超伝導量子ビット素子及びそれを用いた集積回路
【課題】量子ビット素子から大きな信号を得ることができる、超伝導量子ビット素子及びそれを用いた集積回路を提供する。
【解決手段】超伝導量子ビット素子１は、超伝導量子ビット部２と超伝導量子ビット部に接続された量子ビット読出部３とを備え、超伝導量子ビット部２は３つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、量子ビット読出部３は、２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、量子ビット読出部３のジョセフソン接合の１つ２ｄを、超伝導量子ビット部３のジョセフソン接合の１つと共用できる。量子ビット読出部３は、量子ビットからの十分に大きな磁束信号を得ることができるため、ノイズが大きい環境でも量子ビットの信号を正確に読み出し得る。従来に比較して、必要なジョセフソン接合の個数を１個減らすことができるので、製作が容易となる。
【解決手段】超伝導量子ビット素子１は、超伝導量子ビット部２と超伝導量子ビット部に接続された量子ビット読出部３とを備え、超伝導量子ビット部２は３つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、量子ビット読出部３は、２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、量子ビット読出部３のジョセフソン接合の１つ２ｄを、超伝導量子ビット部３のジョセフソン接合の１つと共用できる。量子ビット読出部３は、量子ビットからの十分に大きな磁束信号を得ることができるため、ノイズが大きい環境でも量子ビットの信号を正確に読み出し得る。従来に比較して、必要なジョセフソン接合の個数を１個減らすことができるので、製作が容易となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子計算機に用いることができる超伝導量子ビット素子に係り、特に大きな信号が得られるような量子ビット読出部を備えた超伝導量子ビット素子及びそれを用いた集積回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子コンピュータでは、状態の重ね合わせが可能であるため古典的コンピュータで行うことのできない演算が可能である。理論的には複数の入力を備えた計算を行うことができ、この種の演算のために、量子コンピュータには、重ね合わせ状態の生成の機能が不可欠な機能である。
【０００３】
量子ビット素子とは、量子コンピュータの構成要素である。これにはいろいろな種類のものがある。例えば、特許文献１及び２に開示されている量子ビット素子は、磁束量子ビットと呼ばれる素子であり、３個のジョセフソン接合をもつ超伝導ループである。量子ビット素子で生成される磁束信号は、超伝導量子干渉素子（ＤＣ−ＳＱＵＩＤ）によって読み出される。従来は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤを量子ビット素子に接近させて作り、磁束信号を読み出す方法が採用されていた。
【０００４】
非特許文献１には、ＤＣ−ＳＱＵＩＤを量子ビット素子に接近させて作り、量子ビットの信号を観測したことが報告されている。図５は、非特許文献１で報告されたＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流を示す図である。図５において、縦軸はＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流であり、横軸は量子ビットに与えられた外部磁束であり、外部から印加した磁場に比例している。挿入図は外部磁束を広い範囲で示したもので、この一部を拡大すると、量子ビットの信号が小さなステップとして観測されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２６００２５号公報
【特許文献２】特開２００５−３０２８４７号公報
【非特許文献１】Caspar H. van der Wal, A. C. J. ter Haar, F. K. Wilhelm, R. N. Schouten, C. J. P. M. Harmans, T. P. Orlando, Seth Lloyd and J.E. Mooij: Science, Vol.290, pp.773-777, 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の量子ビット素子に接近させて形成したＤＣ−ＳＱＵＩＤから磁束信号を読み出す方法は、量子ビットとＤＣ−ＳＱＵＩＤの間の相互インダクタンスが小さいため、得られる磁束信号は微弱であるという課題があった。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑み、量子ビット素子から大きな信号を得ることができる、超伝導量子ビット素子及びそれを用いた集積回路を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の超伝導量子ビット素子は、超伝導量子ビット部と超伝導量子ビット部に接続された量子ビット読出部とを備え、超伝導量子ビット部は３つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、量子ビット読出部は、２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、量子ビット読出部のジョセフソン接合の１つが、超伝導量子ビット部のジョセフソン接合の１つと共用するように構成されていることを特徴とする。
上記構成によれば、量子ビット読出部が超伝導量子ビット部のジョセフソン接合の１つを共通としたＤＣ−ＳＱＵＩＤから構成されるので、超伝導量子ビット部で生成される磁束信号を高感度で検出することができる。
【０００９】
上記構成において、超伝導量子ビット部及び量子ビット読出部は、好ましくは、ループ状の細線からなり、細線の内、共用されるジョセフソン接合が形成される細線部が共用部として構成されている。
量子ビット読出部のループ内の磁束は、好ましくは、読み出し時に磁束量子の半整数又は整数倍以外の値に制御される。
上記構成によれば、超伝導量子ビット部と量子ビット読出部との相互インダクタンスを大きくすることができ、超伝導量子ビット部で生成される磁束信号を高感度で検出することができる。
【００１０】
本発明の集積回路は、複数の超伝導量子ビット素子から構成され、超伝導量子ビット素子のそれぞれが超伝導量子ビット部と超伝導量子ビット部に接続される量子ビット読出部とを備え、超伝導量子ビット部は、３つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、量子ビット読出部は、２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、量子ビット読出部のジョセフソン接合の１つが超伝導量子ビット部のジョセフソン接合の１つと共用するように構成されていることを特徴とする。
上記構成において、超伝導量子ビット部及び量子ビット読出部は、好ましくは、ループ状の細線からなり、細線の内、共用されるジョセフソン接合が形成される細線部が共用部として構成されている。
量子ビット読出部のループ内の磁束は、好ましくは、読み出し時に磁束量子の半整数又は整数倍以外の値に制御される。
上記構成によれば、集積回路を構成する超伝導量子ビット素子において、超伝導量子ビット部と量子ビット読出部との相互インダクタンスを大きくすることができ、超伝導量子ビット部で生成される磁束信号を高感度で検出することができる。
【００１１】
上記構成において、磁束転送器は、好ましくは、隣り合う超伝導量子ビット素子の間に配置されている。
制御線は、好ましくは、超伝導量子ビット部に隣接して配置されるか又は磁束転送器に隣接して配置される。
上記構成によれば、隣り合う２つの超伝導量子ビット素子間の結合の強さを任意に制御することができると共に、各超伝導量子ビット素子の超伝導量子ビット部と量子ビット読出部との相互インダクタンスを大きくすることができ、超伝導量子ビット部で生成される磁束信号を高感度で検出することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の超伝導量子ビット素子及びそれを用いた集積回路によれば、超伝導量子ビット素子から十分に大きな磁束信号を得ることができるため、ノイズが大きい環境でも量子ビットの信号を正確に読み出すことができる。量子ビットの面積や流れる巡回電流が小さくても十分な信号を得ることができるので、量子ビットの面積や流れる巡回電流を小さくすることにより量子力学的重ね合わせ状態を保持する時間である量子コヒーレンス時間を、従来よりも延ばすことができる可能性がある。さらに、必要なジョセフソン接合の個数を１個減らすことができるので、製作が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、この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。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
図１は、本発明の超伝導量子ビット素子１の構成を模式的に示す平面図である。超伝導量子ビット素子１は、超伝導量子干渉素子からなる超伝導量子ビット部２と、超伝導量子ビット部２に接続され、超伝導量子干渉素子からなる量子ビット読出部３と、から構成されている。本発明の超伝導量子ビット素子１は、基板上に形成することができる。
【００１４】
超伝導量子ビット部２は、超伝導体からなるリング又は矩形などに形成された細線部２ａと、３つのジョセフソン接合２ｂ，２ｃ，２ｄと、から形成されている超伝導量子干渉素子である。各ジョセフソン接合２ｂ，２ｃ，２ｄは、トンネル接合となるような薄い絶縁膜が細線部２ａに挟まれた構造を有している。
【００１５】
ここで、超伝導体の材料としては、Ｎｂ（ニオブ）、Ｐｂ（鉛）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｎ（スズ）、Ｉｎ（インジウム）などを、絶縁膜としては、アルミ酸化物（ＡｌＯｘ）、ＰｂＯなどを用いることができる。
【００１６】
図２は、図１に示すジョセフソン接合２ｃのＡ−Ａ方向に沿う部分断面図である。図２に示すように、ジョセフソン接合２ｃは、絶縁基板１０上に形成される超伝導体層１１と、この超伝導体層１１上に形成されるトンネル層となる絶縁膜１２と、絶縁膜１２上に形成される超伝導体層１３と、から形成することができる。トンネル層となる絶縁膜１２の厚さは例えば約１ｎｍである。他のジョセフソン接合２ｂ，２ｄも同様の構造を有している。
【００１７】
超伝導量子ビット部２に接続される量子ビット読出部３は、超伝導体からなるリング又は矩形などに形成された細線部３ａと、超伝導量子ビット部２のジョセフソン接合２ｄとジョセフソン接合３ｂと、これらのジョセフソン接合２ｄ，３ｂから約９０°離れた位置に設けられた電流端子３ｃ，３ｄと、から形成されている。細線部３ａの左辺の一部は、超伝導量子ビット部２の細線部２ａａと共用されるように構成されている。つまり、細線部２ａａは、細線部３ａの共通部分となっている。したがって、量子ビット読出部３のジョセフソン接合２ｄ及び超伝導量子ビット部のジョセフソン接合２ｄは、共用つまり兼用されている。細線部３ａのリングの大きさは、超伝導量子ビット部の細線部２ａよりも大きくしても小さくしてもよい。本発明では、リングや矩形の形状を有する細線２ａ，３ａを総称してループ状の細線と呼び、リングや矩形などの形状で決まる面積をループ面積と呼ぶことにする。
【００１８】
ジョセフソン接合３ａは、トンネル接合となるような薄い絶縁膜が超伝導体の材料からなる細線部３ａに挟まれた構造を有している。つまり、量子ビット読出部３は、所謂ＤＣ−ＳＱＵＩＤ（直流−超伝導量子干渉素子）である。細線部３ａの寸法は、幅が約２００ｎｍ、厚さを５０ｎｍ程度とすることができる。
【００１９】
量子ビット読出部３に用いる超伝導体の材料及び絶縁膜は、超伝導量子ビット部２と同様の材料を用いることができる。
【００２０】
図１に示すように、超伝導量子ビット部２及び量子ビット読出部３が、例えば共に正方形からなる細線部２ａ，３ａである場合には、量子ビット読出部３の一辺の寸法を量子ビット部の正方形の一辺よりも長くしているが、短くしてもよい。超伝導量子ビット部２及び量子ビット読出部３は、細線部２ａａが共通部分となり、相互インダクタンスが大きくなる。
【００２１】
超伝導量子ビット部２のループとなる細線部２ａを巡回する電流は、ループ内の磁束が磁束量子の半整数倍（１／２，３／２，５／２など）のときに反転する。したがって、ループ内の磁束が磁束量子の半整数倍付近のときに量子ビットとして振る舞う。
一方、量子ビット読出部３のＤＣ−ＳＱＵＩＤによって量子ビットの信号を読み出すときには、量子ビット読出部３の細線部３ａからなるループ内の磁束が磁束量子の半整数または整数倍であってはならない。なぜならば、この場合のＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流は磁束変化に対して感度が非常に低いためである。したがって、超伝導量子ビット素子１に一様な磁場を加えて操作する場合は、量子ビット読出部３のループ面積が超伝導量子ビット部２のループ面積の整数倍であってはならない。ただし、超伝導量子ビット部２内の磁束または量子ビット読出部３内の磁束を制御するための制御線を設ければ、以上の面積に関する条件が必ずしも満たされなくてもよい。
【００２２】
非特許文献１で代表されるような従来の超伝導量子ビット素子では、超伝導量子ビット部が量子ビット読出部であるＤＣ−ＳＱＵＩＤの中に作られるため、超伝導量子ビット部は量子ビット読出部より小さな面積にするという制約条件がある。本発明の超伝導量子ビット部２は量子ビット読出部３の外側にあるので、超伝導量子ビット部２の面積は、量子ビット読出部３より小さくても大きくてもよい。
【００２３】
本発明の超伝導量子ビット素子１では、量子ビット読出部３のＤＣ−ＳＱＵＩＤにおいて、１個のジョセフソン接合２ｄを、超伝導量子ビット部２を構成する３個のジョセフソン接合２ｂ，２ｃ，２ｄのうちの１個と共用、つまり、兼用した構成を有している。
これにより、超伝導量子ビット部２のジョセフソン接合２ｂ，２ｃ，２ｄのもつジョセフソンインダクタンスが、量子ビット読出部３との間の相互インダクタンスに寄与するため、相互インダクタンス及び量子ビット読出部３で得られる磁束信号の大きさを著しく増強することができる。
【００２４】
超伝導量子ビット素子１は、量子ビットの面積や流れる巡回電流が小さくても十分な信号を得ることができるので、量子ビットの面積や巡回電流を小さくすることにより量子コヒーレンス時間を従来より延ばすことができる可能性がある。
【００２５】
従来の量子ビットの読出装置では、量子ビットから離れた位置にＤＣ−ＳＱＵＩＤを形成しているので、合計で５個のジョセフソン接合が必要であったのに対して、本発明の超伝導量子ビット素子１では従来のものよりジョセフソン接合が１個減るので、製作も容易となる。
【００２６】
次に、本発明の超伝導量子ビット素子１を用いた集積回路について説明する。
図３は、本発明の超伝導量子ビット素子からなる集積回路２０を示す模式的な平面図である。集積回路２０は、第１の超伝導量子ビット素子１と第２の超伝導量子ビット素子１５と、これらの超伝導量子ビット素子１，１５との間に配置されている磁束転送器２２と、第１及び第２の超伝導量子ビット素子１，１５及び磁束転送部２２とにそれぞれ近接して配置される制御線２３，２４，２５と、から構成されている。超伝導量子ビット素子１５は、超伝導量子ビット素子１と同じ素子であり、対応する部位には同じ符号を付している。集積回路２０は、超伝導量子ビット素子１，１５及び磁束転送器２２などからなる上記構成を１組として、複数の組が配置されてもよい。
【００２７】
磁束転送器２２は、磁束転送部２２ａと超伝導量子干渉素子部２２ｂとから構成されている。磁束転送部２２ａは、略長方形の超伝導体の細線から形成されている。超伝導量子干渉素子部２２ｂは、矩形の超伝導体からなる細線により形成されている。超伝導量子干渉素子部２２ｂの下側の辺は、磁束転送部２２ａにおける上側の辺の一部とで共通部分となり兼用されている。
【００２８】
磁束転送部２２ａ及び超伝導量子干渉素子部２２ｂの細線の寸法は、幅を約２００ｎｍ、厚さを５０ｎｍ程度とすることができる。磁束転送部２２ａの大きさは、一例として４μｍ×１０μｍ程度とすることができる。矩形の超伝導量子干渉素子部２２ｂは、一例として３μｍ×３μｍ程度とすることができる。超伝導量子干渉素子部２２ｂにおける上下の長辺の中央部にジョセフソン接合２２ｃ及び２２ｄが形成されている。超伝導量子干渉素子部２２ｂは所謂ＤＣ−ＳＱＵＩＤである。このＤＣ−ＳＱＵＩＤのトンネル絶縁膜の厚さは約１ｎｍとすればよい。
【００２９】
図３の場合には、磁束転送部２２ａの左右の短辺は、第１及び第２の超伝導量子干渉素子１，１５における超伝導量子ビット部２のジョセフソン接合２ｂに対向するように配置されている一例を示している。超伝導量子ビット部２のジョセフソン接合２ｂは、磁束転送部２２ａの左右の短辺側に配置しなくてもよい。例えば、ジョセフソン接合２ｂは、ジョセフソン接合２ｃと対向するように配置されることができる。
【００３０】
第１の超伝導量子ビット素子１に隣接して配置されている制御線２３は、超伝導量子ビット部２の下側の辺に平行する直線部２３ａと、この直線部２３ａの両端で垂直に折れ曲がるように延出した垂直部２３ｂ，２３ｃとから構成されている。垂直部２３ｂ，２３ｃの下端側は、図示しない電流源に接続されている。直線部２３ａは超伝導量子ビット部２と電磁結合している。つまり、相互インダクタンスが、制御線２３と超伝導量子ビット部２との間に生じるようにされている。これにより、制御線２３に電流を印加することで磁場が発生し、この磁場により第１の超伝導量子ビット素子１における超伝導量子ビット部２の状態を制御することができる。
【００３１】
第２の超伝導量子ビット素子１５に隣接して配置されている制御線２４は、超伝導量子ビット部２の下側の辺に平行する直線部２４ａを有し、この直線部２４ａの両端で垂直に折れ曲がるように延出した垂直部２４ｂ，２４ｃとから構成されている。垂直部２４ｂ，２４ｃの下端側は、図示しない電流源に接続されている。直線部２４ａは超伝導量子ビット部２と電磁結合している。つまり、相互インダクタンスが、制御線２４と超伝導量子ビット部２との間に生じるようにされている。これにより、制御線２４に電流を印加することで、磁場が発生し、この磁場により第２の超伝導量子ビット素子１５における超伝導量子ビット部２の状態を制御することができる。
【００３２】
磁束転送部２２に隣接して配置される制御線２５は、超伝導量子干渉素子部２２ｂにおける上辺に隣接し、この上辺と平行に配置されている直線部２５ａと、この直線部２５ａの両端で垂直に折れ曲がるように延出した垂直部２５ｂ，２５ｃとから構成されている。垂直部２５ｂ，２５ｃの上端側は、図示しない電流源に接続されている。直線部２５ａは超伝導量子干渉素子部２２ｂと電磁結合している。つまり、相互インダクタンスが、制御線２５と超伝導量子干渉素子部２２ｂとの間に生じるようにされている。これにより、制御線２５に電流を印加することで、磁場が発生し、この磁場により磁束転送器２２における超伝導量子干渉素子部２２ｂの状態を制御することができる。
【００３３】
制御線２３，２４，２５はアルミニウムなどの材料を用い、その寸法は、幅が約２００ｎｍ、厚さを５０ｎｍ程度とすることができる。
【００３４】
磁束転送器２２において、超伝導量子干渉素子部２２ｂを貫く磁束を、磁束量子Φ０の整数倍の値にすると、第１の超伝導量子干渉素子１と第２の超伝導量子干渉素子１５との間の結合を形成することができる。つまり、第１及び第２の超伝導量子干渉素子１，１５間の結合状態がオン（ＯＮ）の状態となる。磁束量子Φ０は下記（１）式で表わされる。
Φ０＝ｈ／（２ｅ） （１）
ここで、ｈはプランク定数（６．６２６×１０−３４Ｊ・ｓ）であり、ｅは電子の単位電荷（１．６０２×１０−１９Ｃ）である。
【００３５】
一方、磁束転送器２２において、超伝導量子干渉素子部２２ｂを貫く磁束を磁束量子Φ０の半奇数倍の値にすると、第１の超伝導量子干渉素子１と第２の超伝導量子干渉素子１５との間の結合を無くすことができる。つまり、第１及び第２の超伝導量子干渉素子１，１５間の結合状態がオフ（ＯＦＦ）の状態となる。
【００３６】
本発明の超伝導量子ビット素子１，１５からなる集積回路２０によれば、磁束転送器２２において、制御線２５に流す電流を調整し、超伝導量子干渉素子部２２ｂを貫く磁束を磁束量子Φ０の半奇数倍から整数倍の間の任意の値にすることにより、第１の超伝導量子干渉素子１と第２の超伝導量子干渉素子１５との間の結合の強さを任意に制御することができる。
【００３７】
同様な方式により、３個以上の超伝導量子ビット素子からなる集積回路をつくることができ、この集積回路内の任意の２個の超伝導量子ビット素子間における結合の強さを任意に制御することができる。このような特徴をもつ集積回路を用いることで、任意の量子計算を実行させることができることがわかっているので、原理的には量子計算機を実現することが可能である。
【００３８】
本発明の超伝導量子ビット素子１，１５からなる集積回路２０によれば、超伝導量子ビット素子１，１５の各量子ビット読出部３の１個のジョセフソン接合２ｄを、超伝導量子ビット部２を構成する３個のジョセフソン接合２ｂ，２ｃ，２ｄのうちの１個とで共用にした構成を有している。
これにより、超伝導量子ビット部２のジョセフソン接合２ｂ，２ｃ，２ｄのもつジョセフソンインダクタンスが、量子ビット読出部３との間の相互インダクタンスに寄与するため、相互インダクタンス及び得られる磁束信号の大きさを著しく増強することができる。
【００３９】
超伝導量子ビット素子１，１５においては、量子ビットの面積や流れる巡回電流が小さくても十分な信号を得ることができるので、量子ビットの面積や流れる巡回電流を小さくすることにより量子コヒーレンス時間を従来よりも延ばすことができる可能性がある。
【００４０】
従来の量子ビットの読出装置では、量子ビットから離れた位置に隣接してＤＣ−ＳＱＵＩＤを形成しているので、合計で５個のジョセフソン接合が必要であったのに対して、本発明の超伝導量子ビット素子１では従来のものよりジョセフソン接合が１個減るので、製作も容易となる。
【００４１】
上記構成の超伝導量子ビット素子１として、図２に示すジョセフソン接合２ｃを用いる場合について説明する。
図２に示すように、絶縁性基板や熱酸化膜を有するＳｉ（シリコン）基板１０上に、所定の厚さの超伝導体層１１を、スパッタ法等を用いて堆積し、図１に示す超伝導量子ビット部２及び量子ビット読出部３の細線部２ａ，３ａの一部を、マスクを用いた選択エッチングにより形成する。
【００４２】
次に、超伝導体層１１上に所定の厚さの絶縁膜となるアルミナ酸化膜などの絶縁体材料を、スパッタ法やＣＶＤ法により堆積し、余分な絶縁体を選択エッチングにより除去して、トンネル絶縁膜１２を形成する。
【００４３】
最後に、トンネル絶縁膜１２上に所定の厚さの超伝導体層をスパッタ法やＣＶＤ法などにより堆積し、余分な超伝導体層を選択エッチングにより除去して、超伝導体層１３を形成することで、ジョセフソン接合２ｃを製作することができる。同様にして、超伝導量子ビット素子１及び集積回路２０を製作することができる。
【００４４】
ここで、各材料の堆積には、スパッタ法やＣＶＤ法以外には、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。また、所定の形状の接合や電流端子を形成するためのマスク工程には、光露光や電子ビーム（ＥＢ）露光などを用いることができる。
【実施例】
【００４５】
次に、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。
実施例として、図１に示す超伝導量子ビット素子１を、電子ビーム露光装置などを用いて製作した。超伝導量子ビット部２の細線部２ａを一辺が４μｍの正方形とし、量子ビット読出部３の細線部３ａを一辺が５μｍの正方形とした。細線部２ａ，３ａの線幅は約２００ｎｍ、厚さは約５０ｎｍとした。細線部２ａ，３ａとなる超伝導体の材料としては、アルミニウムを使用した。各ジョセフソン接合２ｂ，２ｃ，２ｄ，３ｂに用いた絶縁膜は酸化アルミニウムであり、その厚さは約１ｎｍとした。各ジョセフソン接合２ｂ，２ｃ，２ｄ，３ｂの形状は凡そ４００ｎｍ×１００ｎｍの長方形とした。
【００４６】
実施例で製作した超伝導量子ビット素子１の量子ビット読出部３の臨界電流を測定した。
図４は、実施例の量子ビット読出部３におけるＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流を示す図である。図において、縦軸は臨界電流の統計平均値（ｎＡ）を示し、横軸は磁場を加えるための電磁石に流した電流（ｍＡ）であり、外部から印加されている磁場に比例している。
図４から明らかなように、実施例において、量子ビット読出部３のＤＣ−ＳＱＵＩＤにより測定された臨界電流は中心付近で曲線が２度折れ曲がっているが（図４の矢印Ａ，Ｂ参照）、この部分の変化が量子ビットの磁束信号によるものである。この部分以外の振動波形は、図５（非特許文献１参照）で示されているものと同じく、ＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流が磁場によって振動するという通常のＤＣ−ＳＱＵＩＤの特性を表す。
【００４７】
実施例の超伝導量子ビット素子１による磁束信号の大きさは、図５に示した非特許文献１の場合と比較して、約６０倍であり、非常にバラツキの少ないスムーズな波形が得られることが分かる。
【００４８】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の超伝導量子ビット素子の構成を模式的に示す平面図である。
【図２】図１に示すジョセフソン接合のＡ−Ａ方向に沿う部分断面図である。
【図３】本発明の超伝導量子ビット素子からなる集積回路を示す模式的な平面図である。
【図４】実施例の量子ビット読出部におけるＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流を示す図である。
【図５】非特許文献１で報告されたＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１：超伝導量子ビット素子（第１の超伝導量子ビット素子）
２：超伝導量子ビット部
２ａ：超伝導体からなる細線部
２ａａ：細線部３ａとの共通部分
２ｂ，２ｃ，２ｄ：ジョセフソン接合
３：量子ビット読出部
３ａ：超伝導体からなる細線部
３ｂ：ジョセフソン接合
３ｃ，３ｄ：電流端子
１０：絶縁基板
１１，１３：超伝導体層
１２：絶縁膜
１５：超伝導量子ビット素子（第２の超伝導量子ビット素子）
２０：超伝導量子ビット素子を用いた集積回路
２２：磁束転送器
２２ａ：磁束転送部
２２ｂ：超伝導量子干渉素子部
２２ｃ，２２ｄ：ジョセフソン接合
２３，２４，２５：制御線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子計算機に用いることができる超伝導量子ビット素子に係り、特に大きな信号が得られるような量子ビット読出部を備えた超伝導量子ビット素子及びそれを用いた集積回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子コンピュータでは、状態の重ね合わせが可能であるため古典的コンピュータで行うことのできない演算が可能である。理論的には複数の入力を備えた計算を行うことができ、この種の演算のために、量子コンピュータには、重ね合わせ状態の生成の機能が不可欠な機能である。
【０００３】
量子ビット素子とは、量子コンピュータの構成要素である。これにはいろいろな種類のものがある。例えば、特許文献１及び２に開示されている量子ビット素子は、磁束量子ビットと呼ばれる素子であり、３個のジョセフソン接合をもつ超伝導ループである。量子ビット素子で生成される磁束信号は、超伝導量子干渉素子（ＤＣ−ＳＱＵＩＤ）によって読み出される。従来は、ＤＣ−ＳＱＵＩＤを量子ビット素子に接近させて作り、磁束信号を読み出す方法が採用されていた。
【０００４】
非特許文献１には、ＤＣ−ＳＱＵＩＤを量子ビット素子に接近させて作り、量子ビットの信号を観測したことが報告されている。図５は、非特許文献１で報告されたＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流を示す図である。図５において、縦軸はＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流であり、横軸は量子ビットに与えられた外部磁束であり、外部から印加した磁場に比例している。挿入図は外部磁束を広い範囲で示したもので、この一部を拡大すると、量子ビットの信号が小さなステップとして観測されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２６００２５号公報
【特許文献２】特開２００５−３０２８４７号公報
【非特許文献１】Caspar H. van der Wal, A. C. J. ter Haar, F. K. Wilhelm, R. N. Schouten, C. J. P. M. Harmans, T. P. Orlando, Seth Lloyd and J.E. Mooij: Science, Vol.290, pp.773-777, 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の量子ビット素子に接近させて形成したＤＣ−ＳＱＵＩＤから磁束信号を読み出す方法は、量子ビットとＤＣ−ＳＱＵＩＤの間の相互インダクタンスが小さいため、得られる磁束信号は微弱であるという課題があった。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑み、量子ビット素子から大きな信号を得ることができる、超伝導量子ビット素子及びそれを用いた集積回路を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の超伝導量子ビット素子は、超伝導量子ビット部と超伝導量子ビット部に接続された量子ビット読出部とを備え、超伝導量子ビット部は３つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、量子ビット読出部は、２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、量子ビット読出部のジョセフソン接合の１つが、超伝導量子ビット部のジョセフソン接合の１つと共用するように構成されていることを特徴とする。
上記構成によれば、量子ビット読出部が超伝導量子ビット部のジョセフソン接合の１つを共通としたＤＣ−ＳＱＵＩＤから構成されるので、超伝導量子ビット部で生成される磁束信号を高感度で検出することができる。
【０００９】
上記構成において、超伝導量子ビット部及び量子ビット読出部は、好ましくは、ループ状の細線からなり、細線の内、共用されるジョセフソン接合が形成される細線部が共用部として構成されている。
量子ビット読出部のループ内の磁束は、好ましくは、読み出し時に磁束量子の半整数又は整数倍以外の値に制御される。
上記構成によれば、超伝導量子ビット部と量子ビット読出部との相互インダクタンスを大きくすることができ、超伝導量子ビット部で生成される磁束信号を高感度で検出することができる。
【００１０】
本発明の集積回路は、複数の超伝導量子ビット素子から構成され、超伝導量子ビット素子のそれぞれが超伝導量子ビット部と超伝導量子ビット部に接続される量子ビット読出部とを備え、超伝導量子ビット部は、３つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、量子ビット読出部は、２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、量子ビット読出部のジョセフソン接合の１つが超伝導量子ビット部のジョセフソン接合の１つと共用するように構成されていることを特徴とする。
上記構成において、超伝導量子ビット部及び量子ビット読出部は、好ましくは、ループ状の細線からなり、細線の内、共用されるジョセフソン接合が形成される細線部が共用部として構成されている。
量子ビット読出部のループ内の磁束は、好ましくは、読み出し時に磁束量子の半整数又は整数倍以外の値に制御される。
上記構成によれば、集積回路を構成する超伝導量子ビット素子において、超伝導量子ビット部と量子ビット読出部との相互インダクタンスを大きくすることができ、超伝導量子ビット部で生成される磁束信号を高感度で検出することができる。
【００１１】
上記構成において、磁束転送器は、好ましくは、隣り合う超伝導量子ビット素子の間に配置されている。
制御線は、好ましくは、超伝導量子ビット部に隣接して配置されるか又は磁束転送器に隣接して配置される。
上記構成によれば、隣り合う２つの超伝導量子ビット素子間の結合の強さを任意に制御することができると共に、各超伝導量子ビット素子の超伝導量子ビット部と量子ビット読出部との相互インダクタンスを大きくすることができ、超伝導量子ビット部で生成される磁束信号を高感度で検出することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の超伝導量子ビット素子及びそれを用いた集積回路によれば、超伝導量子ビット素子から十分に大きな磁束信号を得ることができるため、ノイズが大きい環境でも量子ビットの信号を正確に読み出すことができる。量子ビットの面積や流れる巡回電流が小さくても十分な信号を得ることができるので、量子ビットの面積や流れる巡回電流を小さくすることにより量子力学的重ね合わせ状態を保持する時間である量子コヒーレンス時間を、従来よりも延ばすことができる可能性がある。さらに、必要なジョセフソン接合の個数を１個減らすことができるので、製作が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、この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。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
図１は、本発明の超伝導量子ビット素子１の構成を模式的に示す平面図である。超伝導量子ビット素子１は、超伝導量子干渉素子からなる超伝導量子ビット部２と、超伝導量子ビット部２に接続され、超伝導量子干渉素子からなる量子ビット読出部３と、から構成されている。本発明の超伝導量子ビット素子１は、基板上に形成することができる。
【００１４】
超伝導量子ビット部２は、超伝導体からなるリング又は矩形などに形成された細線部２ａと、３つのジョセフソン接合２ｂ，２ｃ，２ｄと、から形成されている超伝導量子干渉素子である。各ジョセフソン接合２ｂ，２ｃ，２ｄは、トンネル接合となるような薄い絶縁膜が細線部２ａに挟まれた構造を有している。
【００１５】
ここで、超伝導体の材料としては、Ｎｂ（ニオブ）、Ｐｂ（鉛）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｎ（スズ）、Ｉｎ（インジウム）などを、絶縁膜としては、アルミ酸化物（ＡｌＯｘ）、ＰｂＯなどを用いることができる。
【００１６】
図２は、図１に示すジョセフソン接合２ｃのＡ−Ａ方向に沿う部分断面図である。図２に示すように、ジョセフソン接合２ｃは、絶縁基板１０上に形成される超伝導体層１１と、この超伝導体層１１上に形成されるトンネル層となる絶縁膜１２と、絶縁膜１２上に形成される超伝導体層１３と、から形成することができる。トンネル層となる絶縁膜１２の厚さは例えば約１ｎｍである。他のジョセフソン接合２ｂ，２ｄも同様の構造を有している。
【００１７】
超伝導量子ビット部２に接続される量子ビット読出部３は、超伝導体からなるリング又は矩形などに形成された細線部３ａと、超伝導量子ビット部２のジョセフソン接合２ｄとジョセフソン接合３ｂと、これらのジョセフソン接合２ｄ，３ｂから約９０°離れた位置に設けられた電流端子３ｃ，３ｄと、から形成されている。細線部３ａの左辺の一部は、超伝導量子ビット部２の細線部２ａａと共用されるように構成されている。つまり、細線部２ａａは、細線部３ａの共通部分となっている。したがって、量子ビット読出部３のジョセフソン接合２ｄ及び超伝導量子ビット部のジョセフソン接合２ｄは、共用つまり兼用されている。細線部３ａのリングの大きさは、超伝導量子ビット部の細線部２ａよりも大きくしても小さくしてもよい。本発明では、リングや矩形の形状を有する細線２ａ，３ａを総称してループ状の細線と呼び、リングや矩形などの形状で決まる面積をループ面積と呼ぶことにする。
【００１８】
ジョセフソン接合３ａは、トンネル接合となるような薄い絶縁膜が超伝導体の材料からなる細線部３ａに挟まれた構造を有している。つまり、量子ビット読出部３は、所謂ＤＣ−ＳＱＵＩＤ（直流−超伝導量子干渉素子）である。細線部３ａの寸法は、幅が約２００ｎｍ、厚さを５０ｎｍ程度とすることができる。
【００１９】
量子ビット読出部３に用いる超伝導体の材料及び絶縁膜は、超伝導量子ビット部２と同様の材料を用いることができる。
【００２０】
図１に示すように、超伝導量子ビット部２及び量子ビット読出部３が、例えば共に正方形からなる細線部２ａ，３ａである場合には、量子ビット読出部３の一辺の寸法を量子ビット部の正方形の一辺よりも長くしているが、短くしてもよい。超伝導量子ビット部２及び量子ビット読出部３は、細線部２ａａが共通部分となり、相互インダクタンスが大きくなる。
【００２１】
超伝導量子ビット部２のループとなる細線部２ａを巡回する電流は、ループ内の磁束が磁束量子の半整数倍（１／２，３／２，５／２など）のときに反転する。したがって、ループ内の磁束が磁束量子の半整数倍付近のときに量子ビットとして振る舞う。
一方、量子ビット読出部３のＤＣ−ＳＱＵＩＤによって量子ビットの信号を読み出すときには、量子ビット読出部３の細線部３ａからなるループ内の磁束が磁束量子の半整数または整数倍であってはならない。なぜならば、この場合のＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流は磁束変化に対して感度が非常に低いためである。したがって、超伝導量子ビット素子１に一様な磁場を加えて操作する場合は、量子ビット読出部３のループ面積が超伝導量子ビット部２のループ面積の整数倍であってはならない。ただし、超伝導量子ビット部２内の磁束または量子ビット読出部３内の磁束を制御するための制御線を設ければ、以上の面積に関する条件が必ずしも満たされなくてもよい。
【００２２】
非特許文献１で代表されるような従来の超伝導量子ビット素子では、超伝導量子ビット部が量子ビット読出部であるＤＣ−ＳＱＵＩＤの中に作られるため、超伝導量子ビット部は量子ビット読出部より小さな面積にするという制約条件がある。本発明の超伝導量子ビット部２は量子ビット読出部３の外側にあるので、超伝導量子ビット部２の面積は、量子ビット読出部３より小さくても大きくてもよい。
【００２３】
本発明の超伝導量子ビット素子１では、量子ビット読出部３のＤＣ−ＳＱＵＩＤにおいて、１個のジョセフソン接合２ｄを、超伝導量子ビット部２を構成する３個のジョセフソン接合２ｂ，２ｃ，２ｄのうちの１個と共用、つまり、兼用した構成を有している。
これにより、超伝導量子ビット部２のジョセフソン接合２ｂ，２ｃ，２ｄのもつジョセフソンインダクタンスが、量子ビット読出部３との間の相互インダクタンスに寄与するため、相互インダクタンス及び量子ビット読出部３で得られる磁束信号の大きさを著しく増強することができる。
【００２４】
超伝導量子ビット素子１は、量子ビットの面積や流れる巡回電流が小さくても十分な信号を得ることができるので、量子ビットの面積や巡回電流を小さくすることにより量子コヒーレンス時間を従来より延ばすことができる可能性がある。
【００２５】
従来の量子ビットの読出装置では、量子ビットから離れた位置にＤＣ−ＳＱＵＩＤを形成しているので、合計で５個のジョセフソン接合が必要であったのに対して、本発明の超伝導量子ビット素子１では従来のものよりジョセフソン接合が１個減るので、製作も容易となる。
【００２６】
次に、本発明の超伝導量子ビット素子１を用いた集積回路について説明する。
図３は、本発明の超伝導量子ビット素子からなる集積回路２０を示す模式的な平面図である。集積回路２０は、第１の超伝導量子ビット素子１と第２の超伝導量子ビット素子１５と、これらの超伝導量子ビット素子１，１５との間に配置されている磁束転送器２２と、第１及び第２の超伝導量子ビット素子１，１５及び磁束転送部２２とにそれぞれ近接して配置される制御線２３，２４，２５と、から構成されている。超伝導量子ビット素子１５は、超伝導量子ビット素子１と同じ素子であり、対応する部位には同じ符号を付している。集積回路２０は、超伝導量子ビット素子１，１５及び磁束転送器２２などからなる上記構成を１組として、複数の組が配置されてもよい。
【００２７】
磁束転送器２２は、磁束転送部２２ａと超伝導量子干渉素子部２２ｂとから構成されている。磁束転送部２２ａは、略長方形の超伝導体の細線から形成されている。超伝導量子干渉素子部２２ｂは、矩形の超伝導体からなる細線により形成されている。超伝導量子干渉素子部２２ｂの下側の辺は、磁束転送部２２ａにおける上側の辺の一部とで共通部分となり兼用されている。
【００２８】
磁束転送部２２ａ及び超伝導量子干渉素子部２２ｂの細線の寸法は、幅を約２００ｎｍ、厚さを５０ｎｍ程度とすることができる。磁束転送部２２ａの大きさは、一例として４μｍ×１０μｍ程度とすることができる。矩形の超伝導量子干渉素子部２２ｂは、一例として３μｍ×３μｍ程度とすることができる。超伝導量子干渉素子部２２ｂにおける上下の長辺の中央部にジョセフソン接合２２ｃ及び２２ｄが形成されている。超伝導量子干渉素子部２２ｂは所謂ＤＣ−ＳＱＵＩＤである。このＤＣ−ＳＱＵＩＤのトンネル絶縁膜の厚さは約１ｎｍとすればよい。
【００２９】
図３の場合には、磁束転送部２２ａの左右の短辺は、第１及び第２の超伝導量子干渉素子１，１５における超伝導量子ビット部２のジョセフソン接合２ｂに対向するように配置されている一例を示している。超伝導量子ビット部２のジョセフソン接合２ｂは、磁束転送部２２ａの左右の短辺側に配置しなくてもよい。例えば、ジョセフソン接合２ｂは、ジョセフソン接合２ｃと対向するように配置されることができる。
【００３０】
第１の超伝導量子ビット素子１に隣接して配置されている制御線２３は、超伝導量子ビット部２の下側の辺に平行する直線部２３ａと、この直線部２３ａの両端で垂直に折れ曲がるように延出した垂直部２３ｂ，２３ｃとから構成されている。垂直部２３ｂ，２３ｃの下端側は、図示しない電流源に接続されている。直線部２３ａは超伝導量子ビット部２と電磁結合している。つまり、相互インダクタンスが、制御線２３と超伝導量子ビット部２との間に生じるようにされている。これにより、制御線２３に電流を印加することで磁場が発生し、この磁場により第１の超伝導量子ビット素子１における超伝導量子ビット部２の状態を制御することができる。
【００３１】
第２の超伝導量子ビット素子１５に隣接して配置されている制御線２４は、超伝導量子ビット部２の下側の辺に平行する直線部２４ａを有し、この直線部２４ａの両端で垂直に折れ曲がるように延出した垂直部２４ｂ，２４ｃとから構成されている。垂直部２４ｂ，２４ｃの下端側は、図示しない電流源に接続されている。直線部２４ａは超伝導量子ビット部２と電磁結合している。つまり、相互インダクタンスが、制御線２４と超伝導量子ビット部２との間に生じるようにされている。これにより、制御線２４に電流を印加することで、磁場が発生し、この磁場により第２の超伝導量子ビット素子１５における超伝導量子ビット部２の状態を制御することができる。
【００３２】
磁束転送部２２に隣接して配置される制御線２５は、超伝導量子干渉素子部２２ｂにおける上辺に隣接し、この上辺と平行に配置されている直線部２５ａと、この直線部２５ａの両端で垂直に折れ曲がるように延出した垂直部２５ｂ，２５ｃとから構成されている。垂直部２５ｂ，２５ｃの上端側は、図示しない電流源に接続されている。直線部２５ａは超伝導量子干渉素子部２２ｂと電磁結合している。つまり、相互インダクタンスが、制御線２５と超伝導量子干渉素子部２２ｂとの間に生じるようにされている。これにより、制御線２５に電流を印加することで、磁場が発生し、この磁場により磁束転送器２２における超伝導量子干渉素子部２２ｂの状態を制御することができる。
【００３３】
制御線２３，２４，２５はアルミニウムなどの材料を用い、その寸法は、幅が約２００ｎｍ、厚さを５０ｎｍ程度とすることができる。
【００３４】
磁束転送器２２において、超伝導量子干渉素子部２２ｂを貫く磁束を、磁束量子Φ０の整数倍の値にすると、第１の超伝導量子干渉素子１と第２の超伝導量子干渉素子１５との間の結合を形成することができる。つまり、第１及び第２の超伝導量子干渉素子１，１５間の結合状態がオン（ＯＮ）の状態となる。磁束量子Φ０は下記（１）式で表わされる。
Φ０＝ｈ／（２ｅ） （１）
ここで、ｈはプランク定数（６．６２６×１０−３４Ｊ・ｓ）であり、ｅは電子の単位電荷（１．６０２×１０−１９Ｃ）である。
【００３５】
一方、磁束転送器２２において、超伝導量子干渉素子部２２ｂを貫く磁束を磁束量子Φ０の半奇数倍の値にすると、第１の超伝導量子干渉素子１と第２の超伝導量子干渉素子１５との間の結合を無くすことができる。つまり、第１及び第２の超伝導量子干渉素子１，１５間の結合状態がオフ（ＯＦＦ）の状態となる。
【００３６】
本発明の超伝導量子ビット素子１，１５からなる集積回路２０によれば、磁束転送器２２において、制御線２５に流す電流を調整し、超伝導量子干渉素子部２２ｂを貫く磁束を磁束量子Φ０の半奇数倍から整数倍の間の任意の値にすることにより、第１の超伝導量子干渉素子１と第２の超伝導量子干渉素子１５との間の結合の強さを任意に制御することができる。
【００３７】
同様な方式により、３個以上の超伝導量子ビット素子からなる集積回路をつくることができ、この集積回路内の任意の２個の超伝導量子ビット素子間における結合の強さを任意に制御することができる。このような特徴をもつ集積回路を用いることで、任意の量子計算を実行させることができることがわかっているので、原理的には量子計算機を実現することが可能である。
【００３８】
本発明の超伝導量子ビット素子１，１５からなる集積回路２０によれば、超伝導量子ビット素子１，１５の各量子ビット読出部３の１個のジョセフソン接合２ｄを、超伝導量子ビット部２を構成する３個のジョセフソン接合２ｂ，２ｃ，２ｄのうちの１個とで共用にした構成を有している。
これにより、超伝導量子ビット部２のジョセフソン接合２ｂ，２ｃ，２ｄのもつジョセフソンインダクタンスが、量子ビット読出部３との間の相互インダクタンスに寄与するため、相互インダクタンス及び得られる磁束信号の大きさを著しく増強することができる。
【００３９】
超伝導量子ビット素子１，１５においては、量子ビットの面積や流れる巡回電流が小さくても十分な信号を得ることができるので、量子ビットの面積や流れる巡回電流を小さくすることにより量子コヒーレンス時間を従来よりも延ばすことができる可能性がある。
【００４０】
従来の量子ビットの読出装置では、量子ビットから離れた位置に隣接してＤＣ−ＳＱＵＩＤを形成しているので、合計で５個のジョセフソン接合が必要であったのに対して、本発明の超伝導量子ビット素子１では従来のものよりジョセフソン接合が１個減るので、製作も容易となる。
【００４１】
上記構成の超伝導量子ビット素子１として、図２に示すジョセフソン接合２ｃを用いる場合について説明する。
図２に示すように、絶縁性基板や熱酸化膜を有するＳｉ（シリコン）基板１０上に、所定の厚さの超伝導体層１１を、スパッタ法等を用いて堆積し、図１に示す超伝導量子ビット部２及び量子ビット読出部３の細線部２ａ，３ａの一部を、マスクを用いた選択エッチングにより形成する。
【００４２】
次に、超伝導体層１１上に所定の厚さの絶縁膜となるアルミナ酸化膜などの絶縁体材料を、スパッタ法やＣＶＤ法により堆積し、余分な絶縁体を選択エッチングにより除去して、トンネル絶縁膜１２を形成する。
【００４３】
最後に、トンネル絶縁膜１２上に所定の厚さの超伝導体層をスパッタ法やＣＶＤ法などにより堆積し、余分な超伝導体層を選択エッチングにより除去して、超伝導体層１３を形成することで、ジョセフソン接合２ｃを製作することができる。同様にして、超伝導量子ビット素子１及び集積回路２０を製作することができる。
【００４４】
ここで、各材料の堆積には、スパッタ法やＣＶＤ法以外には、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。また、所定の形状の接合や電流端子を形成するためのマスク工程には、光露光や電子ビーム（ＥＢ）露光などを用いることができる。
【実施例】
【００４５】
次に、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。
実施例として、図１に示す超伝導量子ビット素子１を、電子ビーム露光装置などを用いて製作した。超伝導量子ビット部２の細線部２ａを一辺が４μｍの正方形とし、量子ビット読出部３の細線部３ａを一辺が５μｍの正方形とした。細線部２ａ，３ａの線幅は約２００ｎｍ、厚さは約５０ｎｍとした。細線部２ａ，３ａとなる超伝導体の材料としては、アルミニウムを使用した。各ジョセフソン接合２ｂ，２ｃ，２ｄ，３ｂに用いた絶縁膜は酸化アルミニウムであり、その厚さは約１ｎｍとした。各ジョセフソン接合２ｂ，２ｃ，２ｄ，３ｂの形状は凡そ４００ｎｍ×１００ｎｍの長方形とした。
【００４６】
実施例で製作した超伝導量子ビット素子１の量子ビット読出部３の臨界電流を測定した。
図４は、実施例の量子ビット読出部３におけるＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流を示す図である。図において、縦軸は臨界電流の統計平均値（ｎＡ）を示し、横軸は磁場を加えるための電磁石に流した電流（ｍＡ）であり、外部から印加されている磁場に比例している。
図４から明らかなように、実施例において、量子ビット読出部３のＤＣ−ＳＱＵＩＤにより測定された臨界電流は中心付近で曲線が２度折れ曲がっているが（図４の矢印Ａ，Ｂ参照）、この部分の変化が量子ビットの磁束信号によるものである。この部分以外の振動波形は、図５（非特許文献１参照）で示されているものと同じく、ＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流が磁場によって振動するという通常のＤＣ−ＳＱＵＩＤの特性を表す。
【００４７】
実施例の超伝導量子ビット素子１による磁束信号の大きさは、図５に示した非特許文献１の場合と比較して、約６０倍であり、非常にバラツキの少ないスムーズな波形が得られることが分かる。
【００４８】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の超伝導量子ビット素子の構成を模式的に示す平面図である。
【図２】図１に示すジョセフソン接合のＡ−Ａ方向に沿う部分断面図である。
【図３】本発明の超伝導量子ビット素子からなる集積回路を示す模式的な平面図である。
【図４】実施例の量子ビット読出部におけるＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流を示す図である。
【図５】非特許文献１で報告されたＤＣ−ＳＱＵＩＤの臨界電流を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１：超伝導量子ビット素子（第１の超伝導量子ビット素子）
２：超伝導量子ビット部
２ａ：超伝導体からなる細線部
２ａａ：細線部３ａとの共通部分
２ｂ，２ｃ，２ｄ：ジョセフソン接合
３：量子ビット読出部
３ａ：超伝導体からなる細線部
３ｂ：ジョセフソン接合
３ｃ，３ｄ：電流端子
１０：絶縁基板
１１，１３：超伝導体層
１２：絶縁膜
１５：超伝導量子ビット素子（第２の超伝導量子ビット素子）
２０：超伝導量子ビット素子を用いた集積回路
２２：磁束転送器
２２ａ：磁束転送部
２２ｂ：超伝導量子干渉素子部
２２ｃ，２２ｄ：ジョセフソン接合
２３，２４，２５：制御線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導量子ビット部と該超伝導量子ビット部に接続された量子ビット読出部とを備え、
上記超伝導量子ビット部は３つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、
上記量子ビット読出部は、２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、
上記量子ビット読出部のジョセフソン接合の１つが、上記超伝導量子ビット部のジョセフソン接合の１つと共用するように構成されていることを特徴とする、超伝導量子ビット素子。
【請求項２】
前記超伝導量子ビット部及び量子ビット読出部はループ状の細線からなり、上記細線の内、前記共用されるジョセフソン接合が形成される細線部が共用部として構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導量子ビット素子。
【請求項３】
前記量子ビット読出部のループ内の磁束が、読み出し時に磁束量子の半整数又は整数倍以外の値に制御されることを特徴とする、請求項１または２に記載の超伝導量子ビット素子。
【請求項４】
複数の超伝導量子ビット素子を用いた集積回路であって、
上記超伝導量子ビット素子のそれぞれが超伝導量子ビット部と超伝導量子ビット部に接続される量子ビット読出部とを備え、
上記超伝導量子ビット部は、３つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、
上記量子ビット読出部は、２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、
上記量子ビット読出部のジョセフソン接合の１つが上記超伝導量子ビット部のジョセフソン接合の１つと共用するように構成されていることを特徴とする、集積回路。
【請求項５】
前記超伝導量子ビット部及び量子ビット読出部はループ状の細線からなり、該細線の内、前記共用されるジョセフソン接合が形成される細線部が共用部として構成されていることを特徴とする、請求項４に記載の集積回路。
【請求項６】
前記量子ビット読出部のループ内の磁束が、読み出し時に磁束量子の半整数又は整数倍以外の値に制御されることを特徴とする、請求項４または５に記載の集積回路。
【請求項７】
磁束転送器が、隣り合う前記超伝導量子ビット素子の間に配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の集積回路。
【請求項８】
制御線が、前記超伝導量子ビット部に隣接して配置されることを特徴とする、請求項４に記載の集積回路。
【請求項９】
制御線が、前記磁束転送器に隣接して配置されることを特徴とする、請求項７に記載の集積回路。
【請求項１】
超伝導量子ビット部と該超伝導量子ビット部に接続された量子ビット読出部とを備え、
上記超伝導量子ビット部は３つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、
上記量子ビット読出部は、２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、
上記量子ビット読出部のジョセフソン接合の１つが、上記超伝導量子ビット部のジョセフソン接合の１つと共用するように構成されていることを特徴とする、超伝導量子ビット素子。
【請求項２】
前記超伝導量子ビット部及び量子ビット読出部はループ状の細線からなり、上記細線の内、前記共用されるジョセフソン接合が形成される細線部が共用部として構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の超伝導量子ビット素子。
【請求項３】
前記量子ビット読出部のループ内の磁束が、読み出し時に磁束量子の半整数又は整数倍以外の値に制御されることを特徴とする、請求項１または２に記載の超伝導量子ビット素子。
【請求項４】
複数の超伝導量子ビット素子を用いた集積回路であって、
上記超伝導量子ビット素子のそれぞれが超伝導量子ビット部と超伝導量子ビット部に接続される量子ビット読出部とを備え、
上記超伝導量子ビット部は、３つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、
上記量子ビット読出部は、２つのジョセフソン接合を有する超伝導量子干渉素子からなり、
上記量子ビット読出部のジョセフソン接合の１つが上記超伝導量子ビット部のジョセフソン接合の１つと共用するように構成されていることを特徴とする、集積回路。
【請求項５】
前記超伝導量子ビット部及び量子ビット読出部はループ状の細線からなり、該細線の内、前記共用されるジョセフソン接合が形成される細線部が共用部として構成されていることを特徴とする、請求項４に記載の集積回路。
【請求項６】
前記量子ビット読出部のループ内の磁束が、読み出し時に磁束量子の半整数又は整数倍以外の値に制御されることを特徴とする、請求項４または５に記載の集積回路。
【請求項７】
磁束転送器が、隣り合う前記超伝導量子ビット素子の間に配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の集積回路。
【請求項８】
制御線が、前記超伝導量子ビット部に隣接して配置されることを特徴とする、請求項４に記載の集積回路。
【請求項９】
制御線が、前記磁束転送器に隣接して配置されることを特徴とする、請求項７に記載の集積回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００８−２９４１６７（Ｐ２００８−２９４１６７Ａ）
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１３７２８２（Ｐ２００７−１３７２８２）
【出願日】平成１９年５月２３日（２００７．５．２３）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２３日（２００７．５．２３）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【Ｆターム（参考）】
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