Superconducting quantum arithmetic circuit
专利汇可以提供Superconducting quantum arithmetic circuit专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a quantum arithmetic circuit which can carry out on-off control of interaction between quantum bits while maintaining a long coherence time of each quantum bit. SOLUTION: The circuit includes integrated magnetic flux quantum bits 101, 102; a bias current wire 104 for impressing a bias flux to each magnetic flux quantum bit; a transformer 105 which is composed of two transformers arranged between adjacent quantum bits, namely, a superconducting loop which is shunted by a SQUID 107 (Superconducting Quantum Interference Device); a transformer 106 which is the same to it but has a twist 109; a current wire 110 for the SQUID control attached to each transformer; a current wire 111 for direct current magnetic flux adjustment attached to each transformer; and a SQUID 103 for quantum bit reading. COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT，下面是Superconducting quantum arithmetic circuit专利的具体信息内容。
前記２つの磁束量子ビットを最適なバイアスにバイアスすると共に、前記２つの超伝導トランスフォーマーの相殺作用により、前記２つの磁束量子ビット間の相互作用をオフにしておき、
前記２つの超伝導トランスフォーマー間の相殺作用を解除して、前記２つの磁束量子ビット間を一時的に磁気的に結合させ、これによって、量子演算を行うことを特徴とする制御方法。
本発明は、超伝導量子演算回路に関し、特に、量子ビット間の相互作用を完全にオフすることのできる超伝導量子演算回路に関する。
近年の技術の発展に伴い、量子計算の実現に向けた超伝導量子ビット素子が実現されている。 例えば、非特許文献１にあるような磁束量子ビット素子では，図２に示すようなジョセフソン接合202を3つ有する超伝導ループ201の中に量子化磁束の1/2に相当する外部磁束を印加した際に，ループを周回する永久電流が時計回りの状態と反時計回りの状態の2つの状態の重ね合わせ状態が最もエネルギーの低い２つの固有状態となり，有効量子2準位系すなわち量子ビットとして動作する。
更に、量子ビット素子を集積化して量子ビット演算回路を構成するには，量子ビット間の相互作用を導入することにより，２量子ビット間の条件付演算ゲートが必要となる。 例えば、非特許文献２に記載されている従来の量子ビット演算回路では、図３のように２つの磁束量子ビット301，302のループの一部を共有させることにより，量子ビット間の磁気的結合を実現している。
また、非特許文献３では図４のように２つの磁束量子ビット401，402のループ共有部分に大きなジョセフソン接合403を設けてインダクタンスを増大することにより，相互作用を強めている。 一方、非特許文献１では、図５のように磁束量子ビット間に，超伝導磁束量子干渉素子（SQUID）504を含む超伝導ループをトランスフォーマー503として設けることにより、量子ビット501，502間の磁気的結合を実現している。
非特許文献４では、図６のようにSQUID604を含む超伝導ループを２つ対称に結合したトランスフォーマー603を用いて、互いに異なる構成を有する２つの磁束量子ビット601，602間の磁気的結合を実現している。
非特許文献５では、図７のようにSQUID704を超伝導ループ703に対して直列でなく並列に配置している。 更に、非特許文献６では図８のように磁束量子ビット間に電流バイアスされたSQUID803を設け，SQUIDを介した量子ビット801，802間の磁気的結合を実現している。
一方，量子演算回路において各々の量子ビットは長時間コヒーレンスを保つ必要がある。 非特許文献７に示されているように，量子ビットのコヒーレンスはバイアス条件に大きく依存することが知られており，最適な動作点では長いコヒーレンス時間が得られる。
JE Mooij, TP Orlando, LS Levitov, L. Tian, CH van der Wal, and S. Lloyd, Science 285, 1036 (1999). JB Majer, FG Paauw, ACJ ter Haar, CJPM Harmans, and JE Mooij, Physical Review Letters 94, 090501 (2005). M. Grajcar, A. Izmalkov, SHW van der Ploeg, S. Linzen, E. Il'ichev, Th. Wagner, U. Hubner, H.-G. Meyer, A. Maassen van den Brink, S. Uchaikin, and AM Zagoskin, PHYSICAL REVIEW B 72, 020503(R) 2005. TV Filippov, SK Tolpygo, J. Mannik, and JE Lukens, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY 13, 1005 (2003). C. Cosmelli, MG Castellano, F. Chiarello, R. Leoni, D. Simeone, G. Torrioli, P. Carelli, arXiv:cond-mat/0403690. BLT Plourde, J. Zhang, KB Whaley, FK Wilhelm, TL Robertson, T. Hime, S. Linzen, PA Reichardt, C.-E. Wu, and J. Clarke, PHYSICAL REVIEW B 70, 140501(R) (2004). P. Bertet, I. Chiorescu, G. Burkard, K. Semba, CJPM Harmans,DP DiVincenzo, JE Mooij, arXiv:cond-mat/0412485.
しかしながら、これらの従来技術にはいくつかの問題点がある。
第１の問題点は、量子ビット間の相互作用が固定されていて可変でないということである。 この問題点は図３および図４の例に該当する。 この原因は、量子ビット間の結合インダクタンスが可変でないことに起因する。 その理由は、結合インダクタンスとして超伝導ループの一部やジョセフソン接合403を用いているためである。
第２の問題点は、量子ビット間の相互作用を完全にオフすることができないということである。 この問題点は図５および図７の例に該当する。 図５の例においては，この原因は、SQUID504の臨界電流が小さくなりすぎることに起因する。 その理由は、量子ビット501，502間の相互作用をオフにするためにSQUID504に量子化磁束の半分の磁束を印加するとSQUID504の臨界電流が０になり，ジョセフソン接合が有限電圧状態にスイッチしてしまい，散逸が生じ，コヒーレントな磁気的結合ができなくなるからである。 また、図７の例においては，この原因は、SQUID704がトランスフォーマーループ703に対して並列に配置されていることに起因する。 即ち、SQUID704の内部の磁束を変化させてSQUID704のインダクタンスを変化させても，量子ビット701，702間の結合インダクタンスを完全に０にすることはできないからである。
第３の問題点は、図６に示された例のように、特定のタイプの磁束量子ビットに対してしか応用することができないということである。 この原因は、結合用のトランスフォーマー604の幾何学的形状に起因する。 その理由は、図６の例では相互作用をオフするために、量子ビット601，602は互いに直交位置にジョセフソン素子を配置した特別な構造を持ち、且つ、各量子ビット601、602自身、対称性を持つ構造を有しているためである。
第４の問題点は、個々の量子ビットの状態を制御する際や，量子ビット間の相互作用を制御する際に流す制御用電流が，他の量子ビットやSQUIDにクロスカップリングすることを防ぐことができないということである。 この問題点は図８の例に該当する。 この原因は、図８の例が量子ビット801，802間の相互作用を完全にオフにするために隣り合う量子ビット間の直接的な磁気的結合とあいだに挟まれたSQUID803を介した磁気的結合の相殺現象を利用していることに起因する。 その理由は、隣り合う量子ビット801，802間の直接的な磁気的結合を利用するためには量子ビット間の距離を小さくしなくてはならず，そうすると制御信号間のクロストークを抑制することができないからである。
第５の問題点は、量子ビット間の相互作用を制御する際に量子ビットのバイアス点が変化してしまい，量子ビットの動作点が最適条件からずれることにより，量子ビットのコヒーレンス時間が短くなってしまうということである。 この問題点は図８の例に該当する。 この原因は、相互作用を制御するためにSQUID803に流す電流に起因する。 その理由は、SQUID803に流れる電流の変化が両側の量子ビット801，802に加わる磁束を変化させるからである。
本発明の目的は、各々の量子ビットの長いコヒーレンス時間を維持したまま，量子ビット間の相互作用をオンオフ制御することのできる超伝導量子演算回路を提供することにある。
本発明の他の目的は、量子ビット間の相互作用を一時的にオンオフできるトランスフォーマー素子を提供することである。
本発明の更に他の目的は、上記超伝導量子演算回路、又は、トランスフォーマー素子を含む半導体装置を提供することである。
本発明の他の目的は、上記超伝導量子演算回路、又は、トランスフォーマー素子を含む量子コンピュータを提供することである。
本発明の超伝導量子演算回路は、集積化された磁束量子ビットと，各々の磁束量子ビットにバイアス磁束を印加するためのバイアス電流線と、隣接する量子ビット間に配置された２つのトランスフォーマー，すなわちSQUIDでシャントされた超伝導ループからなるトランスフォーマーと，それと同様だがループにひねりを持つトランスフォーマーと，各々のトランスフォーマーに付随したSQUID制御用電流線と，各々のトランスフォーマーに付随した直流磁場相殺用の直流磁束調整用電流線と，量子ビットの状態を読み出すためのSQUIDを有する。
第１の効果は，隣接する磁束量子ビット間の相互作用を、SQUIDを含む超伝導トランスフォーマーを介して行なうことで，量子ビット間の相互作用が可変な超伝導量子演算回路を提供することができる。
第２の効果は，２つの互いに効果を相殺する超伝導トランスフォーマーをペアで用いることで，オフ状態では量子ビット間の相互作用を完全にオフすることができる超伝導量子演算回路を提供することができる。
第３の効果は，超伝導トランスフォーマー内のSQUIDの対称性により，量子ビット間の相互作用を制御する際に量子ビットのバイアス点が変化せず，量子ビットの動作点が最適条件からずれないことにより，各々の量子ビットのコヒーレンス時間を長く保つことのできる超伝導量子演算回路を提供することができる。
第４の効果は，量子ビット間の結合のために隣り合う量子ビット間の直接的な磁気的結合を利用せず，長い超伝導トランスフォーマー（例えば、２００μｍ）を利用することで，量子ビット間の距離を十分大きく取れるため，量子ビット制御のための信号間のクロストークを抑制することができる超伝導量子演算回路を提供することができる。
第５の効果は，量子ビット間の相互作用をオフするために量子ビット自身の対称性を利用していないため，用いる量子ビットのタイプや配置に制約が少ない超伝導量子演算回路を提供することができる。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１(a)を参照すると、本発明の実施の形態として超伝導量子演算回路が、上層から下層に対して透視した透視図として示されている。 他の図１（ｂ）〜（ｄ）はわかりやすいように多層構造を分解して示した図であり、各図における層間は、絶縁膜で分離されている。 図1（ｂ）の一部で線が交差しているところはさらに多層配線になっていて，層間絶縁膜で分離されている。
図１（ｂ）を参照すると、図１（ｃ）に示された磁束量子ビット１０１及び１０２の下層に配置されたトランスフォーマー素子が示されており、ここでは、２つの超伝導トランスフォーマー１０５、１０６によって構成されている。 図示された超伝導トランスフォーマー１０５、１０６は、図１（ａ）からも明らかな通り、磁束量子ビット１０１、１０２間に配置され、左端及び右端において互いに隣接すると共に、磁束量子ビット１０１及び１０２に、その下層領域上で隣接するように設けられ、それぞれ、長さ方向に延びる超伝導ループを形成している。 また、両超伝導トランスフォーマー１０５、１０６は、両端部以外の部分では、それぞれ互いに近接した配線によって形成されている。
更に、超伝導トランスフォーマー１０５の超伝導ループには、シャントＳＱＵＩＤ１０７が接続されている。 当該シャントＳＱＵＩＤ１０７は×印で示された２つのジョセフソン素子を含むループを備えている。 図示された例では、シャントＳＱＵＩＤ１０７のジョセフソン素子の両端と、超伝導トランスフォーマー１０５の２つの配線とは、２つの引出し配線によって接続されている。 この場合、図１（ｂ）に示すように、一方の引出し配線は超伝導トランスフォーマー１０５の一方の配線を跨いて、超伝導トランスフォーマー１０５の他方の配線に接続されている。
他方、超伝導トランスフォーマー１０６の超伝導ループには、シャントＳＱＵＩＤ１０８が接続されている。 当該シャントＳＱＵＩＤ１０８も×印で示された２つのジョセフソン素子を含むループを備えており、シャントＳＱＵＩＤ１０８ のジョセフソン素子の両端と、超伝導トランスフォーマー１０６の２つの配線とは、２つの引出し配線によって接続されている。 図からも明らかな通り、２つの引出し配線の一方は、超伝導トランスフォーマー１０６の超伝導ループ中の上側の配線に接続され、他方は、超伝導トランスフォーマー１０６の超伝導ループ中の下側の配線に接続されている。 この結果、シャントＳＱＵＩＤ１０８の引出し配線と超伝導ループとの間には、ひねり部分１０９が形成される。 尚、図1（ｂ）では、超伝導トランスフォーマー１０５、１０６の左右にも互いに所定の間隔を置いて、他の超伝導トランスフォーマー対が配置されている。
次に、図１（ｃ）を参照すると、超伝導トランスフォーマー１０５、１０６の上層に配置され、２つの磁束量子ビット１０１及び１０２が示されている。 この例では、読み出し用ＳＱＵＩＤ１０３が磁束量子ビット１０１に付随して設けられている。 図示された例では、読み出し用ＳＱＵＩＤ１０３は、２つのジョセフソン素子を備え、磁束量子ビット１０１、１０２を囲むように形成されている。 ここで、磁束量子ビット１０１、１０２は、それぞれ３つのジョセフソン接合を持つ、互いに同一構造の超伝導ループである。 各磁束量子ビット１０１、１０２における３つのジョセフソン接合のうちの１つは他の２つよりも若干小さく，量子ビットの基底状態と励起状態の間のエネルギー差が１０ＧＨｚ程度になるように設計されている。
磁束量子ビット１０１、１０２の上層には、図１（ｄ）に示すような超伝導配線が施されている。 即ち、磁束量子ビット１０１を覆うように、量子ビットバイアス電流線１０４が配線されており、且つ、超伝導トランスフォーマー１０５及び１０６の左端領域を覆うように、直流磁束調整用電流線１１１が配線されている。 同様に、他方の磁束量子ビット１０２に対応して、量子ビットバイアス電流線１０４が設けられると共に、超伝導トランスフォーマー１０５及び１０６の右端領域を覆うように、直流磁束調整用電流線１１１が設けられている。 尚、図１（ｃ）では、隣接した超伝導トランスフォーマー対に対応して設けられた直流磁束調整用電流線１１１も示されている。
更に、図１（ｂ）に示されたシャントＳＱＵＩＤ１０７及び１０８に対応した位置には、それぞれ、ＳＱＵＩＤ制御用電流線１１０が設けられている。
図１（ａ）及び（ｃ）には、２つの磁束量子ビット101，102のみが示されているが，ｎ個の量子ビットに容易に拡張可能である。 図示された回路は高周波ロスの少ない絶縁体基板上に形成される。 この場合、基板材料の例としては，サファイア，酸化マグネシウム，熱酸化膜のついたシリコンなどが挙げられる。
前述したように、量子ビットバイアス電流線１０４、ＳＱＵＩＤ制御用電流線１１０、及び直流磁束調整用電流線１１１等の配線はすべて超伝導配線であり，電流を流すことによる発熱は０である。 ここで、超伝導材料としてはアルミニウム，ニオブ，窒化ニオブなどが挙げられる。
図示された超伝導量子演算回路において、図１（ｄ）に示された量子ビットバイアス電流線１０４は、各々の磁束量子ビット101，102のバイアス磁束を制御して，コヒーレンスを保つための最適バイアス点にバイアスすると共に、１ビット制御用のマイクロ波電流パルスを加えるための配線であり、各量子ビット101、１０２に付随して設けられている。
また、隣接する量子ビット１０１、１０２間に設けられた２つのトランスフォーマー105、106（即ち、SQUID107でシャントされた超伝導ループからなるトランスフォーマー105と，それと同様だがループにひねり部分109を持つトランスフォーマー106）は、SQUID制御用電流線110に流れる電流が０のときには，互いの効果を打ち消しあうため，量子ビット１０１、１０２間の磁気的結合が０になる。 したがって、量子ビット１０１、１０２間の相互作用を完全にオフすることができる。
超伝導トランスフォーマー１０５、１０６の左右両端部上に設けられた直流磁束調整用電流線１１１には、各超伝導トランスフォーマー１０５、１０６のループ内の直流磁束が０になるように、調整された電流が流される。 換言すれば、直流磁束調整用電流線111に電流を流すことによって、各超伝導ループ内の直流磁束が０になるように調整される。 即ち、直流磁束調整用電流線１１１は、量子ビット１０１、１０２のバイアス電流による磁界の漏れを補償するためのものである。
更に、シャントＳＱＵＩＤ107，108の上層に設けられたSQUID制御用電流線１１０に、SQUID制御用電流を流すことにより，２つの超伝導トランスフォーマー105，106の間の相殺が損なわれる。 この結果、量子ビット101，102間に磁気的結合が生じ，相互作用を必要な時間だけ一時的にオンすることができる。 このことは、量子ビット101，102間の相互作用を可変できることを意味している。 換言すれば、図示された超伝導量子演算回路は、量子ビット１０１、１０２を必要に応じて磁気的に結合させることができるため、条件付演算を行うことができる。
図示されたシャントSQUID107，108はそれぞれ対称性を有しているから、SQUID制御電流を流しても、超伝導トランスフォーマーループ105，106に電流は誘起されず，量子ビット101，102のバイアス点が最適点からずれることはない。 また、超伝導トランスフォーマーループ105，106を細長くして，大部分で対向する配線が近接するようにしているため，ループの自己インダクタンスを小さくし，オン時の量子ビット間の相互作用が十分大きくできる一方，量子ビット101，102間の距離を確保することで，制御や読み出しにおける信号のクロスカップリングを防ぐことができる。
次に、図１に示された超伝導量子演算回路の動作を説明する。
集積化された各々の磁束量子ビット101、１０２は，付随した量子ビットバイアス電流線１０４に流す電流によりコヒーレンスを保つための最適バイアス点にバイアスされている。
また、１ビットの状態の制御は、量子ビットバイアス電流線104に磁束量子ビット101、102に共鳴するマイクロ波電流パルスを流すことで実行される。 ２つの磁束量子ビット１０１、１０２の間に配置された前述した２つの超伝導トランスフォーマー１０５、１０６が，SQUID制御用電流線１１０に流れる電流が０のときには，互いの効果を打ち消しあうため，量子ビット間の磁気的結合が０になる。 そのため、量子ビット間の相互作用は完全にオフ状態にある。 超伝導トランスフォーマーループ１０５、１０６内の直流磁束は０になるように直流磁束調整用電流線１１０に電流を流すことで調整される。 SQUID制御用電流を流すことにより，２つの超伝導トランスフォーマー１０５、１０６の間の相殺が損なわれ，量子ビット１０１、１０２間の磁気的結合が生じ，相互作用を必要な時間だけ一時的にオンすることができる。
このように、本発明では、隣接する量子ビット１０１、１０２間に、可変トランスフォーマーを設け、当該可変トランスフォーマーを介して磁束量子ビット間の相互作用を制御することができる量子演算回路を実現する。 量子演算終了後の状態の読み出しは各量子ビットに付随した読み出し用SQUIDを用いて行なうことができる。
本発明の活用例として、量子コンピュータや量子中継器に使用される量子演算回路が挙げられる。
101：磁束量子ビット１
102：磁束量子ビット２
103：読み出し用SQUID
104：量子ビットバイアス電流線
105：超伝導トランスフォーマー
106：超伝導トランスフォーマー
107：シャントSQUID
108：シャントSQUID
109：超伝導ループのひねり
110：SQUID制御用電流線
111：直流磁束調整用電流線
201：超伝導ループ
202：ジョセフソン接合
301：量子ビット１
302：量子ビット２
401：量子ビット１
402：量子ビット２
403：結合用ジョセフソン接合
501：量子ビット１
502：量子ビット２
503：超伝導トランスフォーマー
504：SQUID
601：量子ビット１
602：量子ビット２
603：超伝導トランスフォーマー
604：SQUID
701：量子ビット１
702：量子ビット２
703：超伝導トランスフォーマー
704：SQUID
801：量子ビット１
802：量子ビット２
803：結合用SQUID
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