特表 2024-531988 量子コンピュータ

(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】2024-09-03

(54)【発明の名称】量子コンピュータ

(51)【国際特許分類】

   G06N 10/40 20220101AFI20240827BHJP

   G06N 10/20 20220101ALI20240827BHJP

【ＦＩ】

G06N10/40

G06N10/20

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024514668

(86)(22)【出願日】2021-09-14

(85)【翻訳文提出日】2024-03-05

(86)【国際出願番号】 FI2021050609

(87)【国際公開番号】W WO2023041833

(87)【国際公開日】2023-03-23

(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

(71)【出願人】

【識別番号】524085422

【氏名又は名称】ウニベルシダッド デル パイス バスコ／エウスカル エリコ ウニベルチタテア（ウペウベ／エアチェウ）

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ヘイモネン、ヘルマンニ

(72)【発明者】

【氏名】ポンセ マルティネス、マリオ

(72)【発明者】

【氏名】ガルシア ペレス デ アルガバ、マヌエル

(72)【発明者】

【氏名】ピナ カネジェス、ビセンテ

(72)【発明者】

【氏名】デ ベーガ、イネス

(72)【発明者】

【氏名】カサノーバ マルコス、ホルヘ

(57)【要約】

本発明は、量子コンピューティングの分野に関し、より具体的には、量子処理ユニットにおける量子ビットの新規な配置、及び量子ビットに対してマルチ量子ビットゲート演算を実行するための新規な方法に関する。システムは、調整可能結合器を介して中央共振器に結合された複数の量子ビットを備えている。システムは、中心的に重要な要素を特徴とする量子アルゴリズムの実行に特に適しており、そのようなアルゴリズムで実行される量子ゲート演算の数を大幅に削減し得る。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

システムであって、
複数の量子ビット（１０１）と、
複数の同調可能結合器（１０２）と、
共振器（１０３）とを備え、
前記複数の量子ビットの各々は、前記複数の同調可能結合器のうちの１つを介して前記共振器に結合され、前記複数の量子ビットの各々は、前記共振器内の前記ＥＭ波の最大値又は前記ＥＭ波の最大値付近の前記ＥＭ波の前記波長の領域±２０％内で前記共振器に結合される、システム。

【請求項2】

前記システムが、
前記量子ビット（１０１）のうちの１つで第１の状態を準備し、
前記第１の状態を、前記同調可能結合器（１０２）を介して前記共振器（１０３）に転送し、
前記共振器と他の量子ビットとの間の前記同調可能結合器を操作することによって、前記共振器と１つ以上の他の量子ビットとの間でマルチ量子ビットゲートを実行するように構成された、制御回路をさらに備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記システムが、コンデンサを介して前記共振器（１０３）に結合される、中央量子ビットと、
前記中央量子ビットにおいて第１の状態を準備し、
前記コンデンサ結合を介して前記第１の状態を前記共振器に転送し、
前記共振器と他の量子ビットとの間の前記同調可能結合を操作することによって、前記共振器と前記複数の量子ビットのうちの１つ以上との間でマルチ量子ビットゲートを実行するように構成された、制御回路とをさらに備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記複数の量子ビットは第１の複数の量子ビット（１０１ａ～ｊ）であり、前記複数の同調可能結合器は第１の複数の同調可能結合器（１０２ａ～ｊ）であり、及び前記共振器は第１の共振器（１０３ａ）であり、前記第１の複数の量子ビット及び同調可能結合器及び前記第１の共振器は第１のセットを形成し、
前記システムはさらに、第２の複数の量子ビット（１０１ｋ～ｐ）、第２の複数の同調可能結合器（１０２ｋ～ｐ）、及び第２の共振器（２０３）を含む第２のセットを備え、
前記第２の複数の量子ビットの各々は、前記第２の複数の同調可能結合器のうちの１つを介して前記第２の共振器に結合され、前記第２の複数の量子ビットの各々は、前記第２の共振器内の前記ＥＭ波の最大値で前記第２の共振器に結合され、
前記第２の共振器は前記第１の共振器（１０３）に結合される、請求項１又は２に記載のシステム。

【請求項5】

前記第２の共振器（２０３）が、第１の同調可能結合器、量子ビット及び第２の同調可能結合器を含む少なくとも１つの結合チェーンによって前記第１の共振器（１０３）に結合される、請求項４に記載のシステム。

【請求項6】

前記第２の共振器が、２つの結合チェーンによって前記第１の共振器に結合され、各結合チェーンは第１の同調可能結合器、量子ビット及び第２の同調可能結合器を備える、請求項５に記載のシステム。

【請求項7】

前記システムは、量子ビット、同調可能結合器及び共振器の１つ以上のさらなるセットをさらに備え、前記量子ビットは、前記共振器内の前記ＥＭ波の最大値で前記同調可能結合器を介して前記共振器に結合され、前記複数のセットの各々の前記共振器が結合されている、請求項４から６のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項8】

前記第１のセット、第２のセット、及び１つ以上のさらなるセットの各々の前記共振器が、直列に結合される、請求項４から７のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項9】

前記複数の量子ビットの各々が、調整可能結合器を介して、前記複数の量子ビットの中の他の量子ビットの１つ以上に直接結合される、請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項10】

前記複数の量子ビットの各々が、６、７、８、９、又は１０個未満の他の量子ビットに直接結合される、請求項９に記載のシステム。

【請求項11】

前記システムは、各粒子の前記スピン状態を別々の量子ビットに符号化し、前記量子ビット又は量子ビットと共振器上でマルチ量子ビットゲートを実行して粒子間の前記相互作用をシミュレーションすることによって、スピンシステムをシミュレーションするように構成される、請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項12】

方法であって、
第１の量子ビット（１０１）において第１の状態を準備すること、
前記第１の状態を、同調可能結合器（１０２）を介して共振器（１０３）に転送すること、
前記共振器と１つ以上のさらなる量子ビットとの間の同調可能結合器を操作することによって、前記共振器と１つ以上のさらなる量子ビットとの間でマルチ量子ビットゲートを実行することを含む、方法。

【請求項13】

前記１つ以上のさらなる量子ビットは、一連のさらなる量子ビットに論理的に配置された複数のさらなる量子ビットを含み、
前記第１の量子ビットにおいて前記第１の状態を準備することは、前記第１の量子ビットにおいて状態を準備すること及びアダマールゲートを前記第１の量子ビットに適用することを含み、
マルチ量子ビットゲートを実行することは、さらなる量子ビットの前記シーケンスに量子ビットが残らなくなるまで、以下のステップを反復的に実行することを含む、すなわち、
ａ）制御された位相ゲートを前記共振器及びさらなる量子ビットの前記シーケンスにおける各量子ビットに順次適用するステップ、
ｂ）さらなる量子ビットの前記シーケンスにおける前記第１のさらなる量子ビットにアダマールゲートを適用するステップ、
ｃ）さらなる量子ビットの前記シーケンスにおける前記第１のさらなる量子ビットの前記状態を前記共振器とスワップするステップ、及び
ｄ）さらなる量子ビットの前記シーケンスから前記第１のさらなる量子ビットを除去するステップである、請求項１２に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、量子コンピューティングの分野に関し、より具体的には、量子処理ユニットにおける量子ビットの新規な配置、及び量子ビットに対してマルチ量子ビットゲート演算を実行するための新規な方法に関する。

【背景技術】

【0002】

１つの量子ビットを多数の量子ビットに直接結合するには、キャパシタンス又はインダクタンスを増加させる必要があり、結果として量子ビットのサイズが大きくなるので、量子処理ユニットで多数の量子ビットを結合することは技術的に困難である。このような制約により、結合できる量子ビットの数と、単一のダイ又はウェーハ上に形成できる量子ビットの数の両方が制限される。さらに、多数の量子ビットが単一システムに結合されるため、周波数の混雑により、単一の量子ビットを確実に個別にアドレス指定することが妨げられる。

【発明の概要】

【0003】

本発明の第１の態様によれば、システムが提供される。このシステムは、複数の量子ビット、複数の同調可能結合器（１０２）、及び共振器（１０３）を備える。複数の量子ビットの各々は、複数の同調可能結合器のうちの１つを介して共振器に結合され、複数の量子ビットの各々は、共振器内のＥＭ波の最大値又は共振器内のＥＭ波の最大値付近のＥＭ波の波長の領域±２０％内で共振器に結合される。

【0004】

システムは、量子ビットのうちの１つにおいて第１の状態を準備し、同調可能結合器を介して共振器に第１の状態を転送し、共振器と他の量子ビットの間の調整可能な結合器を操作することによって共振器と他の量子ビットのうちの１つ以上との間でマルチ量子ビットゲートを実行するように構成された制御回路をさらに備えてもよい。

【0005】

システムは、コンデンサを介して共振器に結合される中央量子ビットと、中央量子ビットにおいて第１の状態を準備し、コンデンサ結合を介して第１の状態を共振器に転送し、共振器と他の量子ビットとの間の調整可能な結合を操作することによって共振器と複数の量子ビットのうちの１つ以上との間でマルチ量子ビットゲートを実行するように構成された制御回路とをさらに備えてもよい。

【0006】

量子ビット、同調可能結合器及び共振器は、複数の量子ビットが第１の複数の量子ビットであり、複数の同調可能結合器が第１の複数の同調可能結合器であり、共振器が第１の共振器である第１のセットを形成してもよく、システムは、第２の複数の量子ビット、第２の複数の同調可能結合器、及び第２の共振器（２０３）を含む第２のセットをさらに備えてもよい。第２の複数の量子ビットの各々は、第２の複数の同調可能結合器のうちの１つを介して第２の共振器に結合され得、第２の複数の量子ビットの各々は、第２の共振器内のＥＭ波の最大値で第２の共振器に結合され得、そして第２の共振器は第１の共振器に結合されてもよい。

【0007】

第２の共振器は、第１の同調可能結合器、量子ビット及び第２の同調可能結合器を含む少なくとも１つの結合チェーンによって第１の共振器に結合され得る。

【0008】

第２の共振器は、２つの結合チェーンによって第１の共振器に結合され得、各結合チェーンは第１の同調可能結合器、量子ビット及び第２の同調可能結合器を備える。

【0009】

システムは、量子ビット、同調可能結合器、及び共振器の１つ以上のさらなるセットをさらに備えてもよく、量子ビットは、共振器内のＥＭ波の最大値で同調可能結合器を介して共振器に結合され、複数のセットの各々の共振器が結合されている。

【0010】

第１のセット、第２のセット、及び１つ以上のさらなるセットの各々の共振器は、直列に結合され得る。

【0011】

複数の量子ビットの各々は、調整可能結合器を介して、複数の量子ビットの中の他の量子ビットの１つ以上に直接結合され得る。

【0012】

複数の量子ビットの各々は、６、７、８、９、又は１０個未満の他の量子ビットに直接結合され得る。

【0013】

このシステムは、各粒子のスピン状態を別々の量子ビットに符号化し、量子ビット又は量子ビットと共振器上でマルチ量子ビットゲートを実行して粒子間の相互作用をシミュレーションすることによって、スピンシステムをシミュレーションするように構成され得る。

【0014】

本発明の第２の態様によれば、方法が提供される。本方法は、第１の量子ビットで第１の状態を準備すること、同調可能結合器を介して第１の状態を共振器に転送すること、及び共振器と１つ以上のさらなる量子ビットとの間で調整可能結合器を操作することによって、共振器と１つ以上のさらなる量子ビットとの間のマルチ量子ビットゲートを実行することを含む。

【0015】

１つ以上のさらなる量子ビットは、一連のさらなる量子ビットに論理的に配置された複数のさらなる量子ビットを含み得る。第１の量子ビットにおける第１の状態を準備することは、第１の量子ビットにおいて状態を準備すること、及びアダマールゲートを第１の量子ビットに適用することを含むみ得、マルチ量子ビットゲートを実行することは、さらなる量子ビットのシーケンスにおいて残りの量子ビットがなくなるまで以下のステップを反復的に実行することを含み得る、すなわち、
ａ）制御された位相ゲートを共振器及びさらなる量子ビットのシーケンスにおける各量子ビットに順次適用する。
ｂ）さらなる量子ビットのシーケンスにおける第１のさらなる量子ビットにアダマールゲートを適用する、
ｃ）さらなる量子ビットのシーケンスにおける第１のさらなる量子ビットの状態を共振器とスワップする、
ｄ）さらなる量子ビットのシーケンスから第１のさらなる量子ビットを除去する。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の第１の実施形態における量子ビットの配置の概略図である。

【図2】複数の結合共振器を含む本発明の一実施形態の概略図である。

【図3】量子ビットが同調可能結合器を介して直接接続される本発明の一実施形態の概略図である。

【図4】図１から図３に示したシステムを動作させる方法を示すフローチャートである。

【図5】図１から図３に示すシステム上で量子フーリエ変換を実行する方法を示す量子回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１は、本発明の第１の実施形態における量子ビットの配置の概略図を示す。個々の量子ビット１０１（黒丸で示す）は、調整可能結合器１０２（白丸で示す）を介して共振器１０３に結合される。量子ビット１０１は、Ｋｏｃｈ ｅｔ ａｌ．，Ｃｈａｒｇｅ－ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｑｕｂｉｔ ｄｅｓｉｇｎ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｃｏｏｐｅｒ ｐａｉｒ ｂｏｘ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ ７６，０４２３１９（ｄｏｉ：１０．１１０３／ＰｈｙｓＲｅｖＡ．７６．０４２３１９）で詳細に説明されているように、トランズモン量子ビットであり得る。同調可能結合器１０２はまた、各量子ビット１０１を共振器１０３に選択的に結合するように、すなわち必要に応じて結合を「オン」又は「オフ」にすることができるように、周波数特性が外部から制御されることができるトランズモン、又は他の結合回路であってもよい。

【0018】

共振器１０３は、例えば、超電導コプレーナ導波路共振器であってもよい。このような共振器は、導電トラックの各側に１つずつ配置された一対のリターン導体を伴う単一の導電トラックで形成される。境界条件、つまりゼロ電流又はゼロ電圧が導電トラックの端部に課され、境界条件に一致する一連の共振周波数が生じる。共振器モード周波数は量子ビット１０１の周波数に近いが、同調可能結合器１０２のデフォルト周波数は量子ビット１０１の周波数より高いか低い。量子ビット１０１と共振器１０３との間の周波数差は、量子ビット１０１の非調和性の絶対値未満であることが好ましい。トランズモン量子ビットの場合、｜０＞状態と｜１＞状態の間の遷移頻度の約２％の負の値である。

【0019】

同調可能結合器１０２は、共振器１０３内で生じる電磁定在波の電圧最大値の位置に対応する共振器１０３に沿った位置に配置されている。共振器１０３への同調可能結合器１０２（及び任意の直接量子ビット接続）は、各最大値付近の定在波の波長の±１０％の領域内に位置することが好ましい。しかしながら、共振器１０３への同調可能結合器１０２（及び任意の直接量子ビット接続）は、各最大値付近の定在波の波長の最大±２０％の領域内に配置してもよい。したがって、共振器１０３の長さをスケーリングすることによって、共振器内の最大値の数を増やすことができ、量子ビット１０１を、同調可能結合器１０２を介して共振器１０３に結合できるより多くの位置を提供する。図１に示すように、量子ビット１０１は、共振器１０３の各側で（同調可能結合器１０２を介して）共振器１０３に結合することができる。図１では、単一位置で共振器の各側に接続された１つの量子ビット／調整可能結合器が示されているが、各最大値で最大２０量子ビットを共振器に接続することができる。

【0020】

第１の実施形態では、量子ビットに対する演算を実行するために、（必ずしも中央に位置するわけではないが）中央量子ビットと考えることができる量子ビット１０１のうちの１つで第１の任意の量子ビット状態が準備される。第１の状態は、中央量子ビットを共振器１０３に結合する同調可能結合器１０２を介して、中央量子ビットから共振器１０３に転送される。第１の状態は、同調可能結合器１０２をオフにすることによって中央量子ビットが共振器１０３から切り離されている間に、中央量子ビットにマイクロ波パルスを印加することによって準備され得る。調整可能な結合器は、その共振周波数を、量子ビットと共振器の間の相互作用が打ち消される特定の周波数に調整することによってオフになる。第１の状態が準備されると、中央量子ビット及び同調可能結合器１０２は、第１の状態を中央量子ビットから共振器１０３に効果的に転送するのに必要な特定の長さの時間の間、中央量子ビットを共振器１０３に結合するように調整される。

【0021】

第２の実施形態では、中央量子ビット（再び、必ずしも中央に位置する必要はない）は、コンデンサによって、すなわち中間の同調可能結合器なしで、共振器１０３に直接結合され得る。第１の状態は中央量子ビットで準備され、準備された第１の状態を中央量子ビットから共振器１０３に転送するために、中央量子ビットは共振器１０３と共振するようになる。この転送動作は、ラビスワップに対応する。

【0022】

第１の状態が共振器１０３に転送されると、共振器と他の量子ビットとの間の同調可能結合器を操作することによって、条件付き位相ゲートなどの２つの量子ビットゲート動作を、共振器と１つ以上の他の量子ビットとの間で実行することができる。このようにして、共振器は、一般的な場合のように単なる情報バスとしてではなく、情報記憶構成要素として機能している。測定は、共振器１０３の状態を中央量子ビット、又は状態を測定できる任意の量子ビットに転送して戻すことによって実行することができる。したがって、この配置により、量子ビット１０１のいずれかを共振器１０３を介して他の量子ビット１０１のいずれかと結合することが可能で、各量子ビット１０１の状態を共振器内に順次スワップすることによって全対全結合が可能になる。多対多の結合が必要なアプリケーション及びアルゴリズムの場合、この量子ビット配置により、他の量子ビット配置と比較して、実行する必要がある２つの量子ビットゲート動作の数が大幅に減少する。

【0023】

図１は、合計１０個の量子ビット１０１及び１０個の調整可能結合器１０２を示しているが、少なくとも４８個の量子ビット１０１及び調整可能結合器１０２を単一の共振器１０３に結合することが可能である。この上限は、共振器１０３の長さが増加するにつれて減少する共振器１０３の品質係数及び量子ビット線幅と比較した共振器モードの周波数分離によって左右される。結合できる量子ビット１０１の数をさらに増やすために、図２に示すように、量子ビット、結合器及び共振器２００ａ～ｃ上の複数のグループを、共振器２０３ａ～ｃを介して結合してもよい。好ましくは、各共振器２０３ａ～ｃは、２つのＣＱＣ結合２０１ａ、２０１ｂによって別の共振器２０３ａ～ｃに結合され、各ＣＱＣ結合は、直列に接続された第１の同調可能結合器（Ｃ）、量子ビット（Ｑ）、及び第２の同調可能結合器（Ｃ）を含む。ＣＱＣ結合における各同調可能結合器は、共振器２０３ａ～ｃのうちの異なる１つに接続され、２つの共振器２０３ａ～ｃをリンクする。各セット２０１、２０１ｂにおける２つのＣＱＣ結合は、共振器１０３、２０３の間に並列に配置される。各ＣＱＣ結合は、動作中に共振器内に形成される電磁定在波の最大値で共振器２０３ａ～ｃに接続される。図２は、３セットの量子ビット、結合器及び共振器２００ａ～ｃを示すが、さらなる共振器を共振器２０３ａ～ｃのいずれかに結合して、共振器のチェーン又は任意の他のアーキテクチャを形成し得る。

【0024】

代替として、セット２００ａ～ｃの共振器２０３ａ～ｃは、単一のＣＱＣ結合によって結合することもできる。ただし、ターゲット共振器が空、すなわち基底状態にある場合、単一のＣＱＣを使用して、ある共振器から他の共振器に状態を転送できる。両方の共振器間で任意の状態の転送を可能にするには、図２に示すような２つのＣＱＣ結合によって提供される２つの並列パスが必要とされる。共振器間に単一のＣＱＣ結合を使用することによって課される制限は、例えば、量子ビット上で実行される量子アルゴリズムが共振器間の任意の状態の転送を必要としない特定のアプリケーション固有の実装では望ましい場合がある。２つの共振器間に２つのＣＱＣ結合が設けられている場合、第１の共振器からの状態は第１のＣＱＣ結合の量子ビットに転送され、第２の共振器からの状態は第２のＣＱＣ結合の量子ビットに転送される。その後、第１のＣＱＣ結合の量子ビットからの状態が第２の共振器に転送され、第２のＣＱＣ結合からの状態が第１の共振器に転送される。

【0025】

さらなる代替として、共振器は、１つのＣＱＣ結合器及び１つの直接結合器、すなわち単一の同調可能結合器によって接続されてもよい。第１の共振器からの量子状態がＣＱＣ結合器の量子ビットに転送され、次いで直接結合を介して２つの共振器間でｉＳＷＡＰゲート動作が実行され、状態が第２の共振器から第１の共振器に転送される。最終的に、ＣＱＣ量子ビットに保持されている状態が第２の共振器に転送される。共振器を結合する２つのＣＱＣ結合を伴うシステムと比較すると、単一のＣＱＣ結合及び直接結合では、直接結合を介して転送される状態の位相変化が生じるが、ＣＱＣ結合を介して転送される状態は同じ位相を維持する。ただし、アルゴリズムによっては、これが許容される場合や、望ましい場合もある。

【0026】

量子ビット１０１を他の量子ビット１０１に（すなわち、共振器１０３を介さずに）直接結合することも可能である。このような直接結合には、図３に示すように調整可能結合器がなお含まれていてもよく、代替として、量子ビット間の結合は、容量又は誘導結合を介して、すなわち調整可能結合器なしである場合がある。図３は、単一の共振器３０３を含むシステムの簡単な例を示しており、量子ビット３０１は、調整可能結合３０２を介して共振器３０３に結合されているが、量子ビット３０１はまた、直接的に、すなわち共振器３０３を介さずに、調整可能結合器３０４を介して隣接する量子ビットに結合されている。各量子ビット１０１は、共振器１０３を介して他の量子ビット１０１に間接的に結合されるだけでなく、６～１０個もの他の量子ビットに直接結合されてもよい。さらに、そのような直接量子ビット間結合は、複数の共振器１０３を伴うシステムにも存在し得、そのような直接量子ビット間結合は、同じ共振器に接続された量子ビット間、さらには異なる共振器にさえも存在し得ることが理解されるであろう。

【0027】

図４は、上述のシステムの量子ビットに対して量子演算を実行するための方法を示すフローチャートである。ステップ４０１で、中央量子ビット（「第１量子ビット」とも呼ばれる）において第１の状態が準備される。第１の状態は、例えば、量子ビットを｜０＞で初期化し、１つ以上の単一量子ビット量子ゲートを適用して量子ビットを目的の状態に移動することによって準備され得る。

【0028】

ステップ４０２で、第１の状態が中央量子ビットから共振器に転送される。中央量子ビットが調整可能結合器を介して共振器に接続されているとき、調整可能結合器に適切な刺激を加えて中央量子ビットと共振器との間の交換相互作用をオンにすることによって、状態を共振器に転送し得る。この転送は、中央量子ビット及び共振器に適用されるｉＳＷＡＰゲートに対応する。代替実施形態において、中央量子ビットがコンデンサを介して共振器に結合されている場合、中央量子ビットで準備された状態は、ラビスワップによって共振器に転送され得る。

【0029】

ステップ４０３で、共振器と他の量子ビットとの間の同調可能結合器を操作することによって、条件付き位相ゲートなどの２つの量子ビットゲート動作を、共振器と１つ以上の他の量子ビットとの間で実行することができる。このようにして、共振器は、一般的な場合のように単なる情報バスとしてではなく、情報記憶構成要素を機能させている。測定は、共振器の状態を中央の量子ビットに戻すことで実行することができる。

【0030】

同じ基本プロセスは、結合共振器と量子ビットとの間で繰り返し転送を実行することで、図２に示すようなより複雑なシステムに適用することができる。

【0031】

上述のシステムは、多くの実際的な用途、例えば、スピンシステムなどの中心に影響を与える要素を伴う物理システムのシミュレーションに有利に使用され得、例えば、ＮＶはダイヤモンドの中心にあり、複数の物体のスピン（又はその他の特性）が相互依存している。このようなシステムでは、各物体又は粒子のスピン（又は他の特性）は１つ以上の量子ビットによって表現又は符号化され、各物体又は粒子間の相互作用は量子ビット間の接続及び相互作用によって表される。

【0032】

さらなる例として、システムは、量子ビット０がＮＶ中心を表し、残りのＮ－１量子ビットが原子核を表す過分極プロトコルをシミュレーションするのに特に適している。次に、１サイクル内のシステムの進化は、進化演算子で与えられる、すなわち、

【数1】

【0033】

式中、

【数2】

【0034】

ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚはパウリ演算子であり、

【数3】

は中央量子ビット上で動作する。残りのパラメータは物理システムを反映する定数である。

【0035】

通常ｇ_ｊｋ定数は無視できるため、結果として２つの量子ビットゲートが中心量子ビット及び非中心量子ビットでのみ動作する。シミュレーションアルゴリズムは、トロッター展開を使用して進化演算子を分割することによって生成することができる。アルゴリズムには、単一の量子ビットゲートと、中心量子ビットと非中心要素に適用される２つの量子ビットゲートのみが必要であるが、２つの非中心量子ビットに適用される２つの量子ビットゲートは必要ない。その結果、本発明のシステムを使用してシミュレーションが実行されるとき、量子ビットをスワップすることなくアルゴリズムを実行することが可能であり、他のアーキテクチャを伴う量子コンピューティングシステム上で物理システムをシミュレーションするために必要なかなりの数のステップが排除される。

【0036】

システムはまた、量子フーリエ変換などの量子アルゴリズムを実行するために有利に採用され得る。上述のように、共振器に結合された中心量子ビットとさらにＮ－１個の量子ビットで構成されるシステムでは、量子フーリエ変換は、他の量子ビットとの必要な２つの量子ビットゲートを実行するために、各量子ビットの状態を共振器に順次スワップすることによって実行され得る。

【0037】

最初に、各量子ビットの初期量子状態を、中心量子ビットを含む必要な数の量子ビットで準備する。アダマールゲートが中央量子ビットに適用され、中央量子ビットの状態が共振器内にスワップされる。

【0038】

他の量子ビット１０１は、論理シーケンス、ｑ_２からｑ_Ｎにあると考えることができる。制御された位相ゲートＣＲ_ｋは、シーケンスｑ_２からｑ_Ｎの共振器と各量子ビット１０１に、すなわち、ペア［Ｒ、ｑ_ｋ］に順次適用され、ここで、Ｒは共振器で、ｑｋはｋ＝２からｋ＝Ｎである。制御された位相ゲートＣＲ_ｋは次の行列で表すことができる、すなわち、

【数4】

【0039】

次に、アダマールゲートがｑ_２に適用され、結果としてｑ_２の状態が共振器にスワップされる。

【0040】

プロセスは、各量子ビットのインデックスを１ずつシフトして反復する、すなわち、ｑ_３がｑ_２になるか、又はより一般的にはｑ_ｉがｑ_ｉ－１になり、前のｑ_２がシーケンスから削除される。制御された位相ゲートは、再度、ｑ_２から始まるシーケンス内の共振器と各量子ビットに、すなわち、ペア［Ｒ、ｑ_ｋ］に順次適用され、Ｒは共振器で、ｑ_ｋはｋ＝２からｋ＝Ｎ－１である。このプロセスは、さらなる量子ビットのシーケンスに残っている量子ビットがなくなるまで繰り返される。５量子ビットシステムの例示的な量子回路図を図５に示している。現在のシステムを使用してプロセスを任意の数の量子ビットに拡張できるが、複数の結合共振器が使用される場合、共振器間で状態を転送する追加のステップが必要になることが理解されるであろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【手続補正書】

【提出日】2024-03-18

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

システムであって、
複数の量子ビット（１０１）と、
複数の同調可能結合器（１０２）と、
共振器（１０３）とを備え、
前記複数の量子ビットの各々は、前記複数の同調可能結合器のうちの１つを介して前記共振器に結合され、前記複数の量子ビットの各々は、前記共振器内のＥＭ波の最大値又は前記ＥＭ波の最大値付近の前記ＥＭ波の波長の領域±２０％内で前記共振器に結合される、システム。

【請求項2】

前記システムが、
前記複数の量子ビット（１０１）のうちの１つの量子ビットで第１の状態を準備し、
前記第１の状態を、前記同調可能結合器（１０２）を介して前記共振器（１０３）に転送し、
前記共振器（１０３）と前記複数の量子ビット（１０１）のうちの他の量子ビットの１つ以上の量子ビットとの間の前記同調可能結合器を操作することによって、前記共振器と前記複数の量子ビット（１０１）のうちの他の量子ビットの１つ以上の量子ビットとの間でマルチ量子ビットゲートを実行するように構成された、制御回路をさらに備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記システムが、コンデンサを介して前記共振器（１０３）に結合される、中央量子ビットと、
前記中央量子ビットにおいて第１の状態を準備し、
前記コンデンサの結合を介して前記第１の状態を前記共振器に転送し、
前記共振器と前記複数の量子ビット（１０１）のうちの他の量子ビットとの間の同調可能結合を操作することによって、前記共振器と前記複数の量子ビットのうちの１つ以上の量子ビットとの間でマルチ量子ビットゲートを実行するように構成された、制御回路とをさらに備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記複数の量子ビットは第１の複数の量子ビット（１０１ａ～ｊ）であり、前記複数の同調可能結合器は第１の複数の同調可能結合器（１０２ａ～ｊ）であり、及び前記共振器は第１の共振器（１０３）であり、前記第１の複数の量子ビット及び同調可能結合器及び前記第１の共振器は第１のセットを形成し、
前記システムはさらに、第２の複数の量子ビット（１０１ｋ～ｐ）、第２の複数の同調可能結合器（１０２ｋ～ｐ）、及び第２の共振器（２０３）を含む第２のセットを備え、
前記第２の複数の量子ビットの各々は、前記第２の複数の同調可能結合器のうちの１つを介して前記第２の共振器に結合され、前記第２の複数の量子ビットの各々は、前記第２の共振器内の前記ＥＭ波の最大値で前記第２の共振器に結合され、
前記第２の共振器は前記第１の共振器（１０３）に結合される、請求項１～３のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項5】

前記第２の共振器（２０３）が、第１の同調可能結合器、量子ビット及び第２の同調可能結合器を含む少なくとも１つの結合チェーンによって前記第１の共振器（１０３）に結合される、請求項４に記載のシステム。

【請求項6】

前記第２の共振器（２０３）が、２つの結合チェーンによって前記第１の共振器に結合され、各結合チェーンは第１の同調可能結合器、量子ビット及び第２の同調可能結合器を備える、請求項５に記載のシステム。

【請求項7】

前記システムは、量子ビット、同調可能結合器及び共振器の１つ以上のさらなるセットをさらに備え、前記量子ビットは、前記共振器内の前記ＥＭ波の最大値で前記同調可能結合器を介して前記共振器に結合され、前記複数のセットの各々の前記共振器が結合されている、請求項４から６のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項8】

前記第１のセット、第２のセット、及び１つ以上のさらなるセットの各々の前記共振器が、直列に結合される、請求項４から７のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項9】

前記複数の量子ビットの各量子ビットが、容量結合または誘導結合を介して、前記複数の量子ビット内の１つまたは複数の他の量子ビットに直接結合される、請求項１～８のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項10】

前記複数の量子ビットの各量子ビットが、調整可能結合器を介して、前記複数の量子ビットの中の他の量子ビットの１つ以上に直接結合される、請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項11】

前記複数の量子ビットの各々が、６、７、８、９、又は１０個未満の他の量子ビットに直接結合される、請求項９又は請求項１０に記載のシステム。

【請求項12】

前記システムは、各粒子のスピン状態を別々の量子ビットに符号化し、前記量子ビット又は量子ビットと共振器上でマルチ量子ビットゲートを実行して粒子間の相互作用をシミュレーションすることによって、スピンシステムをシミュレーションするように構成される、請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項13】

方法であって、
第１の量子ビット（１０１）において第１の状態を準備すること、
前記第１の状態を、同調可能結合器（１０２）を介して共振器（１０３）に転送すること、
前記共振器と１つ以上のさらなる量子ビットとの間の同調可能結合器を操作することによって、前記共振器と１つ以上のさらなる量子ビットとの間でマルチ量子ビットゲートを実行することを含む、方法。

【請求項14】

前記１つ以上のさらなる量子ビットは、一連のさらなる量子ビットに論理的に配置された複数のさらなる量子ビットを含み、
前記第１の量子ビットにおいて前記第１の状態を準備することは、前記第１の量子ビットにおいて状態を準備すること及びアダマールゲートを前記第１の量子ビットに適用することを含み、
マルチ量子ビットゲートを実行することは、さらなる量子ビットのシーケンスに量子ビットが残らなくなるまで、以下のステップを反復的に実行することを含む、すなわち、
ａ）制御された位相ゲートを前記共振器及びさらなる量子ビットの前記シーケンスにおける各量子ビットに順次適用するステップ、
ｂ）さらなる量子ビットの前記シーケンスにおける前記第１のさらなる量子ビットにアダマールゲートを適用するステップ、
ｃ）さらなる量子ビットの前記シーケンスにおける前記第１のさらなる量子ビットの前記状態を前記共振器とスワップするステップ、及び
ｄ）さらなる量子ビットの前記シーケンスから前記第１のさらなる量子ビットを除去するステップである、請求項１３に記載の方法。

【国際調査報告】