれば、共振周波数の大きさは、基本共振周波数のｎ倍であってもよい。構成にはｎ＋１個の量子ビットがあり、共振器７０７に沿って容量結合素子が位置するｎ＋１個の点がある（ｎは正の整数である）。
【0046】
【0047】
図８は、図４に示されるアプローチに従って量子ビットをリセットするための構成を採用する量子計算回路の一部を示す。量子ビット８０１、８０２、８０３、および８０４が例として示されている。量子ビット８０１－８０４は、より大きな量子コンピューティングシステムにおいてすべての量子ビットのサブセットを構成するか、またはそれらは量子コンピューティングシステムにおけるすべての量子ビットであり得る（言い換えれば、サブセットは適切なサブセットである必要はない。ただし、極端な場合はセット全体になる可能性がある）。
【0048】
図８の配置は、配置内の量子ビットと同数の量子回路冷凍機８０５、８０６、８０７、および８０８を備える。各量子回路冷凍機８０５－８０８は、ここではローカル接地電位である共通基準電位に接続される。量子回路冷凍機８０５－８０８の制御入力は、８０９、８１０、８１１、および８１２として示されている。共通制御信号線８１３は、制御信号を、共通の電位で、量子回路冷凍機８０５－８０８の量子回路冷凍機のそれぞれの制御入力８０９－８１２に結合するように構成されている。これは、共通制御信号線８１３と量子回路冷凍機８０５－８０８の制御入力８０９－８１２のそれぞれとの間の接続において、それらの間の電位差を生じ得るような共通制御信号線８１３と制御入力８０９－８１２との間のインピーダンスの差がないように達成される。
【0049】
図６および図７の実施形態においてこの共振周波数は、共振器６０６または７０７において、量子ビットへの容量結合が行われる点で電圧の腹を発生させる周波数である。典型的な量子コンピューティングシステムでは、量子ビットはとにかくいくつかの周波数調整能力を備えているので、適切な大きさの少なくとも１つの共通の共振周波数の必要条件は、量子ビットがリセットされる時間の間、適切に周波数調整することによって達成され得る。
【0050】
図８の実施形態では、量子回路冷凍機８０５－８０８の各々は、特定の共振器に結合され、そのうちの左端の共振器８１４は、例として示されている。このような場合、各量子ビット－共振器－ペアは、量子ビットから量子回路冷凍機への光子放出が可能となるように、量子ビットと共振器の共振周波数が共通でなければならず、フォトン支援単一電子トンネル形成のために、量子ビットから量子回路冷凍機への光子放出が可能である。これは、量子ビットとそれぞれの共振器の寸法を適切に設定することで実現可能である。共通の制御信号は、共通の基準電位に対して同じ電位で量子回路冷凍機８０５－８０８のそれぞれに現れるため、それぞれのトンネル接合における超伝導ギャップは、それぞれの場合において、共振周波数における光子エネルギーと合計したちょうどその大きさの外部制御信号が単一電子トンネルを可能にするように選択する必要がある。これも適切な寸法にすることで実現できる。
【0051】
図９は、図４に示したアプローチによる量子ビットをリセットするための配置を採用した量子コンピューティング回路の一部を示し、一定の追加を行ったものである。量子ビット８０１－８０３、量子ビット固有の量子回路冷凍機８０５－８０７、それらの制御入力８０９－８１１、およびＱＣＲ固有の共振器（例：共振器８１４）は、図８の対応する部分と同様である。図９の配置は、制御可能なデマルチプレクサ９０１からなり、これは、共通の入力信号をその出力の選択されたサブセットに、あるいはすべての出力に制御可能に分配することができる装置である。制御可能なデマルチプレクサ９０１は、極低温冷却環境内に配置されている。共通制御信号線９０２は、制御可能なデマルチプレクサ９０１を介して量子回路冷凍機８０５－８０７のそれぞれの制御入力８０９－８１１に制御信号を結合するように構成される。制御信号を量子回路冷凍機の選択されたもののそれぞれの制御入力に選択的に結合するために、デマルチプレクサ制御信号線９０３が設けられ、制御可能デマルチプレクサに結合される。
【0052】
図９のような制御可能なデマルチプレクサの使用は、複数の量子ビットの全てまたはそれらのサブセットのみが任意の一度にリセットされるべきかどうかを、ユーザが選択することを可能にする。ユーザによってなされた選択は、選択コマンドとして、デマルチプレクサ制御信号線９０３を介して制御可能なデマルチプレクサ９０１に送信され、この信号線は、共通制御線２０８、４０４、８１３、又は９０２と同様の方法で室温環境から極低温冷却環境へ来ることができる。
【0053】
図１０は、図３および図４によるアプローチを組み合わせた、量子ビットをリセットするための配置を採用した量子コンピューティング回路の一部を示す。各水平線は、それら全てに共通する共有量子回路冷凍機を有する。例えば、量子ビット１００１、１００２、１００３、及び１００４とそれらの共有量子回路冷凍機１００５を参照されたい。各水平線はまた、共有量子回路冷凍機を、容量結合素子のそれぞれのセットを介してその水平線上の量子ビットに結合するための共振器を構成する；例えば、共振器１００７を参照されたい。共振器は、発振信号の共振周波数に対して寸法決めされた長さを有し、容量結合素子は、共振周波数における発振電気信号の電圧の腹に対応するその長さに沿った点に配置されている。
【0054】
配置は、水平線（または、より一般的には、量子ビットのサブセット）の数と同じ数の量子回路冷凍機からなり（量子回路冷凍機１００５、１０１５、および１０２５を参照）、これらの量子回路冷凍機の各々は、共通の基準電位に接続されている。共通制御信号線１０３１は、量子回路冷凍機１００５、１０１５、１０２５のそれぞれの制御入力１００６、１０１６、１０２６に制御信号を共通の電位で結合するように構成される。
【0055】
図１０のような配置において、共振器１００７、１０１７、および１０２７は、異なる基本共振周波数のために寸法決めされてもよく、および／またはそれらの長さに沿って異なる数の電圧の腹が存在してもよい。このようにして、量子ビット１００１－１００４、１０１１－１０１４、および１０２１－１０２４の異なるサブセットがリセットのために調整される必要がある共振周波数に関して、より柔軟性を達成することができる。
【0056】
図９のような制御可能なデマルチプレクサを、共通制御信号線１０３１と量子回路冷凍機１００５、１０１５及び１０２５の少なくともサブセットとの間に追加することができる。これにより、オペレータは、任意の一度にリセットするための水平量子ビット線の所望の数を選択することができるであろう。
【0057】
前述の説明では、１つ以上の量子回路冷凍機への共通の制御信号は、一般に、ＤＣまたは準ＤＣ制御信号を運ぶと仮定されている。代替案として、高周波の発振制御信号で制御される、いわゆるＲＦ－ＱＣＲを使用することができる。また、ＤＣ（または擬似ＤＣ）信号と発振信号を重畳した制御信号でもよい。
【0058】
１つ以上のＱＣＲを制御するための高周波制御信号の使用は、ＱＣＲトンネル接合に「アシスト」エネルギーを注入するための制御信号の使用に基づくものである。適切に実行された場合、注入されたＲＦエネルギーの量は、電子が接合を横切ってトンネルするために吸収する光子の数と相関するようにすることができ、これは、ひいては、冷却されるべき量子回路素子のより効果的な冷却を意味する。
【0059】
図１１は、図３を参照して先に説明したアプローチに準拠した共有量子回路冷凍機２０４としてＲＦ－ＱＣＲを使用することを概略的に示している。高周波制御信号は、共通制御信号線２０８を介してＲＦ－ＱＣＲ２０４にもたらされ、そこで、例えば共振器１１０２を介して共有量子回路冷凍機のトンネル接合１１０１に結合され得る。共振器１１０２は必須ではなく、高周波制御信号は、共有量子回路冷凍機のトンネル接合１１０１にも直接結合され得る。高周波制御信号の周波数は、ＲＦ－ＱＣＲの共振器３０１の共振周波数よりもかなり高くてもよく、例えば、ＲＦ－ＱＣＲの共振器３０１の共振周波数の２倍又は３倍であってもよい。
【0060】
図１２は、図４を参照して先に説明したアプローチに準拠した複数のＲＦ－ＱＣＲ１２０１、１２０２、及び１２０３の使用を模式的に示している。高周波制御信号は、共通制御信号線１２０４を介してＲＦスプリッタ１２０５にもたらされ、そこから複数のＲＦ－ＱＣＲ１２０１、１２０２、１２０３に取られる。この場合、ＲＦスプリッタ１２０５は、例えば伝送線路で構成されてもよく、当該伝送線路にもたらされる高周波制御信号の周波数は、ＲＦ－ＱＣＲ１２０１、１２０２、１２０３のＱＣＲ共振器の共振周波数の倍数であってよい。
【0061】
技術の進歩に伴い、本発明の基本的な考え方は様々な方法で実施され得ることは、当業者にとって明らかである。したがって、本発明及びその実施形態は、上述した例に限定されるものではなく、代わりに、特許請求の範囲に記載された範囲内で様々に変化させることができる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【国際調査報告】