JP2004533061A - 超伝導位相キュビットのための量子処理システム - Google Patents

Abstract

【課題】キュビットについて機能を実行するためにキュビット配列中のキュビットへ電圧と電流を供給するキュビット配列の制御システムを提供する。
【解決手段】制御システムが実行する機能は、読出し、初期化、及び絡み合わせを含む。キュビットの状態の読出しは、キュビットを接地し、キュビットを横断して電流を加え、キュビットを横断する結果としての電位降下を測定し、そしてキュビットの状態として電位降下を解釈することを含む。キュビットの初期化は、キュビットを接地し、キュビットの量子状態が選択された状態へ緩和するのに十分な時間、キュビットを横断して選択された方向へ電流を加えることを含む。２つのキュビットの状態の絡み合わせは、スイッチを通して２つのキュビットを接続することを含む。キュビットを接地できるスイッチはまた、選択されたキュビットを絡み合わせるために使用できる。

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は量子計算、特に、量子キュビットの操作を実行するための制御システムに関する。
【０００２】
（背景技術）
量子計算と呼ばれるものについての研究は、リチャード・ファインマン、例えば、Ｒ．Ｆｅｙｎｍａｎ，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｔｈｏｒ．Ｐｈｙｓ．，２１．４６７−４６８（１９８２）参照、に遡る。ファインマンは、量子システムは、古典的な（すなわち、通常の、非量子）コンピュータをシミュレートすることは本質的に困難であるが、このタスクは別の量子システムの発展（エボリューション）を観察することで達成できると説明した。特に、量子システムの振舞いについての理論を解明することは普通、量子システムのハミルトニアンに関する微分方程式を解くことを含む。量子システムの振舞いを観察することはその方程式の解に関する情報を提供する。
【０００３】
量子計算における努力は初期に「ソフトウェア開発」又は量子計算の公式理論の構築に集中されていた。量子計算についてのソフトウェア開発は、解が求められている問題に対応した量子システムのハミルトニアンを設定する試みを含む。これらの努力の画期的出来事は、ショアとグローバのアルゴリズムの発見であった。例えば、ピー・ショア、ＳＩＡＭ Ｊ．ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔ．，２６：５，１４８４−１５０９（１９９７）；エル・グローバ、Ｐｒｏｃ．２８ｔｈ ＳＴＯＣ，２１２−２１９（１９９６）；及びエー・キタエフ、ＬＡＮＬプレプリントｑｕａｎｔ−ｐｈ／９５１１０２６（１９９５）を参照。特に、ショアのアルゴリズムは、量子コンピュータが大きな数の因数分解を効率的にすることを可能にする。この応用では、量子コンピュータが全ての既存の「公開キー」暗号化スキームを時代遅れにしてしまうであろう。別の応用では、量子コンピュータ（又は、量子リピータなどのより小さいスケールの装置でさえ）は、メッセージが傍受のプロセス中で破壊されることなくして傍受できない絶対的に安全な通信チャンネルを可能にする。例えば、エッチ・ジェー・ブリゲル、ダブリュ・デュアー、ジェー・アイ・シラック、ピー・ゾラー、ＬＡＮＬプレプリント、ｑｕａｎｔ−ｐｈ／９８０３０５６（１９９８）参照。
【０００４】
耐故障量子計算が理論的に可能であることを示すと量子コンピュータの実際的な実現の試みのための道を開いた。例えば、イー・ニル、アール・ラフレーム、及びタブリュ・ズレック、サイエンス、２７９，ｐ．３４２（１９８８）参照。量子コンピュータの１つの提案された応用は、大きい数の因数分解である。このような応用では、量子コンピュータは全ての既存の「公開キー」暗号化スキームを時代遅れにしてしまうであろう。別の応用では、量子コンピュータ（又は、量子リピータなどのより小さいスケールの装置でさえ）は、メッセージが原理的に傍受のプロセス中で破壊されることなくして傍受できない絶対的に安全な通信チャンネルを可能にする。例えば、エッチ・ジェー・ブリゲル等、ＬＡＮＬプレプリント、ｑｕａｎｔ−ｐｈ／９８０３０５６（１９９８）参照。
【０００５】
量子計算は一般に、Ｎキュビット（量子ビット）の状態を初期化し、Ｎキュビット中に制御された絡み合いを作り、キュビット・システムの状態の発展を可能にし、そしてその後のキュビットを読み取ることを含む。キュビット・システムは、通常、２つの縮退（等しいエネルギー）量子状態を有するシステムであり、いずれかの状態でシステムが見つかる非ゼロの確率を持つ。従って、Ｎキュビットは、２^Nの古典的状態の組合わせの初期状態を定義できる。この絡み合った初期状態はキュビットが共にそれら自身間及び外的影響の両方の相互作用により制御される発展を受ける。この発展がキュビット・システムにより実行される計算、実際は、２^N個の同時古典的計算を定義する。発展後のキュビットの読出しはそれらの状態の完全な決定であり、従って、計算結果である。
【０００６】
量子コンピュータにおけるキュビットについていくつかの物理的システムが提案されている。１つのシステムは縮退した原子核スピン状態を持つ分子を使用する。エヌ・ガーシェンフェルド及びアイ・チャン、米国特許第５，９１７，３２２号「量子情報処理装置及びその方法」を参照。原子核磁気共鳴（ＮＭＲ）技術が、スピン状態を読むことができる。これらのシステムは探索アルゴリズム、例えば、エム・モスカ、アール・エッチ・ハンセン、及びジェー・エー・ジョンズ、「量子コンピュータ上での量子探索アルゴリズムの実現」、Ｎａｔｕｒｅ，３９３：３４４−３４６，１９９８とその中の参照文献を参照、及び、数順番アルゴリズム、例えば、リーベン・エム・ケイ・バンデルサイペン、マシアス・ステファン、グレゴリ・ブリエタ、コンスタンチノ・エス・ヤンノニ、リチャード・クリーブ、及びアイザック・エル・チャン、「量子コンピュータによる順番探索の実験的実現」、ロス・アラモス、プレプリント、ｑｕａｎｔ−ｐｈ／０００７０１７（２０００）を参照、を成功的に実現した。数順番アルゴリズムは、ショアの自然数の因数分解のためのアルゴリズム及びグローバの分類されていないデータベースの探索のための探索アルゴリズムの両方の本質的な要素の量子フーリエ変換に関連する。しかし、このようなシステムを商業的に有用な数のキュビットに拡張する努力は困難な挑戦に直面する。
【０００７】
無線周波数超伝導量子干渉装置（ＳＱＵＩＤ）キュビット（別のタイプのフェーズ・キュビット）の状態を決定するための１つの方法は、高速シングル・フラックス量子（ＲＳＦＱ）回路を含む。ロベルト・シー・レイドカストロ、マーク・エフ・ボッコ、アンドレア・エム・ハー、シーザー・エー・マンチーニ、マーク・ジェー・フェルドマン、「ｒｆ−ＳＱＵＩＤ上でＭＱＣを観察するためのＲＳＦＱ制御回路設計」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｐｐｌ．Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ，１１，１０１４（Ｍａｒｃｈ２００１）を参照。タイマーが読出し回路を制御しそして単一入力パルスによる全体プロセスをトリガーし、２つの可能な最終キュビット状態の１つのみに対する出力パルスを発生する。この読出し方法のリスクは、量子発展の間におけるキュビットの干渉性消失又はかく乱を生ずる、外界との誘導的結合にある。読出し回路は、キュビットを中間の誘導的ループと隔離することにより、干渉性消失を減少することを試みる。
【０００８】
位相キュビットの１つの物理的な実現は、３又は４つのジョセフソン・ジャンクションを持つマイクロメートルの大きさの超伝導ループを含む。ジェー・イー・ムイジ、ティー・ピー・オランド、エル・レビトフ、リン・ティアン、カスパー・エッチ・バンデルワル、及びセス・ロイド、「ジョセフサン永続性電流キュビット」、サイエンス１９９９年８月１３；２８５：１０３６−１０３９を参照。このシステムのエネルギ・レベルは、超伝導ループを通る磁束の異なる量に対応する。ループに垂直な静磁場を加えるとこれらのレベルの２つ（又は、基本状態）を縮退する。非縮退状態間のトンネリングを可能にするために、典型的に、外部ＡＣ電磁場が加えられる。
【０００９】
さらに、現在知られているキュビットの絡み合いの方法は干渉性の消失を受けやすい。キュビットの量子状態の絡み合いは量子アルゴリズムの応用において重要なステップである。例えば、ピー・ショア、ＳＩＡＭ Ｊ．ｏｆＣｏｐｕｔ．，２６：５，１４８４−１５０９（１９９７）を参照。位相キュビットを絡み合わせるための現在の方法は、各キュビットにおいて束の相互作用を必要とする。ユーリイリイ・マクヒリン、ガード・ション、アレキサンドラ・シュニアマン、「ジョセフソン接合装置による量子状態エンジニアリング」、ＬＡＮＬプレプリント、ｃｏｎｄ−ｍａｔ／００１１２６９（２０００年１１月）を参照。絡み合いのこの形式は、干渉性の喪失と情報の喪失を生ずる周囲の磁場と結合するキュビットに対し感受性がある。
【００１０】
上述したように、現在提案されているキュビットの読出し、初期化、及び絡み合いの方法は、キュビットの位置の磁場を操作又は検出することを含み、これらはこれらの方法が干渉性の消失を受け易くし、結果として得られる量子計算装置の全体スケーラビリテイを制限する。従って、干渉性消失と雑音の他の源を最小にし、そしてスケーラビリテイを最大にする効率的な実現及び方法に対する必要性がある。
【００１１】
（発明の開示）
本発明によれば、量子計算システムはキュビットについての操作を実行するための電流と電圧を利用する制御システムを含む。キュビットについて実行される操作は、キュビットの状態の読出し、キュビットの状態の初期化、及びキュビットの状態を量子計算システム内の他のキュビットの状態と絡み合わせることを含む。いくつかの実施の形態では、キュビットは、永久読出し超伝導体キュビット（ＰＲＳＱ）を含む。しかし、本発明の実施の形態はどんな位相キュビットを含むことができる。
【００１２】
本発明のいくつかの実施の形態においては、制御システムは位相キュビットを接地することができる。位相キュビットを接地すると量子トンネルを２つの縮退状態間に凍結する。キュビットが接地される時、電子がキュビットと接地の間を自由に動き、よって、超電流の波動関数を明確な磁気モーメントを持つ接地状態±Φ₀の１つに崩壊する。従って、接地接続が開の時、キュビットはその状態に留まって読み出される。いくつかの実施の形態では、制御はキュビットを接地に接続するパリテイ・キー又は単一電子トランジスタを含む。単一電子トランジスタ（ＳＥＴ）上の電圧を変調することにより、回路は開き及び閉じ、そしてさらに、ＳＥＴは特定のキュビットに依存して単一電子又はクーパー対（電子対）に対して同調できる。
【００１３】
本発明のいくつかの実施の形態では、制御システムはキュビット量子状態を読み出すために電流をキュビットを通じて加えることができる。キュビットの接地状態中の縮退は、もし電流がキュビットを通じて駆動されると、束が接地された時のキュビットの量子状態（すなわち、±Φ₀）に依存して異なるように行動する。キュビットを横断する電圧は、時間に対するキュビット中の量子束の微分に比例し、キュビットの量子状態に依存し、キュビットを横断する結果として得られる電圧もキュビットの状態に依存して変わる。従って、キュビットの量子状態は、キュビットを接地しそしてキュビットを横断して発生する電圧を測定する間にキュビットを通じて電流を駆動することにより、読み出される。キュビットを横断して測定された電圧がキュビットの１つの状態を示す。
【００１４】
本発明のいくつかの実施の形態では、制御システムはキュビットがその基本状態の１つを占めるように初期化できる。キュビット内の接地状態の２安定性はキュビットを通る電流がゼロの時に発生し、この場合はキュビットの古典的基本状態は±Φ₀である。特定方向へキュビットを横断して電流を駆動することにより、第１状態が選択でき、そして反対に、反対方向へキュビットを横断して電流を駆動することにより、第２状態が選択できる。従って、本発明による制御システムは、第１方向へキュビットを横断して電流を駆動することにより第１状態を初期化し、そして第１方向からは反対の第２方向へキュビットを横断して電流を駆動することにより第２状態を初期化することができる。
【００１５】
さらに、いくつかの実施の形態では、本発明による制御システムは量子計算システム内のキュビットの量子状態間の絡み合いを制御できる。キュビットが初期化されて固定状態から解放されると、それは量子力学的に自由に発展できるようになる。発展波動関数は状態の重ね合わせとしてキュビットの量子情報を記憶する。キュビットを重ね合わせするために、発展波動関数は重ね合わせられることができる。
【００１６】
本発明のいくつかの実施の形態では、キュビット・システムは個別の位相キュビットの二次元格子から構成できる。例えば、格子は、キュビットのＮ行とＭ列を持ち、各インデックスは位相キュビットを持つことができる。格子の各行は、電流の印加のため少なくとも１つの線を持ち、そして接地操作のために少なくとも１つの線を持つことができる。同様に、格子の各列は、電圧の印加のために少なくとも２つの線を持つことができる。キュビット・システムにおいて、列内の各キュビットはキュビット・スイッチを持つことができ、そのスイッチへの電圧の印加は実効的にそのスイッチを閉じ、よって、キュビットが接地されている時に電流が通過できる。各キュビットは、そのキュビットを接地機構へ接続する接地スイッチを持つことができ、そのスイッチに加えられた電圧がスイッチを閉じてそのキュビットを接地する。キュビット・システム内の各行は、電流線を持つことができ、その線へ電流（超電流）を加えると、キュビット・スイッチと接地スイッチとが閉の時、キュビットを通じて接地へ流れる。さらに、電位降下を測定するための機構が、それぞれの各電流線と接地線との間に置かれてこれら２つの線の間の電位降下を測定する。本発明のいくつかの実施の形態は、それぞれ列と線により反転された説明される電流、電圧、及び接地線を持つことができ、又は、それ以外に、与えられた行又は列に対して電流及び電圧線のある組合わせを持つことができる。
これらと他の実施の形態が添付図面を参照して以下に詳細に説明される。
【００１７】
（詳細な説明）
図１は、位相キュビット１００の実施の形態を示す。説明のため、位相キュビットは図１−１８中の永久読出し超伝導体キュビットとして示されている。しかし、位相キュビット１００は、例えば、いくつかのジョセフソン接合を持つマイクロメートルの大きさの超伝導ループと無線周波数超伝導量子干渉装置（ＲＦ−ＳＱＵＩＤ）を含むどんな位相キュビットであることができる。
【００１８】
永久読出し超伝導キュビット（ＰＲＳＱ）設計は、アレキサンドレ・ザゴスキンにより、ここに参照により全体が組み込まれた米国特許出願シリアル番号、０９／４５２７４９、１９９９年１２月１日出願「永久読出し超伝導キュビット」に最初に開示された。いくつかの実施の形態では、図１のキュビット１００のようなＰＲＳＱは、バルク超伝導体１１０、粒境界１１１、メゾスコピック・アイランド１２０（単一過剰クーパー対を測定可能な大きさを持つアイランド）、及びキュビット１００を接地するために接地できる接続からなる。ＰＲＳＱを製造するのに使用される材料は、非ゼロ角モーメントを持つ優勢成分を含んだペアリング対称性といずれのペアリング対称性を持つことのできる副優勢成分を持つ高Ｔｃ超伝導体であることができる。結果として得られるキュビットは基本的状態±Φ₀を有し、ここで、Φ₀はバルク超伝導体の位相、Φ、に関する位相量子である。
【００１９】
キュビット１００は、バルク超伝導体１１０、粒境界１１１を横断して延びた超伝導フインガー１１２、超伝導体メゾスコピック・アイランド１２０、及び超伝導アイランド１２０と接地１３１との間に接続された接地スイッチ１３１からなる。バルク超伝導体１１０は、非ゼロ角モーメントを持つ優勢ペアリング・シンメトリイの超伝導材料から形成できる。バルク超伝導体１１０の結晶方向の角度は、超伝導秩序変数Ａ₁₀₉の方向に関連し、そして波動関数１０９により示される。同様に、メゾスコピック・アイランド１２０は非ゼロ角モーメントを持つ優勢ペアリング対称性の超伝導材料からなる。アイランド１２０の結晶方向は、角度Ａ₁₁₉だけバルク超伝導体１１０の結晶方向に対してずれている。秩序変数の方向は、結晶方向により部分的に決定されて、波動関数１１９は同様に波動関数１０９に対して実効的に回転される。アイランド１２０とバルク材料１１０内の秩序変数のこの不整合は、バルク材料１１０とアイランド１２０の間の粒境界での超電流の時間反転対称性破壊を生ずる。波動関数１０９と波動関数１１９との間の不整合の角度Ａ₁₁₉は変化でき、本発明の実施の形態に依存する。１つの実施の形態では、Ａ₁₁₉が４５°のところで、粒境界での自発電流が最大となる。
【００２０】
キュビット１００の状態は束の二重縮退中に記憶されるが、束が維持される領域は代替的な位相キュビット設計よりはずっと局所化される。従って、ＰＲＳＱは当然に外部磁場及び干渉性消失の他の源との結合を受けることは少なくなる。
【００２１】
キュビット１００などの非対称性キュビットについての単一キュビット操作は、キュビット１００を通して輸送電流を変調することにより実行できる（すなわち、バルク材料１１０とアイランド１２０との間）。輸送電流ＩＴをゼロに設定すると、パウリ行列と呼ばれる
【００２２】

【００２３】
に比例するキュビット１００の量子システムを記述する実効的ハミルトニアンを設定する。キュビット基礎状態｜０＞及び｜１＞が、状態｜０＞がベクトル（１，０）に対応し、そして状態｜１＞がベクトル（０，１）に対応するように選ばれた基礎では、
【００２４】

【００２５】
である。この基礎は、Ｚ対角基礎と呼ぶことができる。この基礎では、パウリ行列
【００２６】

【００２７】
は基礎状態の１つを他の基礎状態へ回転する。すなわち、
【００２８】

及び

【００２９】
である。
キュビット１００のキュビット・システムを記述する実効的ハミルトニアンは、
【００３０】

【００３１】
に比例する項を含む。ここで、トンネリング行列要素
【００３２】

【００３３】
は、キュビット１００のキュビット・システムのクーロン・エネルギーとジョセフソン・エネルギーとに依存して大きな範囲で変化できる。本発明のいくつかの実施の形態では、トンネリング振幅は、１０ＧＨｚのオーダーである。量子アルゴリズムを成功的に実現するために、キュビット１００に実行された操作はトンネリング振幅よりも大きい周波数を持たなければならない。そうでないと、キュビット１００の量子システムは予測不可能になる。例えば、もし、接地スイッチ１３０の周波数がキュビット１３０のトンネリング振幅よりも遅い場合、キュビット１００の状態は接地が加えられた時とキュビット１００に接地が実現された実際の時間との間で発展することができる。
【００３４】
使用可能な量子計算のための大きさを達成するため、キュビット・システム内の干渉性消失の全ての源を最少にしなければならない。非局所化磁場の位相キュビットは、個々のキュビット間の好ましくない結合及びより好ましくない周囲の環境との結合のため、それらの全体の大きさに限界がある。もし、キュビット１００が超伝導リングから作られる位相キュビットの場合、周囲の環境と誘導的に結合する傾向がある。従って、超伝導リングから作られたキュビットを含むシステムは、他のキュビットとのインダクタンス及び回路を流れる周囲電流を最少にするために分離されなければならない。位相キュビットのいくつかの提案された実施の形態は、低インダクタンス、従って、周囲回路と本質的に低い結合を持つ。
【００３５】
エー・ザゴスキンにより開示された図１のキュビット１００のような永久読出し超伝導キュビット（ＰＲＳＱ）は、キュビット間の減少された好ましくない誘導結合のため、接近して離間するキュビットを提供する。キュビット１００は非常に局所化された位相中の状態情報と永久電流を記憶し、従って、隣接キュビットとのどんな潜在的な結合影響を最少にする。キュビット１００内の低インダクタンスは、隣接キュビットをより接近した間隔で置くことを可能にし、そしてさらに周囲の制御システム回路も可能にする。
【００３６】
図２は、制御システム８００に接続されたキュビット１００を示す。制御システム８００は、例えば、線８０１を通してバルク超伝導体１１０に接続され、そして例えば、線８０２を通してアイランド１２０へ接続される。制御８００は、キュビット１００の量子状態を読出し又はキュビット１００の量子状態を初期化するために、キュビット１００を通して電流を提供でき、及びキュビット１００を接地できる。
【００３７】
制御８００は、キュビット１００を接地し、キュビット１００を横断して電流を加え、キュビット１００を横断する電圧を測定し、そして測定された電圧に基づいてキュビット１００の量子状態を翻訳することにより、キュビット１００の状態を読み出すことができる。キュビット１００の量子状態が量子力学的に発展する時、キュビット１００の状態は２つの縮退した量子状態の重ね合わせになる。キュビット１００が接地された時、波動関数は２つの可能な縮退基本状態の１つに崩壊する。電流がキュビット１００を横断して加えられているので、キュビット１００の基本状態（すなわち、｜０＞又は｜１＞のいずれかの基本状態）を定義する束は接地状態から励起状態へ変化する。電圧は時間に対する束の微分に依存しているため、接地時のキュビット１００の状態に依存した電圧が生ずる。もし、接地時に束（量子状態）が第１状態を占めていた場合、一組の電圧パルスを検出できるが、もし、接地時に束が第２状態を占めていた場合、単一の電圧パルスが生ずる。さらに、検出可能な電圧パルスは時間的に分解でき、キュビットの状態間を差別化する方法を示す。
【００３８】
キュビットの状態を読み出す方法の実施の形態は、キュビットを接地し、前記キュビットを横断して接地に電流パルスを加え、そして前記キュビットを横断した接地に対する電位を測定することを含む。電位降下は、１つ又は複数のパルスの形式であることができ、これにより横断する電流の最初の通過に対するパルスの時間的位置が決定できる。キュビットの状態を読み出す方法の１つの実施の形態では、電位測定がキュビットを横断して電流を流すことに対し固定の時間の間に行うことができる。そして、キュビット状態の相関関係は、前記時間の間にキュビットを横断して測定された電位の変化の存在又は欠如に基づいて行うことができる。
【００３９】
超伝導材料の理論的Ｉ−Ｖ特性が、電圧がゼロの場合に超伝導体中を流れる電流が、典型的に、±Ｉ_Cの間で、変化できる範囲を示す。Ｉ_Cは、超伝導体材料の臨界電流と呼ばれる。臨界電流を越えた電流値については、動的なプロセスが発生し、そして超伝導材料は抵抗性になる。理想的でない場合は、超電流、±Ｉ_C、はキュビット１００を横断するゼロ電圧とは関連せずに、典型的にサブギャップ抵抗によりオフセットされる近ゼロ電圧に関連する。従って、キュビット１００の古典的状態を読み出すため、システムの臨界電流で又はより少ない電流を加えることができる。
【００４０】
キュビット１００の接合１１１を横断して電流を加えると、キュビット１００の接地状態をバイアスする降下を持ち、キュビット１００の縮退接地状態の縮退を効果的に取り除く。そして、縮退接地状態の１つが他よりもエネルギー的に有利となる。もし、加えられた電流がキュビット接合１１１の臨界電流を越える場合、キュビット１００の量子状態のエネルギーがポテンシャル井戸から逃れて、逃亡束又は有限な電圧が生ずる。バイアス電流はキュビット１００内の接地状態の二重縮退を取り除くため、超伝導キュビット１００の臨界電流はキュビット１００の量子状態に依存する。例えば、もし、バイアス電流が第１状態にエネルギー的に有利であり、そして接地されたキュビット１００が第１状態を占める場合、臨界電流はＩ_C1であり、もし、接地されたキュビット１００が第２状態をしめている場合、臨界電流はＩ_C2である。状態依存臨界電流の値はキュビット１００の実施の形態により異なるが、ポテンシャル井戸内に適当なトンネル障壁高さを選択することにより、Ｉ_C1とＩ_C2の値を明確にすることができる。キュビット１００のポテンシャル・エネルギー内のトンネリング障壁の高さはキュビットのトンネリング振幅を調整することで調節できる。例えば、これはキュビット１００の容量を調整することで達成できる。
【００４１】
もし、臨界電流Ｉ_C1とＩ_C2が既知ならば、２つの臨界電流の間の大きさのバイアス電流、例えば、（Ｉ_C1＋Ｉ_C2）／２、を加えて、キュビット１００を横断する（すなわち、アイランド１２０と超伝導基板１１０の間）結果として得られる電位降下を測定することによりキュビット１００の量子状態が決定できる。例えば、もし、Ｉ_C1が２つの臨界電流のより低いものであり、キュビット１００の量子システムが臨界電流Ｉ_C1を持つ量子状態に対応する場合、加えられた電流はシステムの臨界電流を越えて動的効果がキュビット１００を横断して測定可能な電圧を生ずる。代替的に、もし、キュビット１００の量子状態が臨界電流Ｉ_C2の量子状態に対応する場合、加えられた電流はシステムの臨界電流を越えず、キュビット１００を横断する測定電位降下はサブギャップ抵抗と関連した小電圧のみを示す。
【００４２】
従って、制御８００はキュビット１００の量子状態を、キュビット１００を接地し（すなわち、アイランド１２０を接地し）、キュビット１００を横断してバイアス電流を加え、バイアス電流はキュビット１００の量子状態と関連した臨界電流の間の大きさであり、そしてキュビット１００を横断して電位効果を測定することにより、読み出すことができる。
【００４３】
このように、図２のキュビット制御システム８００は、キュビット１００の量子状態を読み出すための回路を含むことができる。キュビット制御システム８００は、バルク超伝導体１１０に接続した１つの制御ブランチ８０１と、キュビット１００のアイランド１２０に接続した第２制御ブランチ８０２とを含む。制御システム８００は、制御線８０２を通してキュビット１００を接地し、制御ブランチ８０１を通してバルク超伝導体１１０に電流を加え、そして制御ブランチ８０１とキュビット・ブランチ８０２を横断する電位降下を測定することにより、読出し手順を実行できる。電流は、クーパー対の超電流である。従って、接地されたキュビット１００への電流の印加と同期して、制御システム８００はキュビット１００を横断して電圧を測定する。そして、制御システム８００は、測定された電位降下をキュビット１００の可能な状態の１つを示すものとして解釈する。そして、制御システム８００は、キュビット１００の測定された量子状態をキュビット制御システム８００とインターフェイスする別のシステム（図示しない）に通信する。
【００４４】
制御システム８００は、集積回路方式で自動的読出し方法を提供できる。さらに、制御システム８００は、容易にキュビットの配列へ一般化して、これにより読出し方法を連続して虚ビットの配列中の各キュビットへ適用できる。キュビット制御システム８００は、キュビット１００を含むキュビット・システムを周囲の環境から隔離するために役立つインターフェイスを提供する。そして、外部システムは、キュビット１００と直接的ではなく、制御システム８００と相互作用できる。
【００４５】
本発明のいくつかの実施の形態において、制御システム８００が較正することができる。キュビット１００の状態特有電流は、キュビット１００の量子状態の読出しの際に加えられるべきバイアスの較正として最初に決定できる。そして、上述した読出し手順が実行でき、この場合、加えられたバイアス電流は２つの量子状態に対応した境界臨界電流の間にある。キュビット１００を横断した電位の測定がキュビット１００中にどっちの状態が存在するかを示す。いくつかの実施の形態では、適当なバイアス電流が制御システム８００とインターフェイスするシステムにより記憶できる。
【００４６】
図３は、キュビット配列３００に接続した制御システム８００を持つキュビット配列３００の実施の形態を示す。キュビット配列３００は、キュビット１００−１乃至１００−Ｎを含む。上述したように、単一制御ブランチ８０１は、キュビット１００−１乃至１００−Ｎに共通な超伝導基板１１０に接続している。キュビット・ブランチ８０２−１乃至８０２−Ｎが、それぞれアイランド１２０−１乃至１２０−Ｎに接続している。制御８００は、上述したように、各キュビット１００−１乃至１００−Ｎについて読出し手順が実行できる。いくつかの実施の形態では、キュビット１００−１乃至１００−Ｎの１つの読出し手順の間、読み出されているキュビットは接地され、他方、キュビット１００−１乃至１００−Ｎの残りは接地されない。制御ブランチ８０１と接地されたキュビット・ブランチを横断した電位降下が測定でき、そして読み出されているキュビットの量子状態を決定するために制御システム８００により解釈される。
【００４７】
制御システム８００のいくつかの実施の形態では、キュビット配列３００により表される量子レジスタの同時的な読出しが実行される。いくつかの実施の形態では、読み出されるべきキュビット１００−１乃至１００−Ｎの１つのみが接地されて、他方、キュビット・システム３００内のキュビット１００−１乃至１００−Ｎの残りが量子力学的に進展し続ける。しかし、キュビット・システム３００内のキュビット１００−１乃至１００−Ｎのトンネリング振幅を知ることにより、発展が予測できて、そして次に読み出されるキュビット１００−１乃至１００−Ｎの１つが所望の状態に再びある正確な時間を決定できる。従って、いくつかの実施の形態では、量子レジスタ・システム３００の状態を読み出す方法は、タイミング機構を有し、これによりキュビット１００−１乃至１００−Ｎの各連続したキュビットが、各キュビット１００−１乃至１００−Ｎの所望の状態への戻りと相関関係付けられた対応する間隔で読み出される。図４は、キュビット１００に接続された制御システム８００の１つの実施の形態を示す。制御システム８００は、接地スイッチ１３０、電流源１４０、及びボルトメーター１５０を含む。接地スイッチ１３０は、アイランド１２０を接地へ接続できる。電流源１４０は、電流をバルク超伝導体１１０へ接続する。ボルトメーター１５０は、接地とバルク超伝導体１１０との間の電位降下を測定する。もし、接地スイッチ１３０が閉じられると、接地スイッチと電流源１４０、バルク超伝導体１１０とメゾスコピック・アイランド１２０を含む回路が完成して、電流がキュビット１００を横断して流れる。さらに、ボルトメーター１５０は、接地スイッチ１３０が閉じられた時、ボルトメーター１５０がキュビット１００を横断する電位を測定するため、バルク超伝導体１１０と接地１３１との間のキュビット１００と平行に接続されている。
【００４８】
いくつかの実施の形態では、スイッチ１３０はアイランド１２０を接地に接続できる単一電子トランジスタ又はパリテイ・キーである。単一電子トランジスタ（ＳＥＴ）上の電圧を変調することにより、制御回路８００が接地接続を開いたり又は閉じたりできる。ＳＥＴの振舞いは、ここにその全体が参照により組み込まれた、ピー・ジョイズ等、「超伝導単一電子トランジスタ中のジョセフソン・トンネリングのパリテイ誘導抑制の観察」、フィジカル・レビュー・レター、Ｖｏｌ．７２，Ｎｏ．１５，１９９４年４月１１日、に良く定義されていて詳細に議論されている。
【００４９】
本発明のいくつかの実施の形態では、キュビット１００に対して電流源１４０により生成された状態特有臨界電流値が較正されてバイアス電流の大きさを特徴付けるために使用される。いくつかの実施の形態では、キュビット・システム内の各キュビットに対するバイアス電流が決定されて制御システム８００とインターフェイスするシステム内に記憶される。
【００５０】
いくつかの実施の形態において、ボルトメーター１５０は、ピコ秒の時間スケールでマイクロ・ボルトのオーダーの大きさを測定できる無線周波数単一電子トランジスタである。ここに参照により全体が組み込まれた、アール・ジェー・シュエルコフ、ピー・ウォルグレン、エー・エー・コズフニコフ、ピー・デルシング、デー・イー・プローバー、「無線周波数単一電子トランジスタ（ＲＦ−ＳＥＴ）：高速超高感度電子メーター」、サイエンス、２８０，１２３８（１９９８年５月）を参照。
【００５１】
図４に示される制御システム８００の実施の形態を使用した読出し方法は、キュビット１００を接地スイッチ１３０を通じて接地し、電流源１４０を通してバイアス電流を加え、ボルトメーター１５０でキュビット１００を横断した電位降下を測定し、そしてキュビット１００の量子状態を決定するために測定された電位降下を解釈することを含む。いくつかの実施の形態では、ボルトメーター１５０が直接にキュビット１００の測定された量子状態を出力するために較正できる。いくつかの実施の形態では、制御システム８００の他の部分はボルトメーター１５０からの電圧測定を受け取りそしてキュビット１００の量子状態を決定するために較正される。
【００５２】
キュビット１２０が、接地スイッチ１３０を通して接地１３１へ接地される。電流源１４０がキュビット１００と接地１３１に直列に接続され、そしてボルトメーター１５０がキュビット１００と平行に接続される。スイッチ１３０が閉じられる時、アイランド１２０を接地し、超電流の波動関数が明確な磁気モーメントを持つ接地状態±Φ₀の１つに崩壊する。アイランド１２０が接地されてキュビット１００の量子状態が固定されて、電流源１４０により電流がキュビット１００を通して加えられる。電流は、バルク超伝導体１１０を通り、アイランド１２０を通り、接地１３１へ流れる。電流がキュビット１００を通して駆動されると、束の時間依存変化が発生して、電圧がキュビット１００を横断して発生する。ボルトメーター１５０が電圧を測定し、検出された電圧ピークがキュビットの状態を決定するために解釈される。いくつかの実施の形態では、電流源１４０により発生されるバイアス電流は、キュビットの量子状態に関連した臨界電流の間にある。
【００５３】
図５は、制御８００の実施の形態に接続されたキュビットの配列３００の例を示す。キュビットのキュビット・システム配列３００内の各キュビット１００−１乃至１００−Ｎは、それぞれ接地スイッチ１３０−１乃至１３０−Ｎに接続されていて、それにより各キュビット１００−１乃至１００−Ｎは制御システム８００がそれぞれのスイッチ１３０−１乃至１３０−Ｎを閉じる時に選択的に接地１３１に接続される。さらに、図４に示される単一キュビットの場合と同じく、電流源１４０がバルク超伝導体１１０と接地１３１の間に接続されている。ボルトメーター１５０が、バルク超伝導体１１０と接地１３１の間にキュビット１００−１乃至１００−Ｎと平行に接続されている。
【００５４】
キュビット１００−１に対する読出し方法では、例えば、制御システム８００がスイッチ１３０−１を閉じることによりアイランド１２０−１を接地する。スイッチ１３０−２乃至１３０−Ｎは開いたままである。そして、制御システム８００が、電流源１４０により、キュビット１００−１を通してバイアス電流を加えて、ボルトメーター１５０によりキュビット１００−１を横断した電位降下が測定できる。キュビット１００−１の量子状態はボルトメーター１５０により測定された特性電圧により決定される。そして、読出し方法を次々と全てのキュビット１００−１乃至１００−Ｎに繰返すことができる。
【００５５】
本発明のいくつかの実施の形態では、制御システム８００及び全ての接続線（すなわち、線８０１、及び８０２−１乃至８０２−Ｎ）は、ＹＢａ₂Ｃｕ₃Ｏ_7-x、ここで、ｘは約０と約０．６の間の値である、などの高Ｔｃ超伝導材料から製造される。Ｂｉ₂Ｓｒ₂Ｃａ_n-1Ｃｕ_nＯ_2n+4、Ｔｉ₂Ｂａ₂ＣｕＯ_6+x、及びＨｇＢａ₂ＣｕＯ₄、などの他の超伝導材料は、非ゼロ角モーメントを持つペアリング対称性のｄ波超伝導体の例であり、制御システム８００を製造するために使用できる。本発明のいくつかの実施の形態では、ｐ波超伝導体である低温超伝導体Ｓｒ₂ＲｕＯ₄又は重フェルミオン材料、ＣｅＩｒＩｎ₅、例えば、も非ゼロ角モーメントを持ち、制御システム８００を製造するために使用できる。熱による干渉性消失を減少して量子振舞いを最適にするため、いくつかの実施の形態では、キュビット・システム３００は約１Ｋの温度で操作する。
【００５６】
本発明のいくつかの実施の形態では、制御システム８００はキュビット・システム３００のキュビット１００−１乃至１００−Ｎの量子状態の初期化もする。キュビット１００（キュビット１００−１乃至１００−Ｎの任意の１つ）の状態を初期化する方法は、キュビットを横断して特定の方向へ電流を駆動し、電流をゼロに下げるようにランプすることを含む。キュビット１００を通るバイアス電流がゼロに減少する時、キュビット１００に接地状態の２安定性が発生し、ここでキュビット１００の古典的量子状態が±Φ₀に対応する。すなわち、キュビット１００を横断して特定の方向へ電流を駆動することにより、第１状態が選択でき、そして、キュビット１００を横断して反対方向へ電流を駆動することにより、第２状態が選択できる。電流が正方向からゼロへ傾斜的に下がる時、キュビット１００の束状態は＋Φ₀の接地状態へ緩和される。一方、もし、電流が負方向からゼロへ傾斜的に上がる場合、キュビット１００の束状態は−Φ₀の接地状態へ緩和される。状態＋Φ₀及び−Φ₀はキュビット１００の２安定性の接地状態に対応しているため、キュビット１００を一方又は他方の状態へ置く動作はキュビット１００の状態を初期化することと等価である。
【００５７】
いくつかの実施の形態では、制御システム８００は十分な継続時間の間、キュビットを横断する方向性の小さな大きさの電流を維持することによりキュビット１００を初期化する。電流源１４０からの電流は実効的にキュビット１００中の電位エネルギーをバイアスし、古典的量子状態の縮退を取り除く。ある十分な時間の間、キュビット１００の量子状態は電流源１４０からの印加されたバイアス電流により決定されるエネルギー的により有利な状態へ遷移する。
【００５８】
図６は、キュビット１００の量子状態を初期化できるキュビット１００に接続された制御システム８００の実施の形態を示す。図６の制御システム８００は、二方向電流源１４０とアイランド１２０を接地１３１へ接続できる接地スイッチ１３０とを含む。図６中のボルトメーター１４０は、キュビット１００の読出し手順を容易にするために含むことができる。
【００５９】
そして、初期化方法は、キュビット１００を接地するためにスイッチ１３０を閉じ、電流源１４０からキュビット１００にある大きさＩ_bの電流を加え、そして、源１４０からの電流を大きさＩ_bからゼロへ傾斜で戻す。いくつかの実施の形態では、制御回路８００は第１状態を初期化するために正電流Ｉ_bを加え、第２状態を初期化するために負電流Ｉ_bを加える。
【００６０】
いくつかの実施の形態では、初期化手順はスイッチ１３０を閉じてキュビット１００のアイランド１２０を接地し、そして電流源１４０からキュビット１００を通してバイアス電流をキュビット１００の量子状態が選択された初期状態へ、例えば、トンネリングにより遷移するのに十分に長い継続時間だけ加える。いくつかの実施の形態では、継続時間はキュビット・システムのトンネリング・レートに依存し、そしていくつかの実施の形態では、キュビット１００の量子システムが選択された状態へ緩和するためにキュビット１００のトンネリング振幅のオーダーに依存する。
【００６１】
図７は、二方向性の電流源１４０の実施の形態を示す。図７に示すように、電流源１４０は第１電流源１４１と第２電流源１４２とを含む。電流源１４１はスイッチ１４３と直列に接続し、電流源１４２はスイッチ１４４と直列に接続する。電流源１４１とスイッチ１４３との組合わせは電流源１４２とスイッチ１４４と平行に接続され、超伝導基板１１０と接地１３１との間に接続される。そして、制御システム８００は、スイッチ１４３を閉じてスイッチ１４４を開くことにより第１方向へ電流を供給する電流源１４１を選択できる。代替的に、電流源８００は、スイッチ１４４を閉じてスイッチ１４３を開くことにより、第１方向とは反対の第２方向へ電流を供給する電流源１４２を選択できる。いくつかの実施の形態では、スイッチ１４１と１４３の各々はＳＥＴである。
【００６２】
図８は、キュビット・システム３００に接続した図７に示された制御システム８００の実施の形態を示す。キュビット・システム３００は、キュビット１００−１乃至１００−Ｎを含む。いくつかの実施の形態では、制御システム８００は、キュビット１００−１乃至１００−Ｎの１つを初期化するためにそれぞれのスイッチ１３０−１乃至１３０−Ｎの１つを選択し、キュビット１００−１乃至１００−Ｎの選択された１つを接地し、そして初期化されているキュビット１００−１乃至１００−Ｎの１つを横断して電流を加えて、各キュビット１００−１乃至１００−Ｎを順に初期化できる。
【００６３】
図９は、制御８００と共に使用できるボルトメーター１４０の実施の形態を示す。ボルトメーター１４０は、例えば、ここに参照により全体が組み込まれたエー・エヌ・コロトコフ及びエム・エー・パラネン、「無線周波数単一電子トランジスタの電荷感受性」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７４，２６（１９９９）に記載されるような無線周波数単一電子トランジスタ・エレクトロメーターである。ＳＥＴの操作と振舞いは良く知られており、ここに参照により全体が組み込まれたピー・ジヨエズ等、「超伝導単一電子トランジスタ内のジョセフソン・トンネリングのパリテイ誘導抑制の観察」、フィジカル・レビュー・レター、Ｖｏｌ．７２，Ｎｏ．１５，１９９４年４月１１日に詳細に説明されている。
【００６４】
ＲＦ−ＳＥＴボルトメーター１４０は、ＳＥＴ７０９と、タンク回路７１２と、信号を加えて検出するためのポート７０６とを含む。単一電子トランジスタ（ＳＥＴ）７０９は、例えば、ニオブ、アルミニウム、鉛、スズ、及びどんな高温超伝導カップレートなどの超伝導材料から形成できる。単一電子トランジスタの製造及び操作の説明は、ここに参照により全体が組み込まれたピー・ジヨエズ等、「超伝導単一電子トランジスタ内のジョセフソン・トンネリングのパリテイ誘導抑制の観察」、フィジカル・レビュー・レター、Ｖｏｌ．７２，Ｎｏ．１５，１９９４年４月１１日及びアール・ジェー・シュエルコフ、ピー・ウォルグレン、エー・エー・コズフニコフ、ピー・デルシング、及びデー・イー・プローバー、「無線周波数単一電子トランジスタ（ＲＦ−ＳＥＴ）：高速超高感度電子メーター」、サイエンス、２８０，１２３８−４２（１９９８年５月２２日）に記載されている。ＳＥＴ７０９は、共振に同調された高品質ファクター・タンク回路７１２内に置かれる。タンク回路７１２は、インダクタ７０７とキャパシタ７０８とを含む。キャパシタ７０８は、ＳＥＴ７０９と平行に接続される。ＳＥＴ７０９内の第３端子は電極８０１に接続され、それは制御システム８００内で超伝導基板１１０へ接続される。無線周波数又はマイクロ波信号７０４が回路７１２へ導入される。反射信号７０５はＳＥＴ７０９のコンダクタンスの関数である。確立された技術を使用して反射信号７０５を解析すると電極７１０と接地１３１との間の電圧差が測定できる。
【００６５】
操作において、キュビット１００を横断して電流が駆動され、ｒｆ−ＳＥＴボルトメーター１４０がキュビット１００と平行に接続され、タンク回路７１２の共振が分配されて、戻るマイクロ波パルス７０５の電荷がキュビット１００の量子状態の検知を可能にする。
【００６６】
本発明のいくつかの実施の形態では、キュビット１００の量子状態の読出しは、例えば、ここに参照により全体が組み込まれたマルクリン・ワイ、ショーエン・ジー、及びシュニルマン・エー、「ジョセフソン接合装置による量子状態エンジニアリング」、ａｒＸｉｖ，ｃｏｎｄ−ｍａｔ／００１１２６９，２０００年１１月１５日に記載された既知の手順による単一電子トランジスタ（ＳＥＴ）の使用により行うことができる。ＳＥＴの実施の形態は図９のＳＥＴ７０９として示されている。ＳＥＴ７０９は、３つの装置（例えば、端子１３１、８０１及び７１２）に接続できる。電子又はクーパー対はＳＥＴ７０９が荷電されていない時にＳＥＴ７０９へトンネルすることができる。しかし、ＳＥＴ７０９は十分に小さくて、一旦、電子又はクーパー対がＳＥＴ７０９へトンネルすると、ＳＥＴ７０９の荷電は電気的に反発してＳＥＴ７０９へのさらなるトンネルを防止する。ＳＥＴ７０９と関連した端子８０１は、ＳＥＴ７０９の電圧を変化でき、そしてタンク回路７１２を非同調にし、反射波７０５の特性を変化する。
【００６７】
図１０に示すように、いくつかの実施の形態では、制御システム８００はキュビット対１００のキュビット１００−１及び１００−２の２つのキュビット間の量子状態を絡み合わせることができる。図１０の制御システム８００はさらに制御線８２０を介して絡み合いスイッチ１５５を制御する。キュビットの絡み合いは、キュビット１００−１及び１００−２の量子状態の自由な発展中に発生する。キュビット１００−１及び１００−２が完全にそれらの環境から切り離されている時、絡み合い操作はキュビット１００−１及び１００−２の各々の量子状態の波動関数が重なり合うことを可能にし、よって、キュビット１００−１及び１００−２の各々の状態に関する情報を混合する。固体状態において、キュビット１００−１及び１００−２を物理的に一緒に接続することにより、キュビット１００−１及び１００−２を絡み合わせることができる。キュビット１００−１及び１００−２中の永久電流を混合することを可能にすることにより、キュビット１００−１及び１００−２の状態が絡み合う。
【００６８】
図１０に示すように、制御システム８００は、キュビット１００−１及び１００−２のアイランド１２０−１及び１２０−２をそれぞれ絡み合いスイッチ１５５を介して及びスイッチ１５５の状態を制御することにより直接的に一緒に接続することにより、キュビット１００−１及び１００−２の量子状態を絡み合わせることができる。スイッチ１５５が閉じられる時、超電流がアイランド１２０−１と１２０−２の間を流れることができる。制御システム８００は、スイッチ１５５を切り換え、キュビット１００−１及び１００−２の間の接続を制御し、量子アルゴリズムの実現の必要に応じてオン及びオフすることができる。
【００６９】
本発明のいくつかの実施の形態では、絡み合いスイッチ１５５は、閉じられている時、クーパー対の干渉性転送を可能にする。一方、開いる時は、キュビット１００−１及び１００−２の間の接続を実効的に切断する。いくつかの実施の形態では、絡み合いスイッチ１５５のスイッチング・レートは、絡み合いスイッチ１５５がキュビット１００−１及び１００−２の量子状態遷移の時間スケールと比較した時に速くなるように、キュビット１００−１及び１００−２の最大の可能なトンネリング振幅のオーダーである。
【００７０】
いくつかの実施の形態では、制御８００はキュビット１００−１及び１００−２を単位の継続時間、接続するが、単位の継続時間はキュビット１００−１及び１００−２の実施の形態に依存する。いくつかの実施の形態では、単位の継続時間は少なくともキュビット・システム１０００のトンネリング振幅のオーダーである。計算アルゴリズムによりより長い接続継続時間が必要な場合、複数の単位の継続時間の絡み合いを結合できる。
【００７１】
図１１は、制御システム８００に接続されたキュビット配列３００を持つ本発明の実施の形態を示し、制御システム８００はキュビット１００−１乃至１００−Ｎの隣接するもの量子状態を絡み合わせることができる。キュビット１００−１乃至１００−Ｎの隣接対は、スイッチ１５５−１乃至１５５−（Ｎ−１）を介して接続できる。例えば、キュビット１００−１と１００−２はスイッチ１５５−１を介して接続でき、キュビット１００−（Ｎ−１）と１００−Ｎは、スイッチ１５５−（Ｎ−１）を介して接続できる。制御８００はアルゴリズム・プログラム命令に応答してキュビット１００−１乃至１００−Ｎの隣接するものの間の量子状態を絡み合わせることができるように、制御８００はスイッチ１５５−１乃至１５５−（Ｎ−１）の各々と接続する。
【００７２】
図１２は、本発明の１つの実施の形態を示し、制御システム８００はキュビット対１０００のキュビット１００−１及び１００−２を初期化でき、キュビット１００−１及び１００−２を読み出すことができ、そして上述したようにキュビット１００−１及び１００−２を絡み合わせることができる。制御システム８００は、キュビット１００−１及び１００−２を横断して接続された２方向性電流源１４０と、キュビット１００−１及び１００−２を横断して接続されたボルトメーター１５０と、アイランド１２０−１及び１２０−２とそれぞれ接地１３１の間に接続された接地スイッチ１３０−１及び１３０−２と、キュビット１００−１及び１００−２の間の絡み合いを制御するための絡み合いスイッチ１５５に接続された絡み合い電圧源１６０とを含む。
【００７３】
本発明のいくつかの実施の形態では、絡み合いスイッチ１５５はＳＥＴ又はパリテイ・キーであり、電圧源１６０は絡み合いスイッチ１５５を開状態又は閉状態にする。制御システム８００は電圧源１６０により電圧Ｖ_gを絡み合いスイッチ１５５へ加えることにより、キュビット１００−１及び１００−２の量子状態を絡み合わせることができる。そして、絡み合いスイッチ１５５は閉じて、クーパー対がキュビット１００−１及び１００−２の間を流れて、キュビット１００−１及び１００−２の量子状態を絡み合わせる。絡み合い操作の際、キュビット１００−１及び１００−２が環境から隔離されて量子力学的に自由に発展するために接地スイッチ１３０が開かれる。
【００７４】
さらに、図１２の制御システム８００は、絡み合いスイッチ１５５を開き、接地スイッチ１３０−１及び１３０−２を介してアイランド１２０−１及び１２０−２の１つを接地し、そして電流源１４０から電流を加えて、読み出されるキュビット１００−１及び１００−２の１つを横断する電圧を監視することにより、キュビット１００−１及び１００−２の量子状態を読み出すことができる。さらに、図１２の制御８００は、絡み合いスイッチ１５５を開き、アイランド１２０−１又は１２０−２の１つを接地し、そして初期化されているキュビット１００−１及び１００−２の１つの量子状態が所望の状態へ遷移するように上述したように電流源１４０からバイアス電流を加えることにより、キュビット１００−１及び１００−２の状態を初期化できる。
【００７５】
図１３は、制御システム８００に接続されたキュビット配列（レジスタ）３００を示す。制御システム８００は、キュビット１００−１乃至１００−Ｎの各々について読出し操作ができ、キュビット１００−１乃至１００−Ｎの各々について初期化でき、そしてキュビット１００−１乃至１００−Ｎの隣接対を絡み合わせることができる。キュビット１００−１乃至１００−Ｎの隣接するものは絡み合いスイッチ１５５−１乃至１５５−（Ｎ−１）を介して接続でき、絡み合いスイッチ１５５−１乃至１５５−（Ｎ−１）の各々の状態はそれぞれ電圧源１６０−１乃至１６０−（Ｎ−１）により変調できる。キュビット１００−１乃至１００−Ｎの隣接するどんな数の対もある時間で制御８００の指示により絡み合わせることができる。制御８００は、制御８００と通信できるアルゴリズム命令に応答して、キュビット１００−１乃至１００−Ｎの隣接対を絡み合わせる。
【００７６】
さらに、図１３の制御システム８００は電流源１４０と、ボルトメーター１５０と、接地スイッチ１３０−１乃至１３０−Ｎと、接地１３１とを含み、上述したように、制御システム８００はキュビット１００−１乃至１００−Ｎの量子状態を読出してキュビット１００−１乃至１００−Ｎの量子状態を初期化できる。このようにして、制御システム８００は量子計算アルゴリズムを実行するための操作の全てを提供する。
【００７７】
図１４は、制御システム８００に接続された一対のキュビット１０００の別の実施の形態を示し、制御システム８００はキュビット１００−１及び１００−２の量子状態を読出し、キュビット１００−１及び１００−２内の量子状態を初期化し、そしてキュビット１００−１及び１００−２内の量子状態を絡み合わせることができる。制御システム８００は、接地１３１とスイッチ１３０−１及び１３０−２の間に接続されたスイッチ１３２を含む。そして、制御システム８００は、スイッチ１３０−１及び１３０−２がそれぞれアイランド１２０−１及び１２０−２を接地しないように、両スイッチ１３０−１と１３０−２を閉じてスイッチ１３２を開くことにより、キュビット１００−１及び１００−２の量子状態を絡み合わせることができる。また、いくつかの実施の形態では、スイッチ１４５が平行に接続された電流源１４０とボルトメーター１５０と超伝導基板１１０との間に含まれる。そして、キュビット１００−１及び１００−２はキュビット１００−１及び１００−２の外側の影響から切り離すことができる。
【００７８】
さらに、キュビット１００−１及び１００−２の１つを、スイッチ１３２とスイッチ１４５を閉じ、読み出されるキュビットと対応したスイッチ１３０−１又は１３０−２の１つを閉じ、電流源１４０から電流を加え、そしてボルトメーター１５０により電圧を測定することにより、読み出すことができる。キュビット１００−１及び１００−２の１つは、スイッチ１３２とスイッチ１４５を閉じ、キュビット１００−１又は１００−２のいずれかが初期化されるかに依存してスイッチ１３０−１又は１３０−２の１つを閉じ、そして電流源１４０からの電流をキュビット１００−１及び１００−２の１つを横断して加えることにより、初期化することができる。
【００７９】
図１５は、制御システム８００に接続されたキュビット配列３００の別の実施の形態を示す。制御システム８００はキュビット１００−１乃至１００−Ｎについて、読出し、初期化、及び絡み合い操作が実行できる。キュビット１００−１乃至１００−Ｎの各々は、それぞれスイッチ１３０−１乃至１３０−Ｎを介してスイッチ１３２により接地に接続される。制御システム８００は、アイランド１２０−１乃至１２０−Ｎの各々をそれぞれスイッチ１３０−１乃至１３０−Ｎを閉じて、スイッチ１３２を閉じることにより接地できる。制御システム８００は、キュビット１００−１乃至１００−Ｎの隣接するものの状態をスイッチ１３０−１乃至１３０−Ｎの対応するものを閉じて、スイッチ１３２を開くことにより、絡み合わせることができる。さらに、図１５に示されるように制御システム８００は、キュビット１００−１乃至１００−Ｎの隣接するものの間の量子状態の絡み合わせに限定されない。例えば、キュビット１２０−２と１２０−（Ｎ−１）はスイッチ１３０−２と１３０−（Ｎ−１）とを閉じ、スイッチ１３２を開くことにより絡み合わせることができる。図１５に示される制御システム８００の実施の形態において、どんな数のキュビットがスイッチ１３０−１乃至１３０−Ｎのそれぞれを閉じて、スイッチ１３２を開くことにより絡み合わせることができる。
【００８０】
図１６は、キュビット１００と、電圧Ｖ₁₄₅により変調されたキュビット・スイッチ１４５と、電圧Ｖ₁₃₀により変調された接地スイッチ１３０と、キュビット・スイッチ１４５を介してキュビット１００へ接続された電流線Ｉ₁₄₀と、接地スイッチ１３０を介してキュビット１００に接続された接地１３１と、電流線Ｉ₁₄₀と接地１３１との間の電位降下を測定するために接続されたボルトメーター１５０とを含んだ単一キュビット・システム６００を示す。システム６００内のキュビット１００の状態を初期化するための方法は、キュビット・スイッチ１４５と接地スイッチ１３０とにそれぞれ電圧Ｖ₁₄₅とＶ₁₃₀を加え、そして電流Ｉ₁₄₀を加えることを含むことができる。加えられた電流の方向はキュビット１００の選択されたバイアス状態を決定できる。キュビット１００の状態を読み出すための方法の実施の形態は、キュビット・スイッチ１４５と接地スイッチ１３０のそれぞれに電圧Ｖ₁₄₅とＶ₁₃₀を加え、電流線Ｉ₁₄₀へ電流を加え、電流線Ｉ₁₄₀と接地１３１との間の電位降下を測定し、そして測定された電位降下に基づいてキュビット１００の状態を解釈することを含むことができる。
【００８１】
図１７は、キュビット１００−１，１、乃至１００−Ｎ，Ｍを含んだキュビットの格子の二次元表現を示す。キュビット１００−１，１、乃至１００−Ｎ，Ｍは、電流Ｉ１４０−１乃至Ｉ１４０−Ｎへそれぞれスイッチ１４５−１，１乃至１４５−Ｎ，Ｍを介して行に接続される。さらに、キュビット１００−１，１、乃至１００−Ｎ，Ｍは、接地１３１−１乃至１３１−Ｎへそれぞれスイッチ１３０−１，１乃至１３０−Ｎ，Ｍを介して行に接続される。スイッチ１４５−１，１乃至１４５−Ｎ，Ｍは、制御電圧Ｖ_145-1乃至Ｖ_145-Mに列として接続される。さらに、スイッチ１３０−１，１乃至１３０−Ｎ，Ｍは、制御電圧Ｖ_130-1乃至Ｖ_130-Mに列として接続される。さらに、ボルトメーター１５０−１乃至１５０−Ｎは、それぞれＩ_140-1乃至Ｉ_140-Nと接地１３１−１乃至１３１−Ｎとの間の電位降下を測定する。この表示によると、例えば、キュビット１００−ｉ，ｊは、ｉ番目の行とｊ番目の列を指す。
【００８２】
いくつかの実施の形態では、キュビット１００−１，１、乃至１００−Ｎ，Ｍは、各連続する列のキュビットを同時に初期化し、列を横断して進むことにより初期化できる。例えば、最初に、電圧が電圧線Ｖ_145-1及びＶ_130-1に加えることができ、よって、第１列内の各キュビットに対してそれぞれのキュビット・スイッチ及び接地スイッチを閉じる。次に、それぞれの電流線の電流の方向が初期化されるべき基本状態を決定するために、電流が同時に各電流線Ｉ_140-1乃至Ｉ_140-Nに加えられる。そして、プロセスが格子中の残りの列に対して繰り替えさられて、全キュビット・システムを初期化するために全体でＭステップが必要である。格子キュビット・システム、キュビット１００−１，１、乃至１００−Ｎ，Ｍ、の状態を読み出す方法の実施の形態は、スイッチ１００−１，１、乃至１００−Ｎ，Ｍの各々を閉じることにより全システムを接地し、読み出されるキュビットの列のキュビット・スイッチ１４５−１，１乃至１４５−Ｎ，Ｍの１つの列に電圧を加え、前記第１キュビットのそれぞれの電流線へ電流を加え、それぞれの電流線と接地線との間の電位降下を測定し、そして読み出されているキュビットの状態を解釈することを含むことができる。計算の間、キュビット・システム内のキュビット１００−１，１、乃至１００−Ｎ，Ｍは、全てのスイッチ１４５−１，１乃至１４５−Ｎ，Ｍと１３０−１，１乃至１３０−Ｎ，Ｍを開くことにより、周囲から完全に隔離できる。
【００８３】
上述したように、量子計算の局面はキュビット状態の絡み合わせを含むことができる。本発明の実施の形態は、キュビット・システム内でキュビットを絡み合わせる方法を提供でき、キュビット・システムは二次元格子レイアウトを含むことができる。もし、接地線が線接地スイッチを含む場合、接地が線から切り離された時に、線は行内のいずれの２つのキュビットの状態を絡み合わせる手段として使用できる。
【００８４】
図１８は、本発明の実施の形態を示し、接地線１３１−１が電圧Ｖ_G-132により変調される線接地スイッチ１３２−１を含む。キュビットを絡み合わせる方法の実施の形態は、接地線１３１−１に接続されたキュビットが接地から隔離されるように行内の線接地スイッチ１３２−１を開くことを含む。接地スイッチ１３２−１の変調は、電圧線Ｖ_G-132により制御できる。本発明の１つの実施の形態では、電圧線が全ての行の線接地スイッチを変調する。本発明の別の実施の形態では、各線接地スイッチはシステム内の他の行とは独立に変調できる。このような実施の形態では、各キュビットはシステム内の他の全てのキュビットとは独立に接地でき、よって、計算の崩壊なく各キュビットの初期化と読出しが可能である。
【００８５】
本発明が特定の実施の形態について説明されたが、詳細に説明された実施の形態は本発明の応用の例にすぎず、限定するものとして考えるべきではない。当業者は本発明の精神と範囲内の変形を認識できる。例えば、ここに説明された実施の形態は永久読出し超伝導キュビットを含むが、どんな位相キュビットも含むことができる。ここに開示された実施の形態の特徴のさまざまな応用と組合わせは、特許請求の範囲の記載により定義される本発明の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】永久読出し超伝導キュビットの実施の形態を示す図。
【図２】制御システムを持つ永久読出し超伝導キュビット（ＰＲＳＱ）を示す図。
【図３】本発明による制御システムを持つキュビットの配列を示す図。
【図４】本発明によるキュビットと結合された読出し制御回路を含む制御システムの実施の形態を示す図。
【図５】本発明によるキュビット配列と接続した制御システムの読出し回路の実施の形態を示す図。
【図６】本発明によるキュビットに接続された制御システムの読出し及び初期化回路の実施の形態を示す図。
【図７】本発明によるキュビットに接続された制御システムの読出し及び初期化回路の実施の形態を示す図。
【図８】本発明によるキュビットの初期化と読出しが可能な制御回路の実施の形態と接続されたキュビットの配列を示す図。
【図９】無線周波数単一電子トランジスタ（ＲＦ−ＳＥＴ）の実施の形態を示す図。
【図１０】本発明によるキュビットの絡み合いが可能な制御システムの実施の形態を示す図。
【図１１】本発明によるキュビットの配列を制御するため接続されたキュビットの絡み合いが可能な制御システムの実施の形態を示す図。
【図１２】本発明によるキュビットに接続された制御システムの実施の形態を示す図。
【図１３】本発明によるキュビットの配列に接続された制御システムの実施の形態を示す図。
【図１４】本発明によるキュビットに接続された制御システムの実施の形態を示す図。
【図１５】本発明によるキュビットに接続された制御システムの実施の形態を示す図。
【図１６】本発明による単一の位相キュビットに接続された制御システムの実施の形態を示す図。
【図１７】本発明による位相キュビットの二次元配列に接続された制御システムの実施の形態を示す図。
【図１８】本発明によるキュビットの配列に接続されて、キュビットの配列のキュビットの絡み合いが可能な制御システムの実施の形態を示す図。

Claims (52)

1. キュビットと、
   キュビットについて操作を行うためにキュビットへ電流と電圧を加えることのできるようにキュビットに接続された制御システムと、
   を含むキュビット・システム。
2. 制御システムが、キュビットについて読出し操作を行うことができる請求項１に記載のシステム。
3. 制御システムが、キュビットについて初期化操作を行うことができる請求項１に記載のシステム。
4. 制御システムが、キュビットの量子状態を第２キュビットと絡み合わせることができる請求項１に記載のシステム。
5. キュビットが、位相キュビットである請求項１に記載のシステム。
6. キュビットが、永久読出し超伝導キュビットである請求項１に記載のシステム。
7. キュビットが、超伝導基板と超伝導基板の一部を覆うメゾスコピック・アイランドとを含んで、超伝導基板とメゾスコピック・アイランドとの間に粒境界を形成する請求項６に記載のシステム。
8. 制御システムが、キュビットと接地との間に接続されたスイッチを含む請求項１に記載のシステム。
9. 制御システムが、
   少なくとも１つのキュビットを接地に接続するスイッチと、
   キュビットへ電流を与えるために接続された電流源と、
   キュビットを横断して接続されたボルトメーターと、
   を含む請求項２に記載のシステム。
10. スイッチが、単一電子トランジスタである請求項９に記載のシステム。
11. 電流源が、キュビットの第１状態に対応した第１臨界電流とキュビットの第２状態に対応した第２臨界電流との間の電流を与える請求項９に記載のシステム。
12. ボルトメーターが、キュビットを横断して測定された電圧に依存して第１状態又は第２状態を指示する請求項１１に記載のシステム。
13. 制御システムが、
    キュビットへ電流を与えるために接続された２方向性電流源と、
    キュビットを接地するために接続されたスイッチと、
    を含む請求項３に記載のシステム。
14. ２方向性電流源はスイッチが閉じられた時に第１状態を開始するために第１方向へ電流を与え、そして第２状態を開始するために第２方向へ電流を与える請求項１３に記載のシステム。
15. キュビットの量子システムが第１方向又は第２方向へ緩和するのに十分な時間の間、電流が与えられる請求項１４に記載のシステム。
16. 電流が、キュビットの量子状態を第１方向又は第２方向へ緩和するために傾斜をもって遮断される請求項１４に記載のシステム。
17. 制御システムが、キュビットを別のキュビットへ接続し、よって、２つのキュビットの量子状態を絡み合わせるスイッチをさらに含む請求項１に記載のシステム。
18. 制御システムが、スイッチと接地との間に接続された第２スイッチを含み、第２スイッチが開いた時にキュビットの状態を他のキュビットと絡み合わせるためにキュビットを別のキュビットに接続できる請求項８に記載のシステム。
19. 少なくとも１つのキュビットを有するキュビットの配列と、
    キュビットへ電圧と電流を供給できるキュビットの配列に接続された制御システムと、
    を含むキュビット配列システム。
20. 制御システムが、キュビットの配列中のキュビットを読み出すことができる請求項１９に記載のシステム。
21. 制御システムが、
    キュビットの配列を横断して接続された電流源と、
    接地とキュビットの配列との間に接続されたスイッチの配列と、
    キュビットの配列を横断して接続されたボルトメーターと、
    を含む請求項２０に記載のシステム。
22. 電流源が、キュビットの配列のキュビットの第１状態とキュビットの第２状態との臨界電流の間の電流を供給する請求項２０に記載のシステム。
23. ボルトメーターが、キュビットの配列を横断する電圧に基づいて第１状態又は第２状態を指示する請求項２２に記載のシステム。
24. キュビットの配列中のキュビットの読出し操作中、キュビットがスイッチの配列中のスイッチを通して接地される請求項２２に記載のシステム。
25. 制御システムが、キュビットの配列中のキュビットを初期化できる請求項１９に記載のシステム。
26. 制御システムが、
    キュビットを横断して接続された２方向性電流源と、
    キュビットの配列と接地との間に接続され、キュビットと接地との間に接続されたスイッチの配列とを含み、
    初期化ステップの際、スイッチが閉じてキュビットを接地し、そして電流源がキュビットを初期化するために電流を供給する請求項２５に記載のシステム。
27. 制御システムが、キュビットの配列中のキュビット間の量子状態を絡み合わせることができる請求項１９に記載のシステム。
28. 制御システムが、
    各々がキュビットの配列の第１キュビットと第２キュビットとの間に接続されたスイッチを含み、スイッチの位置に応答して、第１キュビットの量子状態が第２キュビットの量子状態と絡み合わせられる請求項２７に記載のシステム。
29. 第３スイッチが接地とスイッチの配列との間に接続されて、第３スイッチが開の時に、キュビットの配列のキュビットの量子状態がスイッチの配列中のスイッチを介して絡み合わせることができる請求項２７に記載のシステム。
30. キュビットの配列が、位相キュビットを含む請求項１９に記載のシステム。
31. キュビットの配列が、永久読出し超伝導キュビットを含む請求項１９に記載のシステム。
32. 少なくとも１つのキュビットと、
    少なくとも１つのキュビットを読み出す手段と、
    を含むキュビット・システム。
33. 少なくとも１つのキュビットを初期化する手段をさらに含む請求項３２に記載のシステム。
34. 少なくとも１つのキュビットのキュビットの量子状態を絡み合わせる手段をさらに含む請求項３３に記載のシステム。
35. キュビットの状態を読み出す方法であって、
    接地されたキュビットを形成するためにキュビットを接地し、
    接地されたキュビットを通して電流を供給し、
    接地されたキュビットを横断して電圧を測定し、
    電圧からキュビットの状態を決定することを含む方法。
36. キュビットを接地することが、キュビットと接地との間に接続されたスイッチを閉じることを含む請求項３５に記載の方法。
37. 接地されたキュビットを通して電流を供給することが、キュビットの第１状態に対応した第１臨界電流とキュビットの第２状態に対応した第２臨界電流との間の電流を与え、第１臨界電流が第２臨界電流よりも低い電流である請求項３５に記載の方法。
38. キュビットの状態を決定することが、もし電圧が低の場合は第１状態に状態を設定し、もし電圧が高い場合は第２状態に状態を設定することを含む請求項３７に記載の方法。
39. キュビットの状態を決定することが、もし時間相関関係電圧パルスが到着した場合は第１状態に状態を設定し、もしパルスが到着しない場合は第２状態に状態を設定することを含む請求項３７に記載の方法。
40. キュビットを初期化する方法であって、
    キュビットを接地し、
    キュビットを横断して選択された方向へ電流を加えること、
    を含む方法。
41. 電流を加えることが、キュビットの状態が選択された状態へ緩和するのに十分な時間の間、電流を供給することを含む請求項４０に記載の方法。
42. 電流を加えることが、電流を供給し、そしてキュビットの状態が選択された状態へ緩和するように電流をゼロへ傾斜させることを含む請求項４０に記載の方法。
43. キュビットを接地することが、スイッチを通してキュビットを接地に接続することを含む請求項４０に記載の方法。
44. キュビットの量子状態を絡み合わせる方法であって、
    少なくとも１つのスイッチを通して第１キュビットを第２キュビットへ接続することを含む方法。
45. キュビットを接続することが、
    第１キュビットに接続した第１スイッチを提供し、
    第２キュビットに接続した第２スイッチを提供し、
    第１スイッチと第２スイッチとが閉じることにより第１キュビットの量子状態と第２キュビットの量子状態とが絡み合うように、第１スイッチを第２スイッチへ接続することを含む方法。
46. キュビットの少なくとも１つの行と少なくとも１つの列とを有するキュビットの二次元配列と、
    キュビットの二次元配列中のキュビットへ電流と電圧を供給するキュビットの二次元配列に接続された制御システムと、
    を含むキュビットの配列。
47. 接地スイッチの二次元配列をさらに含み、接地スイッチの二次元配列中の各接地スイッチはキュビットの二次元配列の１つを接地へ接続する請求項４６に記載の配列。
48. 電流スイッチの二次元配列をさらに含み、電流スイッチの二次元配列中の各電流スイッチはキュビットの二次元配列中の１つのキュビットを電流へ接続する請求項４７に記載の配列。
49. 電流スイッチの二次元配列と接地スイッチの二次元配列とは、行により制御電圧へ接続される請求項４８に記載の配列。
50. 電流と各行の接地との間に接続されたボルトメーターをさらに含む請求項４９に記載の配列。
51. 初期化の際、キュビットの二次元配列が列により接地され、そして初期化されているキュビットの二次元配列のその列中のキュビットへ電流が供給される請求項５０に記載の配列。
52. 読出し操作の際、キュビットの二次元配列が列により接地され、そしてキュビットの二次元配列のその列中のキュビットへ電流が供給されて、キュビットの二次元配列のその列中の各キュビットを横断して電圧が測定される請求項５０に記載の配列。