超伝導磁束量子ビット回路
【課題】超伝導磁束量子ビット回路における超伝導磁束量子ビットのトンネルエネルギーを高速かつ安定に制御できるようにする。
【解決手段】第１磁束制御線１０７および第２磁束制御線１０８は、第１ループ１０１および第２ループ１０２を挟んで配置される。また、第１磁束制御線１０７は、第１ループ１０１の側に配置され、第２磁束制御線１０８は、第２ループ１０２の側に配置される。また、第２弱結合第２弱結合１０４は、上記共有部と第１磁束制御線１０７との間の第１ループ１０１に配置される。加えて、第１ループ１０１に比較して第２ループ１０２は、大きな面積に形成されている。
【解決手段】第１磁束制御線１０７および第２磁束制御線１０８は、第１ループ１０１および第２ループ１０２を挟んで配置される。また、第１磁束制御線１０７は、第１ループ１０１の側に配置され、第２磁束制御線１０８は、第２ループ１０２の側に配置される。また、第２弱結合第２弱結合１０４は、上記共有部と第１磁束制御線１０７との間の第１ループ１０１に配置される。加えて、第１ループ１０１に比較して第２ループ１０２は、大きな面積に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジョセフソン接合などの弱結合を含む超伝導回路により構成された超伝導磁束量子ビット回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
量子コンピュータにおける基本要素となる量子ビットとして、超伝導磁束量子ビットがある。超伝導磁束量子ビットは、超伝導体を使っており、超伝導ギャップの存在のため環境の影響を受けにくいと考えられている。また、同じく超伝導体を使った電荷量子ビットに比較し、磁束のノイズは電荷のノイズに比べて少ないので、この点においても超伝導磁束量子ビットは有利である。
【０００３】
このような超伝導磁束量子ビットとして、ジョセフソン接合を用いた超伝導ループから構成された素子（超伝導磁束量子ビット回路）がある（非特許文献１参照）。非特許文献１では、３つのジョセフソン接合を含む超伝導磁束量子ビットと、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）とを含む超伝導磁束転送器により、量子ビット間の量子もつれ状態を制御することについて示されている。
【０００４】
この系を特徴づけるエネルギーには、次の２つがある。まず、超伝導ループを時計廻りに流れる超伝導永久電流状態｜Ｒ＞と、超伝導ループを反時計廻りに流れる超伝導永久電流状態｜Ｌ＞との間のエネルギー差εがある。また、上述した｜Ｒ＞および｜Ｌ＞の状態間の量子トンネリングに起因するエネルギー分裂Δがある。以下では、エネルギー分裂Δについては、トンネルエネルギーΔと称する。
【０００５】
なお、第二励起状態以上の高励起状態からエネルギー的に離れることで、超伝導磁束量子ビットが良い近似で量子二準位系（量子ビット）とみなせるのは、ジョセフソン接合を複数個（通常３個または４個）含むループを貫く磁束（Φm）が、Φm＝（ｎ＋１／２）Φ0条件の磁束量子Φ0の千分の１程度近傍にあるときである。なお、Φ0＝ｈ／（２ｅ）＝２．０６７８×１０-15Ｗｂである。また、ｎは整数である。
【０００６】
上述した２つのエネルギーのうち、エネルギー差εを制御するには、超伝導ループを貫く磁束Φmを変化させればよいことが知られている。ここで、ε＝０から離れるほど、エネルギー差εがループを貫く磁束Φmの急峻な関数となるため、磁束のゆらぎに起因する量子ビットレベル間のエネルギー差のゆらぎ（すなわちデコヒーレンス）が激しくなる。従って、エネルギー差εが０から離れることは、量子素子としての重要な指標であるコヒーレンス時間の激減を意味する。
【０００７】
超伝導磁束量子ビットに普遍的に存在することが知られている磁束ゆらぎに起因するデコヒーレンスが極小となるのは、ε＝０となるΦm＝（ｎ＋１／２）Φ0の場合である。しかし、この場合、今度は量子ビットのエネルギーがトンネルエネルギーΔに固定されてしまい、複数の量子ビット間の演算で必須となる量子バスとの結合が、エネルギー的に不利である。
【０００８】
ここで、超伝導磁束量子ビットの回路においては、例えば伝送線路共振器などで構成される量子バスが用いられる。このような量子バスと超伝導磁束量子ビットとを結合させるためには、超伝導磁束量子ビットのエネルギーを、量子バスとのエネルギー共鳴点まで移動させることになる。この超伝導磁束量子ビットのエネルギーの移動は、超伝導ループを貫く磁束Φmを変化させ、エネルギー差εを増加させることによって行う。しかしながら、この方法では、ε＝０から離れるほどデコヒーレンスが激しくなるため、量子ビットの数が増えるほど量子バスを介した全系のコヒーレンス時間も短くなってしまうという問題を克服する必要があることが、当該分野では広く認識されてきた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】J.E.Mooij, T.P.Orlando,L.Levitov, Lin Tian, Casper H. van der Wal, Seth Lloyd, "Josephson Persistent-Current Qubit" Science, vol.285, pp.1036-1039, 1999.
【非特許文献２】F.G.Paauw, A.Fedorov, C.J.P.M Harmans, and J.E.Mooij, "Tuning the Gap of a Superconducting Flux Qubit", Physical Review Letters, vol.102, 090501, 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
非特許文献１の技術では、エネルギー差εおよびトンネルエネルギー（エネルギー分裂）Δは、インダクタンス制御線を適切に設けることで、原理的には、独立に制御可能であると指摘されている。しかしながら、コヒーレンス時間の観点から、最も有利な最適磁束バイアス動作点に留めた状態で、現実の量子ビットデバイスのトンネルエネルギーΔを高速かつ安定に制御可能にするための実行可能な具体的な構成は、明らかにされていない。このため、超伝導磁束量子ビットに基づく量子バスの設計にとって非常に重要な上述したコヒーレンス時間が短くなるという問題は、１０年以上に亘って未解決のままである。
【００１１】
例えば、非特許文献１の超伝導磁束量子ビット回路では、図５に示すように、２つのジョセフソン接合を含むＳＱＵＩＤループ５０１と、３個のジョセフソン接合を含む主ループ５０２との、２つの超伝導ループによって構成されている。この超伝導磁束量子ビット回路は、４接合回路となっている。図５において、「×」がジョセフソン接合を示している。
【００１２】
また、ＳＱＵＩＤループ５０１の上に磁束制御線５０３が設置され、主ループ５０２の上に磁束制御線５０４が設置されている。磁束制御線５０３は、面積を二分するようＳＱＵＩＤループ５０１の中央部を通るように設置されている。また、磁束制御線５０３および磁束制御線５０４は、ＳＱＵＩＤループ５０１および主ループ５０２の上に、絶縁層（不図示）を介して形成されている。ここで、主ループ５０２とＳＱＵＩＤループ５０１の囲む面積は、各々等しく設定されている。
【００１３】
この超伝導磁束量子ビット回路では、磁束制御線５０３を流れる電流の作る磁場は、主ループ５０２の磁束のみを制御し、ＳＱＵＩＤループ５０１には影響を与えない。また、磁束制御線５０４も、実効的にＳＱＵＩＤループ５０１のみに影響し、主ループ５０２には影響を与えない設計となっている。実際には、磁束制御線５０４を流れる電流の作る磁場は、双方のループと結合する。しかしながら、この４接合回路は、３接合量子ビット回路の最小のジョセフソン接合をＳＱＵＩＤループ５０１に置き換えた構造をとっているので、主ループ５０２の中央からずれた位置に磁束制御線５０４が設置されていれば、磁束制御線５０４を流れる電流の作る磁場は、実効的にＳＱＵＩＤループ５０１のみに影響し、主ループ５０２には影響を与えない構成とすることができる。
【００１４】
しかしながら、上述した超伝導磁束量子ビット回路では、磁束制御線５０３および磁束制御線５０４の位置の小さな設置誤差により、磁束制御線５０３が主ループ５０２のみを制御し、磁束制御線５０４がＳＱＵＩＤループ５０１のみを制御する状況が崩されてしまう。この場合、超伝導磁束量子ビット回路の磁束バイアス動作点εが、最適磁束バイアスであるε＝０からずれる可能性がある。
【００１５】
また、上述した超伝導磁束量子ビット回路では、絶縁層を用いる多層構造となっているため、構造が複雑となり、素子の作製を困難なものとしている。例えば、絶縁層はより薄く形成することが要求されるため、上下の層間で絶縁分離が完全に成されていない部分が形成される場合が発生する。さらに、外部電流源に接続される磁束制御線が各ループの直上に配置されているために、量子ビットが様々なノイズと強く結合し、デコヒーレンスの影響を強く受ける設計であるといわざるを得ない。このため、この超伝導磁束量子ビット回路では、最適磁束バイアス動作点（ε＝０）に留めたまま、量子ビットのトンネルエネルギーΔを高速かつ安定に制御することは難しい。
【００１６】
上述したノイズの影響に対応した典型的なグラジオメータ型の超伝導磁束量子ビット回路が提案されている（非特許文献２参照）。この超伝導磁束量子ビット回路は、図６に示すように、１辺を共有する２つの主ループ６０１および主ループ６０２と、共有する辺に配置された２つのジョセフソン接合と、主ループ６０１および主ループ６０２の共有部に設けられたＳＱＵＩＤループ６０３と、磁束制御線６０４と、磁束制御線６０５とを備える。この構造は、８の字構造のグラジオメータ型の一辺を共有する２つの主ループの共有する辺に配置される３つのジョセフソン接合の中で、一番小さなジョセフソン接合を、ＳＱＵＩＤに置き換えたものである。なお、図６において、「×」がジョセフソン接合を示している。
【００１７】
この超伝導磁束量子ビット回路は、グラジオメータ型であるために、一様な磁場ノイズの影響を受けないように設計されている。しかしながら、この超伝導磁束量子ビット回路では、主ループ６０１，６０２を貫く磁束（Φm）の関数として超伝導磁束量子ビット回路の磁束バイアス動作点がε＝０となるΦm＝（ｎ＋１／２）Φ0のｎを選択する自由度を奪っている。このため、この超伝導磁束量子ビット回路では、システム全体を設計する場合の自由度が失われている。
【００１８】
有限の磁場下でこの超伝導磁束量子ビット回路を冷却する方法をとれば、実効的にｎを選択できるが、超伝導状態とした低温のままｎを変えることができない。ｎを変えるには、一度装置全体を昇温して磁場を変えた後、再度、有限の磁場下で回路を冷却する必要がある。このような昇温・冷却の熱サイクルは、素子の劣化の原因となり得る。このｎの自由度は、例えば、量子ビットのトンネルエネルギーΔを、ＳＱＵＩＤループ６０３を貫く磁束（Φd）の関数として制御する場合の感度（｜ｄΔ／ｄΦd｜）に直結した自由度である。従って、ｎが自由に変更できない状態では、回路全体としてのパフォーマンスを最大化する場合の障害となる。このように、非特許文献２による超伝導磁束量子ビット回路でも、最適磁束バイアス動作点（ε＝０）に留めたまま、量子ビットのトンネルエネルギーΔを高速かつ安定に制御することは難しい。
【００１９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、コヒーレンス時間の観点から最も有利な最適磁束バイアス動作点に留めたまま、超伝導磁束量子ビット回路における超伝導磁束量子ビットのトンネルエネルギーを高速かつ安定に制御できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明に係る超伝導磁束量子ビット回路は、超伝導配線からなる第１ループと、超伝導配線からなり第１ループと一部を共有する第２ループと、第１ループと第２ループとの共有部に設けられた第１弱結合と、第１ループの共有部以外に設けられた第２弱結合と、第２ループの共有部以外に設けられた第３弱結合および第４弱結合と、第１ループを貫く磁束を制御する第１磁束制御線と、第２ループを貫く磁束を制御する第２磁束制御線とを少なくとも備え、第１磁束制御線および第２磁束制御線は、第１ループおよび第２ループを挟んで配置され、第１磁束制御線は、第１ループの側に配置され、第２磁束制御線は、第２ループの側に配置され、第２弱結合は、共有部と第１磁束制御線との間の第１ループに配置され、第１ループに比較して第２ループは大きな面積に形成されている。
【００２１】
上記超伝導磁束量子ビット回路において、第１ループは、第１の辺，第２の辺，第３の辺，および第４の辺が、この順に接続された矩形とされ、第２ループは、共有部となる第１の辺，第５の辺，第６の辺，および第７の辺が、この順に接続された矩形とされ、第２弱結合は、第３の辺に配置され、第１磁束制御線は、第３の辺に対向して配置され、第２磁束制御線は、第６の辺に対向して配置されていればよい。
【００２２】
また、超伝導磁束量子ビット回路において、第１ループにより超伝導磁束量子干渉計が構成されている。また、第１弱結合，第２弱結合，第３弱結合，および第４弱結合は、トンネル絶縁層を介して接続するジョセフソン接合, ポイントコンタクト、あるいは、ナノメートルサイズのブリッジなどを含むウィークリンク（weak-link）であればよい。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、第１ループに比較して第２ループは大きな面積に形成されているようにしたので、超伝導磁束量子ビット回路における超伝導磁束量子ビットのトンネルエネルギーが、高速かつ安定に制御できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における超伝導磁束量子ビット回路の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本実施の形態における超伝導磁束量子ビット回路の超伝導配線をアルミニウムから構成した場合の構成を示す平面図である。
【図３】図３は、図２に示した超伝導磁束量子ビット回路の、主ループ２０２を流れる超伝導電流値Ｉpを、ＳＱＵＩＤループ２０１を貫く磁束（Φd）で制御し、主ループ２０２を貫く磁束（Φm）を第２磁束制御線２０８で制御し、この超伝導磁束量子ビット回路のバイアス動作点（ε）を変化させた場合の超伝導磁束量子ビット回路のトンネルエネルギーΔの変化を示す特性図である。
【図４】図４は、図２を用いて説明した超伝導磁束量子ビット回路の、最適バイアス動作点（ε＝０）における量子コヒーレント振動の状態を示す特性図である。
【図５】図５は、非特許文献１に開示されている超伝導磁束量子ビット回路の構成を示す構成図である。
【図６】図６は、非特許文献２に開示されている超伝導磁束量子ビット回路の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における超伝導磁束量子ビット回路の構成を示す構成図である。この超伝導磁束量子ビット回路は、超伝導配線からなる第１ループ１０１と、超伝導配線からなり第１ループ１０１と一部を共有する第２ループ１０２と、第１ループ１０１と第２ループ１０２との共有部に設けられた第１弱結合１０３と、第１ループ１０１の共有部以外に設けられた第２弱結合１０４と、第２ループ１０２の共有部以外に設けられた第３弱結合１０５および第４弱結合１０６と、第１ループ１０１を貫く磁束１５１を制御する第１磁束制御線１０７と、第２ループ１０２を貫く磁束１５２を制御する第２磁束制御線１０８とを備える。第１磁束制御線１０７および第２磁束制御線１０８は、第１ループ１０１および第２ループ１０２と重ならないように、離れた位置に配置されている。
【００２６】
また、第１磁束制御線１０７および第２磁束制御線１０８は、第１ループ１０１および第２ループ１０２を挟んで配置されている。また、第１磁束制御線１０７は、第１ループ１０１の側に配置され、第２磁束制御線１０８は、第２ループ１０２の側に配置されている。また、第２弱結合１０４は、上記共有部と第１磁束制御線１０７との間の第１ループ１０１に配置されている。
【００２７】
加えて、第１ループ１０１に比較して第２ループ１０２は、大きな面積に形成されている。ここでいう面積は、第１ループ１０１で囲われた領域の面積および第２ループ１０２で囲われた領域の面積である。ここで、図１では、第２ループ１０２および第１磁束制御線１０７の間隔に対して第１ループ１０１および第２磁束制御線１０８の間隔の方が広い状態を示しているが、これに限るものではない。例えば、第２ループ１０２および第１磁束制御線１０７の間隔と第１ループ１０１および第２磁束制御線１０８の間隔とが等しい状態で、第１ループ１０１に比較して第２ループ１０２が、大きな面積に形成されていてもよい。
【００２８】
この超伝導磁束量子ビット回路は、第１弱結合１０３および第２弱結合１０４を備える第１ループ１０１で超伝導磁束量子ビット回路の一部であるＳＱＵＩＤ（超伝導磁束量子干渉計）を構成し、第１弱結合１０３，第３弱結合１０５，および第４弱結合１０６を備える第２ループ１０２で超伝導磁束量子ビット回路の主ループを構成している。なお、各弱結合部は、ここを境に、ループを流れる超伝導電流の位相が変化するものとなっていればよい。
【００２９】
図１に示す例では、まず、第１ループ１０１は、第１の辺１２１，第２の辺１２２，第３の辺１２３，および第４の辺１２４が、この順に接続する矩形としている。また、第２ループ１０２は、第１ループ１０１と共有する第１の辺１２１，第５の辺１２５，第６の辺１２６，および第７の辺１２７が、この順に接続する矩形としている。また、第２弱結合１０４は、第３の辺１２３に配置している。また、第１磁束制御線１０７は、第３の辺１２３に対向して配置し、第２磁束制御線１０８は、第６の辺１２６に対向して配置している。
【００３０】
また、第２ループ１０２が囲う面積は、第１ループ１０１が囲う面積よりも大きくされている。なお、第１磁束制御線１０７は、主に第１ループ１０１を貫く磁束１５１を制御し、第２磁束制御線１０８は、主に第２ループ１０２を貫く磁束１５２を制御するものである。上述は、同一の平面上における構成である。
【００３１】
上述した構成とした本実施の形態における超伝導磁束量子ビット回路において、各磁束制御線と各超伝導磁束量子ビットとの相互インダクタンスに関しては、回路設計段階で、第２磁束制御線１０８を流れる電流の作る磁場は、第２ループ１０２の磁束１５２のみを制御し、第１ループ１０１にはほとんど影響を与えない方針のもとに回路パタンを設計し、超伝導磁束量子ビット回路を製作する。本実施の形態によれば、第１ループ１０１に比較して第２ループ１０２は大きな面積とすることで、上述した相互インダクタンスの関係が得られるようにしている。第１磁束制御線１０７と第２磁束制御線１０８に流す電流は、任意の値に設定可能であり、磁束１５２のΦm＝（ｎ＋１／２）Φ0のｎを選択する自由度は残されている。
【００３２】
ここで、第１ループ１０１および第２ループ１０２は、超伝導材料からなる配線で形成すればよい。また、第１弱結合１０３，第２弱結合１０４，第３弱結合１０５，および第４弱結合１０６は、トンネル接合部によるジョセフソン接合から形成することができる。また、これらの弱結合は、収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工などで作製した、他の領域の超伝導配線より細くされた部分で構成してもよい。
【００３３】
本実施の形態によれば、第１ループ１０１に比較して第２ループ１０２は大きな面積に形成しているので、第２磁束制御線１０８を流れる電流の作る磁場が、第１ループ１０１にはほとんど影響を与えないようにすることができる。この結果、｜Ｒ＞と｜Ｌ＞との間のエネルギー差εを０に留めた状態で、トンネルエネルギーΔを高速かつ安定に制御することができるようになる。なお、第１磁束制御線１０７および第２磁束制御線１０８を流れる電流を時間的に独立に変化させ、これによりＳＱＵＩＤ閉回路を構成している第１ループ１０１を貫く磁束１５１および第２ループ１０２を貫く磁束１５２を、各々独立に時間的に変化させることで、量子準位間のトンネルエネルギーΔが調節可能となる。
【００３４】
次に、本実施の形態における超伝導磁束量子ビット回路について、図２を用いてより詳細に説明する。図２は、本実施の形態における超伝導磁束量子ビット回路の超伝導配線をアルミニウムから構成した場合の構成を示す平面図である。この超伝導磁束量子ビット回路は、アルミニウムからなる超伝導配線より構成されたＳＱＵＩＤ（第１ループ）２０１と、アルミニウムの超伝導配線からなりＳＱＵＩＤループ２０１と一部を共有する主ループ（第２ループ）２０２と、ＳＱＵＩＤループ２０１と主ループ２０２との共有部に設けられた第１ジョセフソン接合（第１弱結合）２０３と、ＳＱＵＩＤループ２０１の共有部以外に設けられた第２ジョセフソン接合（第２弱結合）２０４と、主ループ２０２に共有部以外に設けられた第３ジョセフソン接合（第３弱結合）２０５および第４ジョセフソン接合（第４弱結合）２０６とを備える。
【００３５】
また、ＳＱＵＩＤループ２０１を貫く磁束１５１を制御する第１磁束制御線２０７と、主ループ２０２を貫く磁束１５２を制御する第２磁束制御線２０８とを備える。この例では、第１磁束制御線２０７および第２磁束制御線２０８を、Ｅの字型に構成している。また、これらの各構成は、例えば、熱酸化膜が形成されたシリコンからなる基板２１０の上に形成されている。なお、基板２１０は、例えば、絶縁体化合物結晶であるコランダム（サファイア）を用いて構成してもよい。
【００３６】
ここで、ＳＱＵＩＤループ２０１および主ループ２０２を構成するアルミニウムからなる超伝導配線は、例えば、厚さ９０ｎｍ，幅１μｍ程度に形成されていればよい。また、各ジョセフソン接合は、薄い酸化膜を介して接合しており、加えて、幅０．３μｍ程度に形成されている。これらの配線構造は、よく知られた２方向蒸着法で作製することができる。
【００３７】
この超伝導磁束量子ビット回路においても、第１磁束制御線２０７および第２磁束制御線２０８は、ＳＱＵＩＤループ２０１および主ループ２０２を挟んで配置される。また、第１磁束制御線２０７は、ＳＱＵＩＤループ２０１の側に配置され、第２磁束制御線２０８は、主ループ２０２の側に配置される。また、第２ジョセフソン接合２０４は、上記共有部と第１磁束制御線２０７との間のＳＱＵＩＤループ２０１に配置される。加えて、ＳＱＵＩＤループ２０１に比較して、主ループ２０２を大きな面積に形成している。
【００３８】
この超伝導磁束量子ビット回路は、第１ジョセフソン接合２０３および第２ジョセフソン接合２０４を備えるＳＱＵＩＤループ２０１で、ＳＱＵＩＤを構成している。また、第１ジョセフソン接合２０３，第３ジョセフソン接合２０５，および第４ジョセフソン接合２０６を備える主ループ２０２で、超伝導磁束量子ビット回路の主ループを構成している。
【００３９】
また、この超伝導磁束量子ビット回路は、ＳＱＵＩＤループ２０１および主ループ２０２と、第１磁束制御線２０７および第２磁束制御線２０８との間に、量子ビット状態を読み出すためのＳＱＵＩＤ２０９を備えている。
【００４０】
この超伝導磁束量子ビット回路における相互インダクタンスの設計値は、次のとおりである。
【００４１】
まず、第１磁束制御線２０７とＳＱＵＩＤループ２０１との相互インダクタンスは、８５ｆＨである。また、第１磁束制御線２０７と主ループ２０２との相互インダクタンスは、６４ｆＨである。また、第２磁束制御線２０８とＳＱＵＩＤループ２０１との相互インダクタンスは、１ｆＨである。また、第２磁束制御線２０８と主ループ２０２との相互インダクタンスは、８４ｆＨである。
【００４２】
上記構成の超伝導磁束量子ビット回路において、トンネルエネルギーΔを、ＳＱＵＩＤループ２０１の回路を貫く磁束（Φd）の関数として制御する場合の感度は、｜ｄΔ／ｄΦd｜＝５６．５ＧＨｚ／Φ0（Φd＝１．５Φ0，ｎ＝１）、および３．９６ＧＨｚ／Φ0（Φd＝０．５Φ0，ｎ＝０）であった。実際の制御には、感度の高い｜ｄΔ／ｄΦd｜＝５６．５ＧＨｚ／Φ0（Φd＝１．５Φ0，ｎ＝１）の条件を用いればよい。これらのｎの選択は、超伝導磁束量子ビット回路を構成する超伝導体の超伝導転移温度（アルミニウムの場合には約１．２Ｋ）より十分低温に冷却した状態で可能であり、昇温・冷却の熱サイクルを経る必要はない。
【００４３】
次に、上述した超伝導磁束量子ビット回路の動作結果について説明する。図３は、図２に示した超伝導磁束量子ビット回路の、主ループ２０２を流れる超伝導電流値Ｉpを、ＳＱＵＩＤループ２０１を貫く磁束（Φd）で制御し、主ループ２０２を貫く磁束（Φm）を第２磁束制御線２０８で制御し、この超伝導磁束量子ビット回路のバイアス動作点（ε）を変化させた場合の超伝導磁束量子ビット回路のトンネルエネルギーΔの変化を示す特性図である。
【００４４】
ここで、ε＝２Ｉp（Φt−Φ0（ｎ＋０．５）），ｎ：整数，Φt＝Φm＋０．５Φdである。また、図３の（ａ）は、（Δ，Ｉp）＝（３．２６ＧＨｚ，１６６．８ｎＡ）の場合であり、図３の（ｂ）は、（Δ，Ｉp）＝（５．０５ＧＨｚ，１５５．３ｎＡ）の場合であり、図３の（ｃ）は、（Δ，Ｉp）＝（６．８４ＧＨｚ，１４４．６ｎＡ）の場合である。
【００４５】
トンネルエネルギーΔを変化させ得る速さは、磁束制御線の設計やバンド幅に依存するが、上述した構成では、１．６ｎｓの立ち上がり時間をもつ磁束制御パルスでの制御に成功している。図３に示す結果において、共鳴周波数は、理論式Ｆ＝（ε2＋Δ2）0.5／ｈでよく説明できる。ここで、ε＝２Ｉp（Φt−Φ0（ｎ＋０．５）），ｎ：整数，Φt＝Φm＋０．５Φd，ｈ＝６．６２６×１０-34Ｊｓプランク定数である。
【００４６】
図４は、上述した超伝導磁束量子ビット回路（図２）の、最適バイアス動作点（ε＝０）における量子コヒーレント振動の状態を示す特性図である。広周波数帯域特性を有する第１磁束制御線２０７あるいは第２磁束制御線２０８に、共鳴エネルギー周波数をもつパルス状の振動電流を流すことにより、共鳴周波数のマイクロ波パルスを、ＳＱＵＩＤループ２０１および主ループ２０２に印加している。
【００４７】
図４では、最適バイアス動作点（ε＝０）における超伝導磁束量子ビット回路の量子コヒーレント振動の様子を示している。図４における白丸は、各々２０００回のＳＱＵＩＤスイッチング測定から計算された基底状態測定確率データであり、実線は、振幅が指数関数で減衰する三角関数による理論フィットである。各データは、重ならないように等量だけ上下方向にずらして表示している。
【００４８】
図４より明らかなように、上述した共鳴周波数のマイクロ波パルスの印加の強度に比例して振動数が増大する量子コヒーレント振動（３０〜６０ＭＨｚ）が、観測されている。この振動は、観測された上記の性質から、ラビ（Ｒａｂｉ）振動であると考えられる。量子コヒーレント振動は、数百ｎｓ以上継続することが観測された。
【００４９】
以上の結果、本発明によって、最適磁束バイアス動作点（ε＝０）に留めたまま、超伝導磁束量子ビット回路のトンネルエネルギーΔを高速かつ安定に制御できることが示された。
【００５０】
上述した本発明によれば、個々の磁束制御線をもつ複数の量子ビットを独立に、量子バスに素早く同調および離調させることで、系のコヒーレンス時間内に、より多くの量子ビットを動員した量子演算が可能になるものと考えられる。
【００５１】
さらに、本発明によれば、複数の量子ビットを同時に量子バスに同調させることによって、多くの量子ビットがエンタングルしたクラスター状態などを短時間に（究極的には、１ステップで）生成する方法を使うことが可能となる。多くの量子ビットが、エンタングルしたクラスター状態などを短時間に生成可能な点は、量子情報処理に必須なリソースであるコヒーレンス時間の有効利用という観点からも有利な点である。このようにして生成され得る複数の量子ビットのエンタングル状態は、量子計算の新たな手法になり得ると考えられる。
【００５２】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、超伝導配線は、アルミニウムに限るものではなく、超伝導性を示す他の材料から構成してもよい。また、弱結合は、ジョセフソン接合に限るものではなく、例えば、よく知られた ポイントコンタクト、あるいは、ナノメートルサイズのブリッジなどであってもよい。これらを含むウィークリンク（weak-link）より適切に選択されたものであればよい。例えば、弱結合は、収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工などを用いて作製したくびれ部で構成することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１０１…第１ループ、１０２…第２ループ、１０３…第１弱結合、１０４…第２弱結合、１０５…第３弱結合、１０６…第４弱結合、１０７…第１磁束制御線、１０８…第２磁束制御線、１２１…第１の辺、１２２…第２の辺、１２３…第３の辺、１２４…第４の辺、１２５…第５の辺、１２６…第６の辺、１２７…第７の辺、１５１…磁束、１５２…磁束。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジョセフソン接合などの弱結合を含む超伝導回路により構成された超伝導磁束量子ビット回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
量子コンピュータにおける基本要素となる量子ビットとして、超伝導磁束量子ビットがある。超伝導磁束量子ビットは、超伝導体を使っており、超伝導ギャップの存在のため環境の影響を受けにくいと考えられている。また、同じく超伝導体を使った電荷量子ビットに比較し、磁束のノイズは電荷のノイズに比べて少ないので、この点においても超伝導磁束量子ビットは有利である。
【０００３】
このような超伝導磁束量子ビットとして、ジョセフソン接合を用いた超伝導ループから構成された素子（超伝導磁束量子ビット回路）がある（非特許文献１参照）。非特許文献１では、３つのジョセフソン接合を含む超伝導磁束量子ビットと、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）とを含む超伝導磁束転送器により、量子ビット間の量子もつれ状態を制御することについて示されている。
【０００４】
この系を特徴づけるエネルギーには、次の２つがある。まず、超伝導ループを時計廻りに流れる超伝導永久電流状態｜Ｒ＞と、超伝導ループを反時計廻りに流れる超伝導永久電流状態｜Ｌ＞との間のエネルギー差εがある。また、上述した｜Ｒ＞および｜Ｌ＞の状態間の量子トンネリングに起因するエネルギー分裂Δがある。以下では、エネルギー分裂Δについては、トンネルエネルギーΔと称する。
【０００５】
なお、第二励起状態以上の高励起状態からエネルギー的に離れることで、超伝導磁束量子ビットが良い近似で量子二準位系（量子ビット）とみなせるのは、ジョセフソン接合を複数個（通常３個または４個）含むループを貫く磁束（Φm）が、Φm＝（ｎ＋１／２）Φ0条件の磁束量子Φ0の千分の１程度近傍にあるときである。なお、Φ0＝ｈ／（２ｅ）＝２．０６７８×１０-15Ｗｂである。また、ｎは整数である。
【０００６】
上述した２つのエネルギーのうち、エネルギー差εを制御するには、超伝導ループを貫く磁束Φmを変化させればよいことが知られている。ここで、ε＝０から離れるほど、エネルギー差εがループを貫く磁束Φmの急峻な関数となるため、磁束のゆらぎに起因する量子ビットレベル間のエネルギー差のゆらぎ（すなわちデコヒーレンス）が激しくなる。従って、エネルギー差εが０から離れることは、量子素子としての重要な指標であるコヒーレンス時間の激減を意味する。
【０００７】
超伝導磁束量子ビットに普遍的に存在することが知られている磁束ゆらぎに起因するデコヒーレンスが極小となるのは、ε＝０となるΦm＝（ｎ＋１／２）Φ0の場合である。しかし、この場合、今度は量子ビットのエネルギーがトンネルエネルギーΔに固定されてしまい、複数の量子ビット間の演算で必須となる量子バスとの結合が、エネルギー的に不利である。
【０００８】
ここで、超伝導磁束量子ビットの回路においては、例えば伝送線路共振器などで構成される量子バスが用いられる。このような量子バスと超伝導磁束量子ビットとを結合させるためには、超伝導磁束量子ビットのエネルギーを、量子バスとのエネルギー共鳴点まで移動させることになる。この超伝導磁束量子ビットのエネルギーの移動は、超伝導ループを貫く磁束Φmを変化させ、エネルギー差εを増加させることによって行う。しかしながら、この方法では、ε＝０から離れるほどデコヒーレンスが激しくなるため、量子ビットの数が増えるほど量子バスを介した全系のコヒーレンス時間も短くなってしまうという問題を克服する必要があることが、当該分野では広く認識されてきた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】J.E.Mooij, T.P.Orlando,L.Levitov, Lin Tian, Casper H. van der Wal, Seth Lloyd, "Josephson Persistent-Current Qubit" Science, vol.285, pp.1036-1039, 1999.
【非特許文献２】F.G.Paauw, A.Fedorov, C.J.P.M Harmans, and J.E.Mooij, "Tuning the Gap of a Superconducting Flux Qubit", Physical Review Letters, vol.102, 090501, 2009.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
非特許文献１の技術では、エネルギー差εおよびトンネルエネルギー（エネルギー分裂）Δは、インダクタンス制御線を適切に設けることで、原理的には、独立に制御可能であると指摘されている。しかしながら、コヒーレンス時間の観点から、最も有利な最適磁束バイアス動作点に留めた状態で、現実の量子ビットデバイスのトンネルエネルギーΔを高速かつ安定に制御可能にするための実行可能な具体的な構成は、明らかにされていない。このため、超伝導磁束量子ビットに基づく量子バスの設計にとって非常に重要な上述したコヒーレンス時間が短くなるという問題は、１０年以上に亘って未解決のままである。
【００１１】
例えば、非特許文献１の超伝導磁束量子ビット回路では、図５に示すように、２つのジョセフソン接合を含むＳＱＵＩＤループ５０１と、３個のジョセフソン接合を含む主ループ５０２との、２つの超伝導ループによって構成されている。この超伝導磁束量子ビット回路は、４接合回路となっている。図５において、「×」がジョセフソン接合を示している。
【００１２】
また、ＳＱＵＩＤループ５０１の上に磁束制御線５０３が設置され、主ループ５０２の上に磁束制御線５０４が設置されている。磁束制御線５０３は、面積を二分するようＳＱＵＩＤループ５０１の中央部を通るように設置されている。また、磁束制御線５０３および磁束制御線５０４は、ＳＱＵＩＤループ５０１および主ループ５０２の上に、絶縁層（不図示）を介して形成されている。ここで、主ループ５０２とＳＱＵＩＤループ５０１の囲む面積は、各々等しく設定されている。
【００１３】
この超伝導磁束量子ビット回路では、磁束制御線５０３を流れる電流の作る磁場は、主ループ５０２の磁束のみを制御し、ＳＱＵＩＤループ５０１には影響を与えない。また、磁束制御線５０４も、実効的にＳＱＵＩＤループ５０１のみに影響し、主ループ５０２には影響を与えない設計となっている。実際には、磁束制御線５０４を流れる電流の作る磁場は、双方のループと結合する。しかしながら、この４接合回路は、３接合量子ビット回路の最小のジョセフソン接合をＳＱＵＩＤループ５０１に置き換えた構造をとっているので、主ループ５０２の中央からずれた位置に磁束制御線５０４が設置されていれば、磁束制御線５０４を流れる電流の作る磁場は、実効的にＳＱＵＩＤループ５０１のみに影響し、主ループ５０２には影響を与えない構成とすることができる。
【００１４】
しかしながら、上述した超伝導磁束量子ビット回路では、磁束制御線５０３および磁束制御線５０４の位置の小さな設置誤差により、磁束制御線５０３が主ループ５０２のみを制御し、磁束制御線５０４がＳＱＵＩＤループ５０１のみを制御する状況が崩されてしまう。この場合、超伝導磁束量子ビット回路の磁束バイアス動作点εが、最適磁束バイアスであるε＝０からずれる可能性がある。
【００１５】
また、上述した超伝導磁束量子ビット回路では、絶縁層を用いる多層構造となっているため、構造が複雑となり、素子の作製を困難なものとしている。例えば、絶縁層はより薄く形成することが要求されるため、上下の層間で絶縁分離が完全に成されていない部分が形成される場合が発生する。さらに、外部電流源に接続される磁束制御線が各ループの直上に配置されているために、量子ビットが様々なノイズと強く結合し、デコヒーレンスの影響を強く受ける設計であるといわざるを得ない。このため、この超伝導磁束量子ビット回路では、最適磁束バイアス動作点（ε＝０）に留めたまま、量子ビットのトンネルエネルギーΔを高速かつ安定に制御することは難しい。
【００１６】
上述したノイズの影響に対応した典型的なグラジオメータ型の超伝導磁束量子ビット回路が提案されている（非特許文献２参照）。この超伝導磁束量子ビット回路は、図６に示すように、１辺を共有する２つの主ループ６０１および主ループ６０２と、共有する辺に配置された２つのジョセフソン接合と、主ループ６０１および主ループ６０２の共有部に設けられたＳＱＵＩＤループ６０３と、磁束制御線６０４と、磁束制御線６０５とを備える。この構造は、８の字構造のグラジオメータ型の一辺を共有する２つの主ループの共有する辺に配置される３つのジョセフソン接合の中で、一番小さなジョセフソン接合を、ＳＱＵＩＤに置き換えたものである。なお、図６において、「×」がジョセフソン接合を示している。
【００１７】
この超伝導磁束量子ビット回路は、グラジオメータ型であるために、一様な磁場ノイズの影響を受けないように設計されている。しかしながら、この超伝導磁束量子ビット回路では、主ループ６０１，６０２を貫く磁束（Φm）の関数として超伝導磁束量子ビット回路の磁束バイアス動作点がε＝０となるΦm＝（ｎ＋１／２）Φ0のｎを選択する自由度を奪っている。このため、この超伝導磁束量子ビット回路では、システム全体を設計する場合の自由度が失われている。
【００１８】
有限の磁場下でこの超伝導磁束量子ビット回路を冷却する方法をとれば、実効的にｎを選択できるが、超伝導状態とした低温のままｎを変えることができない。ｎを変えるには、一度装置全体を昇温して磁場を変えた後、再度、有限の磁場下で回路を冷却する必要がある。このような昇温・冷却の熱サイクルは、素子の劣化の原因となり得る。このｎの自由度は、例えば、量子ビットのトンネルエネルギーΔを、ＳＱＵＩＤループ６０３を貫く磁束（Φd）の関数として制御する場合の感度（｜ｄΔ／ｄΦd｜）に直結した自由度である。従って、ｎが自由に変更できない状態では、回路全体としてのパフォーマンスを最大化する場合の障害となる。このように、非特許文献２による超伝導磁束量子ビット回路でも、最適磁束バイアス動作点（ε＝０）に留めたまま、量子ビットのトンネルエネルギーΔを高速かつ安定に制御することは難しい。
【００１９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、コヒーレンス時間の観点から最も有利な最適磁束バイアス動作点に留めたまま、超伝導磁束量子ビット回路における超伝導磁束量子ビットのトンネルエネルギーを高速かつ安定に制御できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明に係る超伝導磁束量子ビット回路は、超伝導配線からなる第１ループと、超伝導配線からなり第１ループと一部を共有する第２ループと、第１ループと第２ループとの共有部に設けられた第１弱結合と、第１ループの共有部以外に設けられた第２弱結合と、第２ループの共有部以外に設けられた第３弱結合および第４弱結合と、第１ループを貫く磁束を制御する第１磁束制御線と、第２ループを貫く磁束を制御する第２磁束制御線とを少なくとも備え、第１磁束制御線および第２磁束制御線は、第１ループおよび第２ループを挟んで配置され、第１磁束制御線は、第１ループの側に配置され、第２磁束制御線は、第２ループの側に配置され、第２弱結合は、共有部と第１磁束制御線との間の第１ループに配置され、第１ループに比較して第２ループは大きな面積に形成されている。
【００２１】
上記超伝導磁束量子ビット回路において、第１ループは、第１の辺，第２の辺，第３の辺，および第４の辺が、この順に接続された矩形とされ、第２ループは、共有部となる第１の辺，第５の辺，第６の辺，および第７の辺が、この順に接続された矩形とされ、第２弱結合は、第３の辺に配置され、第１磁束制御線は、第３の辺に対向して配置され、第２磁束制御線は、第６の辺に対向して配置されていればよい。
【００２２】
また、超伝導磁束量子ビット回路において、第１ループにより超伝導磁束量子干渉計が構成されている。また、第１弱結合，第２弱結合，第３弱結合，および第４弱結合は、トンネル絶縁層を介して接続するジョセフソン接合, ポイントコンタクト、あるいは、ナノメートルサイズのブリッジなどを含むウィークリンク（weak-link）であればよい。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、第１ループに比較して第２ループは大きな面積に形成されているようにしたので、超伝導磁束量子ビット回路における超伝導磁束量子ビットのトンネルエネルギーが、高速かつ安定に制御できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における超伝導磁束量子ビット回路の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本実施の形態における超伝導磁束量子ビット回路の超伝導配線をアルミニウムから構成した場合の構成を示す平面図である。
【図３】図３は、図２に示した超伝導磁束量子ビット回路の、主ループ２０２を流れる超伝導電流値Ｉpを、ＳＱＵＩＤループ２０１を貫く磁束（Φd）で制御し、主ループ２０２を貫く磁束（Φm）を第２磁束制御線２０８で制御し、この超伝導磁束量子ビット回路のバイアス動作点（ε）を変化させた場合の超伝導磁束量子ビット回路のトンネルエネルギーΔの変化を示す特性図である。
【図４】図４は、図２を用いて説明した超伝導磁束量子ビット回路の、最適バイアス動作点（ε＝０）における量子コヒーレント振動の状態を示す特性図である。
【図５】図５は、非特許文献１に開示されている超伝導磁束量子ビット回路の構成を示す構成図である。
【図６】図６は、非特許文献２に開示されている超伝導磁束量子ビット回路の構成を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における超伝導磁束量子ビット回路の構成を示す構成図である。この超伝導磁束量子ビット回路は、超伝導配線からなる第１ループ１０１と、超伝導配線からなり第１ループ１０１と一部を共有する第２ループ１０２と、第１ループ１０１と第２ループ１０２との共有部に設けられた第１弱結合１０３と、第１ループ１０１の共有部以外に設けられた第２弱結合１０４と、第２ループ１０２の共有部以外に設けられた第３弱結合１０５および第４弱結合１０６と、第１ループ１０１を貫く磁束１５１を制御する第１磁束制御線１０７と、第２ループ１０２を貫く磁束１５２を制御する第２磁束制御線１０８とを備える。第１磁束制御線１０７および第２磁束制御線１０８は、第１ループ１０１および第２ループ１０２と重ならないように、離れた位置に配置されている。
【００２６】
また、第１磁束制御線１０７および第２磁束制御線１０８は、第１ループ１０１および第２ループ１０２を挟んで配置されている。また、第１磁束制御線１０７は、第１ループ１０１の側に配置され、第２磁束制御線１０８は、第２ループ１０２の側に配置されている。また、第２弱結合１０４は、上記共有部と第１磁束制御線１０７との間の第１ループ１０１に配置されている。
【００２７】
加えて、第１ループ１０１に比較して第２ループ１０２は、大きな面積に形成されている。ここでいう面積は、第１ループ１０１で囲われた領域の面積および第２ループ１０２で囲われた領域の面積である。ここで、図１では、第２ループ１０２および第１磁束制御線１０７の間隔に対して第１ループ１０１および第２磁束制御線１０８の間隔の方が広い状態を示しているが、これに限るものではない。例えば、第２ループ１０２および第１磁束制御線１０７の間隔と第１ループ１０１および第２磁束制御線１０８の間隔とが等しい状態で、第１ループ１０１に比較して第２ループ１０２が、大きな面積に形成されていてもよい。
【００２８】
この超伝導磁束量子ビット回路は、第１弱結合１０３および第２弱結合１０４を備える第１ループ１０１で超伝導磁束量子ビット回路の一部であるＳＱＵＩＤ（超伝導磁束量子干渉計）を構成し、第１弱結合１０３，第３弱結合１０５，および第４弱結合１０６を備える第２ループ１０２で超伝導磁束量子ビット回路の主ループを構成している。なお、各弱結合部は、ここを境に、ループを流れる超伝導電流の位相が変化するものとなっていればよい。
【００２９】
図１に示す例では、まず、第１ループ１０１は、第１の辺１２１，第２の辺１２２，第３の辺１２３，および第４の辺１２４が、この順に接続する矩形としている。また、第２ループ１０２は、第１ループ１０１と共有する第１の辺１２１，第５の辺１２５，第６の辺１２６，および第７の辺１２７が、この順に接続する矩形としている。また、第２弱結合１０４は、第３の辺１２３に配置している。また、第１磁束制御線１０７は、第３の辺１２３に対向して配置し、第２磁束制御線１０８は、第６の辺１２６に対向して配置している。
【００３０】
また、第２ループ１０２が囲う面積は、第１ループ１０１が囲う面積よりも大きくされている。なお、第１磁束制御線１０７は、主に第１ループ１０１を貫く磁束１５１を制御し、第２磁束制御線１０８は、主に第２ループ１０２を貫く磁束１５２を制御するものである。上述は、同一の平面上における構成である。
【００３１】
上述した構成とした本実施の形態における超伝導磁束量子ビット回路において、各磁束制御線と各超伝導磁束量子ビットとの相互インダクタンスに関しては、回路設計段階で、第２磁束制御線１０８を流れる電流の作る磁場は、第２ループ１０２の磁束１５２のみを制御し、第１ループ１０１にはほとんど影響を与えない方針のもとに回路パタンを設計し、超伝導磁束量子ビット回路を製作する。本実施の形態によれば、第１ループ１０１に比較して第２ループ１０２は大きな面積とすることで、上述した相互インダクタンスの関係が得られるようにしている。第１磁束制御線１０７と第２磁束制御線１０８に流す電流は、任意の値に設定可能であり、磁束１５２のΦm＝（ｎ＋１／２）Φ0のｎを選択する自由度は残されている。
【００３２】
ここで、第１ループ１０１および第２ループ１０２は、超伝導材料からなる配線で形成すればよい。また、第１弱結合１０３，第２弱結合１０４，第３弱結合１０５，および第４弱結合１０６は、トンネル接合部によるジョセフソン接合から形成することができる。また、これらの弱結合は、収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工などで作製した、他の領域の超伝導配線より細くされた部分で構成してもよい。
【００３３】
本実施の形態によれば、第１ループ１０１に比較して第２ループ１０２は大きな面積に形成しているので、第２磁束制御線１０８を流れる電流の作る磁場が、第１ループ１０１にはほとんど影響を与えないようにすることができる。この結果、｜Ｒ＞と｜Ｌ＞との間のエネルギー差εを０に留めた状態で、トンネルエネルギーΔを高速かつ安定に制御することができるようになる。なお、第１磁束制御線１０７および第２磁束制御線１０８を流れる電流を時間的に独立に変化させ、これによりＳＱＵＩＤ閉回路を構成している第１ループ１０１を貫く磁束１５１および第２ループ１０２を貫く磁束１５２を、各々独立に時間的に変化させることで、量子準位間のトンネルエネルギーΔが調節可能となる。
【００３４】
次に、本実施の形態における超伝導磁束量子ビット回路について、図２を用いてより詳細に説明する。図２は、本実施の形態における超伝導磁束量子ビット回路の超伝導配線をアルミニウムから構成した場合の構成を示す平面図である。この超伝導磁束量子ビット回路は、アルミニウムからなる超伝導配線より構成されたＳＱＵＩＤ（第１ループ）２０１と、アルミニウムの超伝導配線からなりＳＱＵＩＤループ２０１と一部を共有する主ループ（第２ループ）２０２と、ＳＱＵＩＤループ２０１と主ループ２０２との共有部に設けられた第１ジョセフソン接合（第１弱結合）２０３と、ＳＱＵＩＤループ２０１の共有部以外に設けられた第２ジョセフソン接合（第２弱結合）２０４と、主ループ２０２に共有部以外に設けられた第３ジョセフソン接合（第３弱結合）２０５および第４ジョセフソン接合（第４弱結合）２０６とを備える。
【００３５】
また、ＳＱＵＩＤループ２０１を貫く磁束１５１を制御する第１磁束制御線２０７と、主ループ２０２を貫く磁束１５２を制御する第２磁束制御線２０８とを備える。この例では、第１磁束制御線２０７および第２磁束制御線２０８を、Ｅの字型に構成している。また、これらの各構成は、例えば、熱酸化膜が形成されたシリコンからなる基板２１０の上に形成されている。なお、基板２１０は、例えば、絶縁体化合物結晶であるコランダム（サファイア）を用いて構成してもよい。
【００３６】
ここで、ＳＱＵＩＤループ２０１および主ループ２０２を構成するアルミニウムからなる超伝導配線は、例えば、厚さ９０ｎｍ，幅１μｍ程度に形成されていればよい。また、各ジョセフソン接合は、薄い酸化膜を介して接合しており、加えて、幅０．３μｍ程度に形成されている。これらの配線構造は、よく知られた２方向蒸着法で作製することができる。
【００３７】
この超伝導磁束量子ビット回路においても、第１磁束制御線２０７および第２磁束制御線２０８は、ＳＱＵＩＤループ２０１および主ループ２０２を挟んで配置される。また、第１磁束制御線２０７は、ＳＱＵＩＤループ２０１の側に配置され、第２磁束制御線２０８は、主ループ２０２の側に配置される。また、第２ジョセフソン接合２０４は、上記共有部と第１磁束制御線２０７との間のＳＱＵＩＤループ２０１に配置される。加えて、ＳＱＵＩＤループ２０１に比較して、主ループ２０２を大きな面積に形成している。
【００３８】
この超伝導磁束量子ビット回路は、第１ジョセフソン接合２０３および第２ジョセフソン接合２０４を備えるＳＱＵＩＤループ２０１で、ＳＱＵＩＤを構成している。また、第１ジョセフソン接合２０３，第３ジョセフソン接合２０５，および第４ジョセフソン接合２０６を備える主ループ２０２で、超伝導磁束量子ビット回路の主ループを構成している。
【００３９】
また、この超伝導磁束量子ビット回路は、ＳＱＵＩＤループ２０１および主ループ２０２と、第１磁束制御線２０７および第２磁束制御線２０８との間に、量子ビット状態を読み出すためのＳＱＵＩＤ２０９を備えている。
【００４０】
この超伝導磁束量子ビット回路における相互インダクタンスの設計値は、次のとおりである。
【００４１】
まず、第１磁束制御線２０７とＳＱＵＩＤループ２０１との相互インダクタンスは、８５ｆＨである。また、第１磁束制御線２０７と主ループ２０２との相互インダクタンスは、６４ｆＨである。また、第２磁束制御線２０８とＳＱＵＩＤループ２０１との相互インダクタンスは、１ｆＨである。また、第２磁束制御線２０８と主ループ２０２との相互インダクタンスは、８４ｆＨである。
【００４２】
上記構成の超伝導磁束量子ビット回路において、トンネルエネルギーΔを、ＳＱＵＩＤループ２０１の回路を貫く磁束（Φd）の関数として制御する場合の感度は、｜ｄΔ／ｄΦd｜＝５６．５ＧＨｚ／Φ0（Φd＝１．５Φ0，ｎ＝１）、および３．９６ＧＨｚ／Φ0（Φd＝０．５Φ0，ｎ＝０）であった。実際の制御には、感度の高い｜ｄΔ／ｄΦd｜＝５６．５ＧＨｚ／Φ0（Φd＝１．５Φ0，ｎ＝１）の条件を用いればよい。これらのｎの選択は、超伝導磁束量子ビット回路を構成する超伝導体の超伝導転移温度（アルミニウムの場合には約１．２Ｋ）より十分低温に冷却した状態で可能であり、昇温・冷却の熱サイクルを経る必要はない。
【００４３】
次に、上述した超伝導磁束量子ビット回路の動作結果について説明する。図３は、図２に示した超伝導磁束量子ビット回路の、主ループ２０２を流れる超伝導電流値Ｉpを、ＳＱＵＩＤループ２０１を貫く磁束（Φd）で制御し、主ループ２０２を貫く磁束（Φm）を第２磁束制御線２０８で制御し、この超伝導磁束量子ビット回路のバイアス動作点（ε）を変化させた場合の超伝導磁束量子ビット回路のトンネルエネルギーΔの変化を示す特性図である。
【００４４】
ここで、ε＝２Ｉp（Φt−Φ0（ｎ＋０．５）），ｎ：整数，Φt＝Φm＋０．５Φdである。また、図３の（ａ）は、（Δ，Ｉp）＝（３．２６ＧＨｚ，１６６．８ｎＡ）の場合であり、図３の（ｂ）は、（Δ，Ｉp）＝（５．０５ＧＨｚ，１５５．３ｎＡ）の場合であり、図３の（ｃ）は、（Δ，Ｉp）＝（６．８４ＧＨｚ，１４４．６ｎＡ）の場合である。
【００４５】
トンネルエネルギーΔを変化させ得る速さは、磁束制御線の設計やバンド幅に依存するが、上述した構成では、１．６ｎｓの立ち上がり時間をもつ磁束制御パルスでの制御に成功している。図３に示す結果において、共鳴周波数は、理論式Ｆ＝（ε2＋Δ2）0.5／ｈでよく説明できる。ここで、ε＝２Ｉp（Φt−Φ0（ｎ＋０．５）），ｎ：整数，Φt＝Φm＋０．５Φd，ｈ＝６．６２６×１０-34Ｊｓプランク定数である。
【００４６】
図４は、上述した超伝導磁束量子ビット回路（図２）の、最適バイアス動作点（ε＝０）における量子コヒーレント振動の状態を示す特性図である。広周波数帯域特性を有する第１磁束制御線２０７あるいは第２磁束制御線２０８に、共鳴エネルギー周波数をもつパルス状の振動電流を流すことにより、共鳴周波数のマイクロ波パルスを、ＳＱＵＩＤループ２０１および主ループ２０２に印加している。
【００４７】
図４では、最適バイアス動作点（ε＝０）における超伝導磁束量子ビット回路の量子コヒーレント振動の様子を示している。図４における白丸は、各々２０００回のＳＱＵＩＤスイッチング測定から計算された基底状態測定確率データであり、実線は、振幅が指数関数で減衰する三角関数による理論フィットである。各データは、重ならないように等量だけ上下方向にずらして表示している。
【００４８】
図４より明らかなように、上述した共鳴周波数のマイクロ波パルスの印加の強度に比例して振動数が増大する量子コヒーレント振動（３０〜６０ＭＨｚ）が、観測されている。この振動は、観測された上記の性質から、ラビ（Ｒａｂｉ）振動であると考えられる。量子コヒーレント振動は、数百ｎｓ以上継続することが観測された。
【００４９】
以上の結果、本発明によって、最適磁束バイアス動作点（ε＝０）に留めたまま、超伝導磁束量子ビット回路のトンネルエネルギーΔを高速かつ安定に制御できることが示された。
【００５０】
上述した本発明によれば、個々の磁束制御線をもつ複数の量子ビットを独立に、量子バスに素早く同調および離調させることで、系のコヒーレンス時間内に、より多くの量子ビットを動員した量子演算が可能になるものと考えられる。
【００５１】
さらに、本発明によれば、複数の量子ビットを同時に量子バスに同調させることによって、多くの量子ビットがエンタングルしたクラスター状態などを短時間に（究極的には、１ステップで）生成する方法を使うことが可能となる。多くの量子ビットが、エンタングルしたクラスター状態などを短時間に生成可能な点は、量子情報処理に必須なリソースであるコヒーレンス時間の有効利用という観点からも有利な点である。このようにして生成され得る複数の量子ビットのエンタングル状態は、量子計算の新たな手法になり得ると考えられる。
【００５２】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形が実施可能であることは明白である。例えば、超伝導配線は、アルミニウムに限るものではなく、超伝導性を示す他の材料から構成してもよい。また、弱結合は、ジョセフソン接合に限るものではなく、例えば、よく知られた ポイントコンタクト、あるいは、ナノメートルサイズのブリッジなどであってもよい。これらを含むウィークリンク（weak-link）より適切に選択されたものであればよい。例えば、弱結合は、収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工などを用いて作製したくびれ部で構成することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１０１…第１ループ、１０２…第２ループ、１０３…第１弱結合、１０４…第２弱結合、１０５…第３弱結合、１０６…第４弱結合、１０７…第１磁束制御線、１０８…第２磁束制御線、１２１…第１の辺、１２２…第２の辺、１２３…第３の辺、１２４…第４の辺、１２５…第５の辺、１２６…第６の辺、１２７…第７の辺、１５１…磁束、１５２…磁束。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導配線からなる第１ループと、
超伝導配線からなり前記第１ループと一部を共有する第２ループと、
前記第１ループと前記第２ループとの共有部に設けられた第１弱結合と、
前記第１ループの前記共有部以外に設けられた第２弱結合と、
前記第２ループの前記共有部以外に設けられた第３弱結合および第４弱結合と、
前記第１ループを貫く磁束を制御する第１磁束制御線と、
前記第２ループを貫く磁束を制御する第２磁束制御線と
を少なくとも備え、
前記第１磁束制御線および前記第２磁束制御線は、前記第１ループおよび前記第２ループを挟んで配置され、
前記第１磁束制御線は、前記第１ループの側に配置され、
前記第２磁束制御線は、前記第２ループの側に配置され、
前記第２弱結合は、前記共有部と前記第１磁束制御線との間の前記第１ループに配置され、
前記第１ループに比較して前記第２ループは大きな面積に形成されている
ことを特徴とする超伝導磁束量子ビット回路。
【請求項２】
請求項１記載の超伝導磁束量子ビット回路において、
前記第１ループは、第１の辺，第２の辺，第３の辺，および第４の辺が、この順に接続された矩形とされ、
前記第２ループは、前記共有部となる前記第１の辺，第５の辺，第６の辺，および第７の辺が、この順に接続された矩形とされ、
前記第２弱結合は、前記第３の辺に配置され、
前記第１磁束制御線は、前記第３の辺に対向して配置され、
前記第２磁束制御線は、前記第６の辺に対向して配置されている
ことを特徴とする超伝導磁束量子ビット回路。
【請求項３】
請求項１または２記載の超伝導磁束量子ビット回路において、
前記第１ループにより超伝導磁束量子干渉計が構成されていることを特徴とする超伝導磁束量子ビット回路。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の超伝導磁束量子ビット回路において、
前記第１弱結合，前記第２弱結合，前記第３弱結合，および第４弱結合は、トンネル絶縁層を介して接続するジョセフソン接合，ポイントコンタクト，およびナノメートルサイズのブリッジを含むウイークリンクであることを特徴とする超伝導磁束量子ビット回路。
【請求項１】
超伝導配線からなる第１ループと、
超伝導配線からなり前記第１ループと一部を共有する第２ループと、
前記第１ループと前記第２ループとの共有部に設けられた第１弱結合と、
前記第１ループの前記共有部以外に設けられた第２弱結合と、
前記第２ループの前記共有部以外に設けられた第３弱結合および第４弱結合と、
前記第１ループを貫く磁束を制御する第１磁束制御線と、
前記第２ループを貫く磁束を制御する第２磁束制御線と
を少なくとも備え、
前記第１磁束制御線および前記第２磁束制御線は、前記第１ループおよび前記第２ループを挟んで配置され、
前記第１磁束制御線は、前記第１ループの側に配置され、
前記第２磁束制御線は、前記第２ループの側に配置され、
前記第２弱結合は、前記共有部と前記第１磁束制御線との間の前記第１ループに配置され、
前記第１ループに比較して前記第２ループは大きな面積に形成されている
ことを特徴とする超伝導磁束量子ビット回路。
【請求項２】
請求項１記載の超伝導磁束量子ビット回路において、
前記第１ループは、第１の辺，第２の辺，第３の辺，および第４の辺が、この順に接続された矩形とされ、
前記第２ループは、前記共有部となる前記第１の辺，第５の辺，第６の辺，および第７の辺が、この順に接続された矩形とされ、
前記第２弱結合は、前記第３の辺に配置され、
前記第１磁束制御線は、前記第３の辺に対向して配置され、
前記第２磁束制御線は、前記第６の辺に対向して配置されている
ことを特徴とする超伝導磁束量子ビット回路。
【請求項３】
請求項１または２記載の超伝導磁束量子ビット回路において、
前記第１ループにより超伝導磁束量子干渉計が構成されていることを特徴とする超伝導磁束量子ビット回路。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の超伝導磁束量子ビット回路において、
前記第１弱結合，前記第２弱結合，前記第３弱結合，および第４弱結合は、トンネル絶縁層を介して接続するジョセフソン接合，ポイントコンタクト，およびナノメートルサイズのブリッジを含むウイークリンクであることを特徴とする超伝導磁束量子ビット回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１５８７８（Ｐ２０１２−１５８７８Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５１７２０（Ｐ２０１０−１５１７２０）
【出願日】平成２２年７月２日（２０１０．７．２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２２年３月１日 社団法人日本物理学会発行の「日本物理学会講演概要集 第６５巻第１号第４分冊 第６５回年次大会」に発表
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２日（２０１０．７．２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２２年３月１日 社団法人日本物理学会発行の「日本物理学会講演概要集 第６５巻第１号第４分冊 第６５回年次大会」に発表
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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