JP5078839B2 - キュービットをその環境から隔離する方法および構造 - Google Patents

Description

本発明は、一般に量子（quantum）コンピュータに関する。より詳しくは、制御機能および読み出し機能によって引き起こされるデコヒーレンス（decoherence）を最小限にするために、制御および読み出し伝送ライン上でキュービット基本動作周波数の節（node）にキュービット（qubit）を配置する方法および構造に関する。

本出願の譲受人を含めていくつかの組織機関は、コンピュータの論理状態を表すために物理系の量子力学的状態を使用するコンピュータを設計し、開発し、構築しつつある。そのようなコンピュータは、「量子コンピュータ（quantum computer）」と呼ばれ、そのコンピュータ中の論理ゲートは、「キュービット（qubit）」と呼ばれている。

量子コンピュータは、考えられる従来のどのコンピュータよりもはるかに迅速にある種の問題を解くことができるはずである。たとえば、検索、暗号化、周知の「巡回セールスマン（traveling salesman）」問題などの多次元最適化問題の最適解を求めて大規模データベースを検索するなどのタスクは、量子コンピュータ上では甚だしく高速になるはずである。

能力がこのようにドラスティックに増大する理由は、通常の古典的コンピュータでは、コンピュータの論理状態が「０」と「１」、言い換えれば、古典的な物理系の状態で表されるからである。したがって、従来のコンピュータ中の基本論理ゲートは、単一ビットの情報を格納する。これとは異なり、キュービットは、同時に複数ビットの情報を格納する。

キュービットを生成することの基本的問題は、キュービットの量子力学的状態に対する環境の作用を最小限にすることである。この作用は、ノイズが十分に大きいと従来の論理ゲートが新しい多分不明な状態に切り替えられる、基本論理ゲートなどの従来の回路中のノイズの問題に類似する。

小型であること、関与する量子力学的機構、および取り得る状態が複数であること（たとえば、複数ビットの情報）のすべてがあいまって、キュービットは温度および浮遊磁場などの「ノイズ」の影響を特に受けやすくなっている。

部分的な解決策は、通常０．１Ｋより低い極めて低温でキュービットを動作させることである。こうすると、キュービットが受ける熱ノイズは、低減される。

キュービット自体も、通常内部損失がほとんどないように設計される。こうすると、キュービットがその環境の熱ノイズに直接結合することが、最小限になる。

環境中のノイズは、キュービット信号の大きさまたは存続期間をデコヒーレントにさせ、または低減させる。したがって、このデコヒーレンスは、量子コンピュータを製作するのに必要な高品質キュービットを生成するために、最小限にしなければならない。

第２のタイプのデコヒーレンスは、キュービットに電気回路および電気信号を印加したとき、発生する。キュービットは、環境から全く隔離するように設計することができるはずである。しかし、その状態が外部の回路を使用して変更または測定ができない限り、キュービットは、ほとんど役に立たない。

キュービットの状態を変更し、その状態を測定する最も普通の方法は、電気信号を使用することによるものである。残念ながら、これらの電気信号源および測定回路も本来的に熱ノイズおよび量子ノイズを有し、これらのノイズがキュービットをデコヒーレントにする。したがって、制御回路および読み出し回路からのデコヒーレンスを最小限にするために、これらの信号のキュービットへの結合は、通常弱くなるように設計される。

これまでは、キュービットのこの本来的なデコヒーレンスの問題に対する満足な解決策はなかった。

従来システムの上記および他の例示的問題、欠陥ならびに欠点に鑑みて、本発明の１つの例示的特徴は、キュービット中の本来的なデコヒーレンスの問題に対処する方法および構造を提供することである。

本発明の別の例示的特徴は、本来的なデコヒーレントの問題が最小限になるように、キュービットを制御し、またはキュービットの状態を読み取るためにキュービットに結合する方法を提供することである。

本発明の別の例示的特徴は、制御および読み出しの伝送ラインおよび回路によるデコヒーレンスを最小限にするために、従来の結合方法に比べてキュービットへの結合を強化する方法を提供することである。

上記の例示的特徴およびその他の特徴を達成するために、本発明の第１の例示的態様による、伝送ライン近傍においてキュービットの基本動作周波数における制御パラメータ中の節にほぼ対応する位置にキュービットを配置することを含む、キュービットに結合する方法を本明細書に記述する。

本発明の第２の例示的態様による、基本動作周波数を有するキュービットと、キュービットの動作に関連する少なくとも１つの伝送ラインとを含む回路も本明細書に記述する。この回路では、キュービットが、伝送ラインの近傍において基本動作周波数における制御パラメータ中の節にほぼ配置される。

本発明の第３の例示的態様による、少なくとも１つのキュービットと、その少なくとも１つのキュービットのデコヒーレンスが最小限になるように少なくとも１つのキュービットに結合する手段とを含む回路も本明細書に記述する。

本発明の第４の例示的態様による、キュービットを制御すること、およびキュービットの状態を読み出すことのどちらか一方を行うために使用する伝送ラインを提供すること、および少なくとも１つの伝送ラインの近傍においてキュービットの基本動作に関連する所定の周波数における節にほぼ対応する位置にキュービットを配置することを含む、キュービット回路を形成する方法も本明細書に記述する。

本発明の第５の例示的態様による、キュービットのデコヒーレンスを最小限にする、伝送ラインに沿った位置にキュービットを配置することを含む、キュービットをその環境から隔離する方法も本明細書に記述する。

すなわち、本発明は、たとえば、キュービットの制御および読み出し機能によって引き起こされるデコヒーレンスを最小限にする方法および回路を提供する。キュービットの基本動作周波数におけるノイズを最小限にするキュービットに結合する方法を提供することによって、制御および読み出し機能のためのキュービットへの結合が強化できる方法も提供する。

上記および他の目的、態様ならびに利点は、添付の図面を参照して行う、本発明の例示的実施形態についての以下の詳細な説明からより良く理解されよう。

ここで図、より詳しくは図１〜４を参照すると、本発明は、キュービット中にデコヒーレンスを引き起こす作用が最も大きい周波数（たとえば、Ｆ０１周波数）で、キュービットをその環境から結合解除し、それと同時にキュービットが動作し測定される周波数など他の大部分の周波数においてキュービットを結合する方法を提供する。

キュービットの場合、環境からのノイズが、通常、周波数の関数として変化する。キュービットの通常動作では、２つの固有周波数での環境ノイズが重要である。この最も重要な周波数（たとえば、キュービットを最もデコヒーレントにさせるノイズ）は、「Ｆ０１」周波数と呼ばれるキュービットの基本動作周波数におけるノイズである。

言い換えると、Ｆ０１は、「０」（たとえば、キュービットのエネルギーが最も低い状態）と「１」（たとえば、キュービットのエネルギーが２番目に低い状態）の間の周波数差である。しかし、本発明は、Ｆ０１周波数に限定されたものと見なすべきでない。なぜなら、いくつかのキュービット設計では、「Ｆ１２」など他の周波数で動作するからである。したがって、本発明は、詳細があるキュービット設計から別の設計へと設計ごとに変わり得るより広い概念を含むが、議論を進めるために本明細書では、「Ｆ０１」周波数を例として使用する。

デコヒーレンスに関する第２の重要な周波数は、通常「ｄｃ」と呼ばれるゼロ周波数近傍のノイズである。

環境からのゼロ周波数ノイズ（たとえば、ｄｃ）からのデコヒーレンスを低減する戦略が一般に知られている。この戦略は、キュービットを「縮退点（degenerate point）」で動作させることである。縮退点は、特性曲線における極小にいくらか似ている。この点では、環境の小さな変動が、動作点の一次の変動を生じない。

同様に、キュービットが縮退点で動作するように設計されたとき、ｄｃノイズ・レベルの小さな変動がキュービットの基本動作周波数を変動させず、したがって、キュービットをデコヒーレントにしない。この作用は、バランス点でキュービットを動作させることに類似する。縮退点で動作しているとき、有効なｄｃまたは極めて低い周波数のノイズが低減されるので、キュービットの測定されたコヒーレンスは、著しく増加することになる。

しかし、残念ながら、Ｆ０１周波数でのノイズは、縮退点で低減されない。したがって、キュービットがその縮退点の１つで動作したときでさえ、デコヒーレンスが問題のままに残るが、これはＦ０１周波数でのノイズによるものである。

本発明は、たとえば、Ｆ０１周波数でこのノイズのこの問題に対処する。したがって、上記の議論に鑑み、本発明は、キュービットが動作し測定される周波数など他のほとんどの周波数ではキュービットを結合することを可能にしながら、キュービット中にデコヒーレンスを生じさせる最も大きい作用を有するＦ０１などの周波数においてキュービットをその環境から結合解除するものとして、記述することができる。

この結果は、伝送ライン、通常超伝導伝送ラインへのキュービットの結合を調整することによって得られる。伝送ラインの長さおよびその両端の終端を調整することによって、本発明は、それによって、周波数（たとえば、Ｆ０１）用の電流節または電圧節を伝送ラインに沿った特定の位置に位置すること、およびキュービットをその節位置に配置することを教示する。

節は、信号がゼロである伝送ライン中の点であることに留意されたい。波腹（antinode）は、信号がピークである点である。電圧節は、伝送ライン中の電流波腹であり、逆の場合も同様である。

当技術分野では周知のように、電圧節と電流節のどちらを望むかに応じて開放または短絡によって伝送ラインの端を終端することによって、節を実装することができる。抵抗性終端を使用するのは、その抵抗性終端がノイジーでありそのノイズがキュービットに結合するはずであるので、避けることが好ましい。

図１は、この基本概念を表す第１の例示的構成１００を示す。キュービット１０１は、回路１０３に接続された伝送ライン１０２の近傍に配置される。伝送ライン１０２は、キュービットの状態を制御するまたは読み出す目的でキュービット１０１に結合する機能を果たす。キュービット１０１は、通常１つまたは複数のこのような伝送ラインを有するはずであり、いくつかは制御入力用、いくつかはキュービットの状態の読み出し用である。簡単のために、図１には、ただ１本の伝送ライン１０２が示してある。

例示的伝送ライン１０２は、電流が流れることから生じる磁束がキュービット１０１中への制御入力の１つとして使用されるように、制御回路１０３からの電流を流すために使用される共面ストリップ・ラインである。図１に示すように、キュービット１０１は、伝送ライン１０２の節近傍に、理想的には正確にその節位置に配置される。本明細書の議論を理解し、その全体が分り、簡単に説明する追加の例示的構成を検討した後、当業者には、他の伝送ラインの構成が容易に明らかになるであろう。

図１に示す抵抗性要素１０４は、制御回路１０３のノイズに関する側面、および伝送ラインが整合するように設計される特性出力インピーダンス（たとえば、５０Ω）を有する側面をともに表すように意図してある。

したがって、伝送ライン１０２は、当技術分野で周知のように、通常いくつかのパラメータを念頭に置いて設計される。たとえば、図１に示す共面ストリップ・ラインは、回路１０３の出力インピーダンス（たとえば、５０Ω）に整合する長さおよびライン間隔を有し、電流容量をもたらす厚さおよび幅を有する。伝送ライン１０２の材料は、通常アルミニウムやニオブなどの超伝導材料である。たとえば、典型的な伝送ラインは、２ＧＨｚ、すなわちキュービットＦ０１周波数の典型値で動作するように設計され、約１ｃｍの典型的な長さを有する。

通常、キュービットは、伝送ラインの長さに比べて物理的寸法（たとえば、１００μｍ）がより短く、上記のように、ラインに沿った電流節または電圧節に配置される。図１に例として示す構成の現在のプロトタイプでは、キュービット１０１は、３つのキュービット伝送ラインのどれが必要になるのかに応じて伝送ライン１０２から約２、３０、または１００μｍ離れたところに配置される。キュービットおよび伝送ライン間の距離が、結合の程度を決定するために使用される１つのパラメータであることは明らかなはずである。

現在様々なキュービット設計が、世界中の様々なグループによっていくつかの手法を使用して開発中である。本発明の概念によれば、磁束または電流を使用して動作させるキュービットは、そのキュービットのＦ０１周波数の電流節に配置されることになる。同様に、電圧を使用して動作させるキュービットは、そのキュービットのＦ０１周波数の電圧節に配置されることになる。

もう少し詳しく述べると、非限定的な例として、図１に、超伝導伝送ラインの短絡端から１／４波長（Ｆ０１周波数で）のところに配置された磁束キュービット１０１を示す。その１／４波長点では、Ｆ０１周波数では電流は流れない。その点では、この周波数におけるインピーダンスも極めて高く、理想的には無限である。

言い換えると、キュービット１０１は、理論上、臨界周波数Ｆ０１でこの回路１０３の電気的ノイズから全く結合解除される。それと同時に、Ｆ０１周波数の成分を除外した制御信号を選択することができるので、キュービットは、なお動作させることができる。

同じ方法を使用して、キュービットの状態を測定するために使用する電気的回路からのノイズを低減することができる。この場合、Ｆ０１周波数における測定回路（たとえば、前置増幅器）からのノイズがあると、キュービットは大いにデコヒーレントにされるはずである。ほとんどの場合、測定周波数がＦ０１でなく、はるかに低い周波数である。したがって、測定を実施することが可能になり、同時にキュービットのＦ０１周波数ノイズからキュービットをシールドすることができる。

残念ながら、「現実の世界（real world）」では、キュービットの大きさを、節の理論的な点の大きさに閉じ込められるように縮小させることができない。したがって、ある程度重要な１つの追加パラメータは、キュービットの大きさが小さくとも、無限に小さくはないことに関するものである。本発明者らは、キュービットの大きさと伝送ラインの長さの比の関数として、この避けられない小さな量の結合を最小限にすることができることを発見した。すなわち、図１の例示的構成では、この比は、約１ｃｍと１００μｍの比となり得るであろう。

この時点で、図１に示す例示的な磁束キュービット１０１は、説明のためのものにすぎないことに再び留意されたい。真正キュービットはＦ０１などの固有周波数におけるデコヒーレンスの問題を本来的に受けるので、他のタイプのキュービットも、本発明の概念の恩恵を受けるはずである。

図２および３に、本発明の概念をさらに説明する伝送ラインの追加の非限定的な代替構成２００および３００を示す。

図２の例示的構成２００は、電流バイアス型キュービット２０１を超伝導マイクロストリップ・ライン２０２とともに示す。そのマイクロストリップは、２つの超伝導層２０３および２０４から形成され、超伝導層２０４は、キュービット２０１を収容する層および超伝導層２０３の下で平面をなしている。電流節２０５は、マイクロストリップ・ライン２０２の短絡端２０７から１／４波長の位置２０６に位置することに留意されたい。電流源２０８は、ノイズを含むバイアス用回路の電流源を表し、抵抗２０９は、ノイズを含む電流源の出力インピーダンスを表す。

図３の例示的構成３００は、電圧バイアス型キュービット３０１を超伝導マイクロストリップ・ライン３０２とともに示す。電圧節３０３は、マイクロストリップ・ライン３０２の開放端３０５から１／４波長の位置３０４に位置する。

図４に、本発明を実施する基本概念の例示的フローチャート４００を示す。ステップ４００で、キュービットの適正な特性周波数を決定する。上記で例を挙げて議論したように、この特性周波数はＦ０１周波数としてよい。

ステップ４０２で、設計者は、設計するキュービット結合回路が、磁気／電流原理に基づくのものか電圧原理に基づくものかを決定し、ステップ４０３で、伝送ラインを設計する。

ステップ４０４で、結合が電流ベースかそれとも電圧ベースかに基づいて、伝送ライン上で電流節または電圧節かのどちらかにキュービットを配置する。

最後に、ステップ４０５で、残りの結合回路があれば、同様に設計者が対処する。

図４に示した例示的設計プロセスは、説明のためのものにすぎず、設計者は、通常、これらすべてのステップをフローチャートにカバーされていない設計の他の側面も加えて、多少とも同時に考慮しているはずであることが、当業者には容易に理解されよう。

本明細書で例を挙げて説明した方法を使用すると、縮退点でキュービットを動作させる手法とあいまって、キュービットは、一次のオーダではその環境との結合からのデコヒーレンスの損失がなくなることになる。と同時に、それでも、同じ組の伝送ラインを使用してキュービットを動作させ測定することができる。

したがって、要約すると、本発明は、キュービットの量子力学的状態に対する環境の作用を最小限に押さえ、キュービットの制御回路および読み出し回路からのデコヒーレンスを最小限にする１つの方法を提供する。

例示的な実施形態に即して本発明について説明したが、本発明が添付の特許請求の範囲で定義される精神および範囲に含まれる修正を加えて実施できることが当業者には理解されよう。

さらに、たとえ後日審査中に補正を行うことになっても、出願人は、特許請求の範囲に含まれるすべての要素の均等物を包含することを意図していることに留意されたい。

本発明の原理によるキュービットに結合するための第１の例示的構成１００を示す図である。 短絡端を有する超伝導マイクロストリップ伝送ラインを使用する、電流ベースのキュービットに結合するための第２の例示的構成２００を示す図である。 開放端を有する超伝導マイクロストリップ伝送ラインを使用する、電圧ベースのキュービットに結合するための第３の例示的構成３００を示す図である。 本明細書で説明する技法の例示的な基本フローチャート４００を示す図である。

符号の説明

１００ 構成
１０１ 磁束キュービット
１０２ 伝送ライン
１０３ 制御回路
１０４ 抵抗性要素
Ｆ０１ 臨界周波数
２００ 構成
２０１ 電流バイアス型キュービット
２０２ 超伝導マイクロストリップ・ライン
２０３、２０４ 超伝導層
２０５ 電流節
２０６ １／４波長位置
２０７ 短絡端
２０８ 電流源
２０９ 抵抗
３００ 構成
３０１ 電圧バイアス型キュービット
３０２ 超伝導マイクロストリップ・ライン
３０３ 電圧節
３０４ １／４波長位置
３０５ 開放端

Claims (9)

1. 量子コンピュータにおいて、その中で論理状態が表されるキュービットについて、デコヒーレンスを引き起こす作用が大きい周波数で、キュービットをその環境から結合解除し、それと同時にキュービットが動作し測定される周波数など他の大部分の周波数においてキュービットを結合して、キュービット回路を形成するための方法であって、
   前記キュービットの制御または読み出しを行う信号が印加される少なくとも１つの伝送ラインにおいて、信号を印加すると信号がゼロである伝送ライン中の点であって所定の周波数用の節を伝送ラインに沿った、前記伝送ライン中の電圧波腹である電流節または前記伝送ライン中の電流波腹である電圧節のどちらかの位置に位置されていて、かつ、キュービットをその節に対応する位置に配置するステップを含む、方法。
2. 前記所定の周波数が、環境からのノイズをデコヒーレントにさせ、または低減させる、前記キュービットの２つの固有周波数での基本動作周波数を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記キュービットの制御入力用、または、前記キュービットの状態の読み出し用のどちらかに使用される、１本の前記伝送ラインを提供するステップをさらに含む、請求項１〜２の何れかに記載の方法。
4. 前記所定の周波数が、前記キュービットのエネルギーが最も低い状態と前記キュービットのエネルギーが２番目に低い状態の間の周波数差であり、前記キュービット中にデコヒーレンスを生じさせる最も大きい作用を有する、Ｆ０１周波数を含む、請求項１〜３の何れかに記載の方法。
5. 前記節が、前記所定の周波数において前記少なくとも１つの伝送ラインの端から１／４波長の位置に位置する、請求項１〜４の何れかに記載の方法。
6. 前記節が、前記少なくとも１つの伝送ライン上に短絡端と開放端のどちらか一方を形成することによって生成される、請求項１〜５の何れかに記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの伝送ラインが、超伝導材料を含む、請求項１〜６の何れかに記載の方法。
8. 前記少なくとも１つの伝送ラインが、共面ストリップ・ラインとマイクロストリップ・ラインのどちらか一方を含む、請求項１〜７の何れかに記載の方法。
9. 前記伝送ラインの入力インピーダンスが、前記キュービットを制御すること、および前記キュービットの状態を読み出すことのどちらか一方を行う回路の出力インピーダンスに整合するように伝送ラインが設計されている、請求項１〜８の何れかに記載の方法。

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