特表 2024-543669 超伝導回路における伝送ライン

(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】2024-11-21

(54)【発明の名称】超伝導回路における伝送ライン

(51)【国際特許分類】

   H10N 60/12 20230101AFI20241114BHJP

   H10N 60/10 20230101ALI20241114BHJP

【ＦＩ】

H10N60/12 Z

H10N60/10 K ZAA

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024535194

(86)(22)【出願日】2021-12-15

(85)【翻訳文提出日】2024-08-08

(86)【国際出願番号】 FI2021050877

(87)【国際公開番号】W WO2023111379

(87)【国際公開日】2023-06-22

(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】110001896

【氏名又は名称】弁理士法人朝日奈特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】レビーナ、ユッカ

【テーマコード（参考）】

4M113

【Ｆターム（参考）】

4M113AC45

4M113AC50

(57)【要約】

本開示は、超伝導回路と超伝導回路を外部回路に結合する回路コネクタとを備えるデバイスについて記載している。超伝導回路は、回路共振器と、回路コネクタと回路共振器との間に結合された伝送ラインとを備える。伝送ラインの長さは、伝送ラインを介して回路共振器に駆動信号が印加されたときに回路コネクタと伝送ラインとの間を通過する電流が略ゼロになるような長さである。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超伝導回路と前記超伝導回路を外部回路に結合する回路コネクタとを備えるデバイスであって、前記超伝導回路が、
ターゲット共振周波数を有する回路共振器と、
第１の端部および第２の端部を有する伝送ラインであって、前記第１の端部が前記回路共振器に結合され、前記第２の端部が前記回路コネクタに結合されている、伝送ラインと、を備え、
前記伝送ラインが光の特有の実効速度を有し、
前記伝送ラインが開放伝送ラインであり、前記伝送ラインの前記第１の端部が前記回路共振器に容量結合され、前記伝送ラインの長さが（Ｎ^*Ｌ）／２に略等しく、式中、Ｎが正の整数であり、Ｌが光の前記実効速度を前記ターゲット共振周波数で割った値に等しいことを特徴とする、デバイス。

【請求項2】

前記伝送ラインがコプレーナ導波路である、請求項１記載のデバイス。

【請求項3】

前記伝送ラインが蛇行形状を有する、請求項１または２記載のデバイス。

【請求項4】

超伝導回路と前記超伝導回路を外部回路に結合する回路コネクタとを備えるデバイスであって、前記超伝導回路が、
ターゲット共振周波数を有する回路共振器と、
第１の端部および第２の端部を有する伝送ラインであって、前記第１の端部が前記回路共振器に結合され、前記第２の端部が前記回路コネクタに結合されている、伝送ラインと、を備え、
前記伝送ラインが光の特有の実効速度を有し、
前記伝送ラインが短絡伝送ラインであり、前記伝送ラインの前記第１の端部が前記回路共振器に誘導結合され、前記伝送ラインの長さが（Ｎ^*Ｌ）／２－（Ｌ／４）に略等しく、式中、Ｎが正の整数であり、Ｌが光の前記実効速度を前記ターゲット共振周波数で割った値に等しいことを特徴とする、デバイス。

【請求項5】

前記伝送ラインがコプレーナ導波路である、請求項４記載のデバイス。

【請求項6】

前記伝送ラインが蛇行形状を有する、請求項４または５記載のデバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、超伝導回路に関し、特に共振回路素子を含む超伝導回路に関する。本開示はさらに、共振回路素子を外部回路に接続する伝送ラインに関する。

【背景技術】

【0002】

電気共振を示す素子は、たとえば量子コンピュータにおける量子ビットを実現するために、超伝導回路で一般的に使用される。このような回路共振器は、たとえば、従来の１／４波長または１／２波長の伝送ライン共振器であり得るか、またはジョセフソン接合と結合された容量性および誘導性のコンポーネントからなり得る。

【0003】

回路共振器は、一般的に、回路が設計されるときに決定され得る既知のターゲット周波数を有する。回路共振器を含む超伝導回路が動作させられるとき、外部回路で生成された駆動信号が、超伝導回路における伝送ラインを介して共振器に送信され得る。駆動信号周波数が回路共振器の既知の共振周波数と一致する場合、その信号は共振器を動作状態に設定する。

【0004】

同じ超伝導回路に属する回路共振器は、好ましくは、ほとんどの用途において互いに独立して動作するべきである。そのため、多くの場合、各回路共振器に個別の伝送ラインを割り当てる必要がある。そうすると、その動作は、理想的には同じ超伝導回路における他の共振器に送信される駆動信号による影響を受けない。

【0005】

個々の量子ビット専用の伝送ラインを備えた超伝導回路は、先行技術から知られている。このような回路に共通する問題は、駆動信号が各ラインにおいて生成する強力な電界により伝送ライン間に大きなクロストークが発生することである。

【発明の概要】

【0006】

本開示の目的は、超伝導回路におけるクロストークの問題を簡単な方法で軽減する装置を提供することである。本開示の目的は、独立請求項の記述内容により特徴付けられる構成によって達成される。本開示の好ましい実施形態は従属請求項に開示されている。

【0007】

本開示は、伝送ラインを取り囲む電界が伝送ラインからの距離に応じて急速に減少するような方法で伝送ラインの長さを選択するという考えに基づいている。本開示の構成の利点は、同じ超伝導回路における他の共振器に影響を与えることなく、駆動信号を所望の共振器に効果的に供給することができることである。

【図面の簡単な説明】

【0008】

以下において、本開示は、添付の図面を参照して好ましい実施形態によってより詳細に説明される。

【0009】

【図1a】超伝導回路を備えたデバイスを例示する。

【図1b】コプレーナ導波路の断面を例示する。

【図1c】容量結合された開放伝送ラインを例示する。

【図1d】誘導結合された短絡伝送ラインを例示する。

【図2】回路基板、保持構造、および超伝導回路を例示する。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本開示は、超伝導回路と超伝導回路を外部回路に結合する回路コネクタとを備えるデバイスについて記載している。超伝導回路は、ターゲット共振周波数を有する回路共振器を備える。超伝導回路はまた、第１の端部および第２の端部を有する伝送ラインを備える。伝送ラインの第１の端部は回路共振器に結合され、伝送ラインの第２の端部は回路コネクタに結合される。言い換えれば、超伝導回路は、回路共振器、回路コネクタ、および回路共振器と回路コネクタとの間に結合された伝送ラインを備える。

【0011】

図１ａは、超伝導回路を備えたデバイスを模式的に例示する。デバイスは、デバイス平面または水平面と呼ばれ得るｘｙ面で例示される。垂直方向とも呼ばれ得るｚ方向は、ｘｙ面に垂直である。本明細書での「水平」および「垂直」という用語は、単に平面とその平面に垂直な方向を指す。これらは、デバイスが使用時または製造時にどのように配向されるべきかについて何も示唆していない。

【0012】

図１ａのデバイスは、第１の回路共振器１２１および第２の回路共振器１２２を備える。本開示で記載される回路共振器は、たとえば量子ビットであり得る。あるいは、これらは、超伝導回路に実装することができる任意の他の種類の高周波回路共振器であってもよい。

【0013】

超伝導回路は、たとえばシリコン基板であり得る回路基板１１２上に構築される。回路基板１１２は、たとえば、構造的支持を提供し、外部回路への電気的接続を含む保持構造１１１に取り付けられ得る。図１ａに例示される構成は、１つの可能性にすぎない。外部回路を超伝導回路に接続するための多くの他の構成および形状も可能である。ギャップ１１３は、回路基板１１２を保持構造１１１から分離し得る。

【0014】

回路基板１１２は、超伝導層（図１ａには別途例示されていない）でコーティングされ得る。超伝導回路は超伝導層内に形成される。超伝導層は、たとえば、Ｎｂ、Ａｌ、ＴｉＮ、ＮｂＮ、ＮｂＴｉＮ、またはＴａの層であり得る。デバイスは、超伝導回路を外部回路１７に結合する回路コネクタ１４１～１４２を備える。これらの回路コネクタは、たとえば、図１ａが例示するように、少なくとも部分的に回路基板１１２に隣接する保持構造１１１上に配置され得る。代替的に、これらは、回路基板１１２に隣接するいくつかの他のデバイス部分に配置され得る。

【0015】

図１ａの超伝導回路は、第１の端部１８１および第２の端部１８２を有する第１の伝送ライン１８を備える。第１の伝送ライン１８の第１の端部１８１は第１の回路共振器１２１に容量結合され、第１の伝送ラインの第２の端部１８２は電気コネクタを用いて第１の回路コネクタ１４１に結合される。ここで、容量結合とは、伝送ラインがセパレータによって共振器から電気的に分離されているため、直接の電気的接触はないが、伝送ラインの第１の端部が、電気的にセパレータを介して共振器と相互作用するために共振器に十分近いことを意味している。

【0016】

本開示で提示される電気コネクタは、たとえば、ワイヤボンド１５、または伝送ラインの第２の端部を直接回路コネクタに結合する任意の他の電気接続を含み得る。超伝導回路は、たとえば、各伝送ラインが終端する電極領域１３も備え得、そこで、電極領域１３とワイヤボンド１５は、伝送ラインを直接回路コネクタに接続する電気コネクタを一緒に形成し得る。このデバイスは、回路基板の表面上の超伝導層の一部の領域を、保持構造１１１上の接地領域に接続することによって接地電位に設定するために使用され得るような、追加のワイヤ１５１を備えてもよい。

【0017】

図１ａの超伝導回路はまた、第１の端部１９１および第２の端部１９２を有する第２の伝送ライン１９を備える。第２の伝送ライン１９の第１の端部１９１は第２の回路共振器１２２に誘導結合され、第２の伝送ライン１９の第２の端部１９２は電気コネクタを用いて第２の回路コネクタ１４２に結合される。

【0018】

図１ｂは、伝送ラインとして使用することができるコプレーナ導波路のｘｚ断面を例示する。超伝導層１０は回路基板１１２を覆う。伝送ライン１８は、超伝導層に第１の導波路トレンチ１０１および第２の導波路トレンチ１０２をエッチングすることによって超伝導層に作成されるコプレーナ導波路であり得る。これによって、導波路トレンチ１０１および１０２は、伝送ラインに中心導体１０９を形成する。伝送ラインは、導波路トレンチ１０１および１０２間の距離によって定まる、水平方向での特徴的な中心導体幅Ｗを有し得る。ギャップ幅Ｓも伝送ラインの特性に影響する。中心導体幅Ｗは、たとえば、０．１～５００μｍの範囲または２～５０μｍの範囲であり得る。ギャップ幅Ｓは、たとえば、０．１～５００μｍの範囲または２～５０μｍの範囲であり得る。ＷおよびＳは、伝送ラインの全長にわたって必ずしも一定である必要はない。例示的な実施形態では、ＷおよびＳは両方とも、伝送ラインの最も狭い部分において２～５０μｍの範囲であり得る。超伝導層１０の高さＨが導波路トレンチ１０１および１０２の深さを決定する。本開示において最も重要である変数は、伝送ラインの長さ、すなわち、その第１の端部からその第２の端部までの距離であり、これは以下でより詳しく論じられる。

【0019】

超伝導回路における伝送ラインは、容量的または誘導的に回路共振器に結合され得る。図１ａでは、第１の伝送ライン１８は、第１の回路共振器１２１に容量結合されている開放伝送ラインである。図１ｃは、この容量結合をより詳細に例示する。図１ｃは、（部分的にのみ例示されている）第１の回路共振器１２１に隣接する第１の伝送ライン１８の第１の端部１８１を示す。第１の導波路トレンチ１０１を第２の導波路トレンチ１０２に接合することによって、開放伝送ラインが作成される。その結果、第１の導波路トレンチ１０１と第２の導波路トレンチ１０２との間にある中心導体１０９は、これらのトレンチによって超伝導層の他の部分から分離される。駆動信号が伝送ラインに送達されると、第１の伝送ライン１８の第１の端部１８１でのＡＣ電流はゼロになる。それにもかかわらず、第１の伝送ライン１８における高周波電磁波が、容量性相互作用を介して第１の回路共振器１２１に振動電流を生成する。これによって、第１の回路共振器１２１は、伝送ライン１８で振動する駆動信号によって共振状態に駆動させられ得る。開放伝送ラインは、開放終端型伝送ラインとも呼ばれ得る。

【0020】

図１ａでは、第２の伝送ライン１９は、第２の回路共振器１２２に誘導結合されている短絡伝送ラインである。図１ｄは、誘導結合をより詳細に例示する。第２の伝送ライン１９は、第３の導波路トレンチ１０３および第４の導波路トレンチ１０４によって形成される。第３および第４の導波路トレンチは、それらが（部分的にのみ例示されている）第２の回路共振器１２２に到達する前に終端する。第３の導波路トレンチ１０３と第４の導波路トレンチ１０４との間にある中心導体１０９は、接地電位に設定されている、超伝導層の周囲領域に直接接続される。駆動信号が伝送ラインに供給されると、この短絡接続により、伝送ラインの第１の端部１９１でのＡＣ電流は最大値となる。第２の伝送ライン１９の第１の端部１９１を通って流れる電流は、第２の回路共振器１２２において交流を誘導する。その結果、第２の回路共振器１２２は、短絡伝送ライン１９で振動する駆動信号によって共振状態に駆動させられ得る。短絡伝送ラインは、短絡終端型伝送ライン（ｓｈｏｒｔ－ｅｎｄｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ）とも呼ばれ得る。

【0021】

伝送ラインから発生する電界は、伝送ラインの特性および、駆動信号が伝送ラインに入力する際に通る電気コネクタおよび回路コネクタの特性に依存する。電気コネクタは、典型的に、伝送ライン自体よりも著しく高い特性インピーダンスを有する要素で実装される必要がある。ワイヤボンドはそのような要素の一例である。駆動信号が伝送ラインに入るときに電気コネクタを往復して駆動させられるＡＣ電流が高いほど、伝送ラインの周囲に放射される電界が強くなる。その結果、電気コネクタを流れる電流が最小化されると、電界は伝送ラインからの距離に応じて急速に減少する。その結果、電流が最小化されると、隣接する伝送ライン間のクロストークも最小化される。

【0022】

高周波駆動信号が伝送ラインに印加されるときに、信号が伝送ラインで略定常な波を形成し、定常波のゼロ電流の節（ｎｏｄｅ）が、電気コネクタが接続されている伝送ラインの第２の端部に一致する場合に、電気コネクタを流れる電流は最小になる。上記の開放伝送ラインおよび短絡伝送ラインの分析から、２つの異なるソリューションを開発することができる。

【0023】

本開示は、超伝導回路と超伝導回路を外部回路に結合する回路コネクタとを備えるデバイスについて記載している。超伝導回路は回路共振器を備える。超伝導回路はまた、第１の端部および第２の端部を有する伝送ラインを備える。伝送ラインの第１の端部は回路共振器に結合され、伝送ラインの第２の端部は回路コネクタに結合される。伝送ラインの長さは、伝送ラインを介して回路共振器に駆動信号が印加されたときに、回路コネクタと伝送ラインとの間を通過する電流が略ゼロになるような長さである。

【0024】

開放伝送ラインの実施形態
第１の例示的な実施形態では、デバイスは、超伝導回路と超伝導回路を外部回路に結合する回路コネクタとを備える。超伝導回路は、ターゲット共振周波数を有する回路共振器を備える。超伝導回路はまた、第１の端部および第２の端部を有する伝送ラインを備える。伝送ラインの第１の端部は回路共振器に結合され、伝送ラインの第２の端部は回路コネクタに結合される。伝送ラインは光の特有の実効速度を有する。伝送ラインは開放伝送ラインであり、伝送ラインの第１の端部は回路共振器に容量結合され、伝送ラインの長さは（Ｎ^*Ｌ）／２に略等しく、式中、Ｎは正の整数であり、Ｌは光の実効速度をターゲット共振周波数で割った値に等しい。

【0025】

光の実効速度は、伝送ラインの材質および幾何学的形状に依存する。所与の伝送ラインの光の実効速度は、容易に計算することができ、ある程度まで、幾何学的形状を変更することによって調整することもできる。

【0026】

上で論じた開回路の第１の伝送ライン１８の第１の端部１８１でのＡＣ電流は、伝送ラインがこのポイントで終端するためゼロである。この第１の伝送ラインの定常波は、第１の端部１８１からの距離Ｄ₁＝Ｌ／２で、その次のゼロ電流点を示す。波長が十分に長い場合、連続するゼロ電流点が、距離Ｄ₂＝Ｌ、Ｄ₃＝３Ｌ／２、またはより一般的には（Ｎ^*Ｌ）／２で生じ、式中、Ｎは正の整数である。Ｎは、たとえば１、２、３、４、または任意の他の正の整数であり得る。

【0027】

言い換えれば、伝送ラインの第２の端部１８２での電流は、伝送ラインの長さをＬ／２の倍数に等しくすることによって最小化され得る。駆動信号の周波数がターゲット共振周波数に等しいため、波長Ｌは光の実効速度をターゲット共振周波数で割ることによって計算される。

【0028】

伝送ラインはコプレーナ導波路であり得る。伝送ラインがコプレーナ導波路であるか否かに関わらず、伝送ラインは蛇行形状を有し得る。

【0029】

第１の伝送ラインは直線の形状を有する必要はない。図２は、参照番号２１１、２１２、２２１、２３、２４１、２５、２５１、２８、２８１、および２８２が、それぞれ、図１ａの参照番号１１１、１１２、１２１、１３、１４１、１５、１５１、１８、１８１、および１８２に対応している、超伝導回路を例示する。例示された回路は、６つの回路共振器を備え、これらの共振器の各々は、１８などの伝送ラインを介して外部回路に結合される。ここでの伝送ラインは、各伝送ラインが、依然として（Ｎ^*Ｌ）／２の長さを達成するのに十分な長さでありながら、比較的小さな領域に制限されることを可能にする、蛇行形状を有する。伝送ラインの長さは、伝送ライン経路に沿って、この場合、伝送ラインが前後折り返すような蛇行に沿って、その第１の端部から第２の端部まで測定される。

【0030】

図２では、正方形の回路基板２１２が保持構造２１１における正方形の空洞内に配置されている。保持構造２１１上の各回路コネクタ２４１は、ワイヤボンド１５を用いて対応する伝送ライン２８に結合される。回路コネクタが存在しない保持構造の領域に配置された追加のワイヤ２５１は、回路基板２１２の上面を保持構造２１１上の電気的に接地された領域に接続する。これによって、回路基板２１２上の超伝導層を接地させることができる。超伝導材料の層を接地電位に設定するために、代替的に他の電気接続が使用され得る。

【0031】

図２に例示されるデバイスはまた、側壁２７８および上部カバー（例示せず）を備え得る。側壁および上部カバーは、真空エンクロージャの範囲を定め得る。側壁および上部カバーは、たとえば銅で作ることができる。側壁２７８は、回路コネクタ２４１が外部回路に結合されている密閉された貫通穴２７７を備え得る。図２に例示されるデバイスアーキテクチャは、以下に提示される短絡伝送ラインの実施形態でも使用することができ、伝送ラインの細かな機能のみが異なる。

【0032】

短絡伝送ラインの実施形態
第２の例示的な実施形態では、デバイスは、超伝導回路と超伝導回路を外部回路に結合する回路コネクタとを備える。超伝導回路は、ターゲット共振周波数を有する回路共振器を備える。超伝導回路はまた、第１の端部および第２の端部を有する伝送ラインを備える。伝送ラインの第１の端部は回路共振器に結合され、伝送ラインの第２の端部は回路コネクタに結合される。伝送ラインは光の特有の実効速度を有する。伝送ラインは短絡伝送ラインであり、伝送ラインの第１の端部は回路共振器に誘導結合されている。伝送ラインの長さは（Ｎ^*Ｌ）／２－（Ｌ／４）に略等しく、式中、Ｎは正の整数であり、Ｌは光の実効速度をターゲット共振周波数で割った値に等しい。

【0033】

第１の例示的な実施形態において上に提供された分析は、いくつかの修正を伴ってこの第２の例示的な実施形態に適用することができる。上で論じた短絡された第２の伝送ライン１９の第１の端部１９１でのＡＣ電流は、第１の端部が接地電位に接続されているため、最大値ＩＭＡＸに達する。この第１の伝送ラインの定常波は、第１の端部１９１から距離Ｄ₁＝Ｌ／４＝Ｌ／２－Ｌ／４で、その次のゼロ電流点を示す。波長が十分に長い場合、連続するゼロ電流点が、距離Ｄ₂＝Ｌ－Ｌ／４、Ｄ₃＝３Ｌ／２－Ｌ／４、またはより一般的には（Ｎ^*Ｌ）／２－（Ｌ／４）で生じ、式中、Ｎは正の整数である。Ｎは、たとえば１、２、３、４、または任意の他の正の整数であり得る。

【0034】

言い換えれば、伝送ラインの第２の端部１９２での電流は、伝送ラインの長さを（Ｎ^*Ｌ）／２－（Ｌ／４）に等しくすることによって最小化され得る。駆動信号の周波数がターゲット共振周波数に等しいため、波長Ｌは光の実効速度をターゲット共振周波数で割ることによって計算される。

【0035】

第１の例と同様に、第１の伝送ラインは直線の形状を有する必要はない。ここでの伝送ラインは、各伝送ラインが、依然として（Ｎ^*Ｌ）／２－（Ｌ／４）の長さを達成するのに十分な長さでありながら、比較的小さな領域に制限されることを可能にする、図２が例示するような蛇行形状を有する。伝送ラインはコプレーナ導波路であり得、伝送ラインがコプレーナ導波路であるか否かに関わらず、伝送ラインは蛇行形状を有し得る。

【図1a】

【図1b】

【図1c】

【図1d】

【図2】

【国際調査報告】