JP5103189B2 - 情報処理用の構造及び装置 - Google Patents
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Description
量子コンピュータの設計および運用にはいくつかの一般的アプローチがある。提案されている一つのアプローチとして、回路モデル量子コンピューティングがある。回路モデル量子コンピューティングは、長時間の量子コヒーレンスを要し、従ってそのようなアプローチに対応可能な量子コンピュータで用いる種類の情報素子がキュービットであり、これは定義により理想的にコヒーレンス時間が長い筈である。回路モデル量子コンピューティングは、キュービットがビットに極めてよく似た論理的ゲートにより動作可能であって、計算を実行するために量子論理を用いてプログラム可能であるという前提に基づいている。量子論理機能を実行すべくプログラム可能なキュービットを開発する研究がなされてきた。例えば、本明細書に全文を援用している、「arXiv.org:quant−ph/0005003(ショール(Shor)、2001年)」を参照されたい。しかし、キュービットに保存された情報が破壊される前に多くの計算が実行可能であるようにキュービットのデコヒーレンスを減らすことは、従来技術では依然として成功していない。
上述のように、可能な情報素子一つが、量子ビットとしても知られるキュービットである。キュービットは、古典的コンピュータのデジタル・ビットと似ているが、デジタル・ビットよりはるかに高い計算能力を有している。デジタル・ビットで見られる「0」および「1」のような単に二つの離散的な状態のうち一つを符号化するのではなく、キュービットは「0」と「1」の重ね合せにも配置可能である。すなわち、キュービットは「0」および「1」の状態に同時に存在することができ、従ってそのように両方の状態に対して同時に量子計算を実行することができる。一般に、N個のキュービットは2N状態の重ね合せ状態となることができる。量子アルゴリズムは、重ね合せ特性を利用して特定の計算を高速化する。
量子コンピュータの開発に利用可能な多くの異なる技術がある。一つの実装方式では超伝導材料を用いる。超伝導情報素子を用いて開発された量子コンピュータにはスケーラビリティという利点がある。超伝導情報素子の組み立てに関係する技術や工程が、形成設備や技術的ノウハウが確立された基盤が既に存在する従来のコンピュータに用いるものと類似しているため、超伝導情報素子を用いて大規模な量子コンピュータを実現する可能性には見込みがある。そのような公知の形成技術(例:化学蒸着、プラズマ加速化学蒸着等)について、例えば、「マイクロチップ形成第4版、マグロウヒル、ニューヨーク(ヴァン・ザント(Van Zant)、2000年)」、「リソグラフィの原理、国際光工学会、ベリングハム、ワシントン(レビンソン(Levinson)、2001年)」、「微細加工の基礎第2版、CRCプレスLLC、ボカラトン、フロリダ(マドウ(Madou)、2002年)」、「マイクロリソグラフィ、微細加工および微細形成ハンドブック第1巻、マイクロリソグラフィ、国際光工学会、ベリングハム・ワシントン(チョーダリ(Choudhury)、1997年)」に述べられており、本明細書に各々その全文を援用している。そのようなコンピュータの実現へ向けて、本明細書に全文を援用している「物理学レビュー会報79、2371〜2374(シナーマン(Shnirman)ら、1997年)」において、必要な量子効果を生成すべくジョセフソン接合を含む超伝導情報素子を用いる超伝導量子コンピュータの実施形態を提案している。
超伝導磁束素子の設計が、「応用半導体IEEE論文集7、p.3638(ボッコ(Bocko)ら、1997年)」、並びに「現代物理学レビュー73、p.357(マクリン(Makhlin)ら、2001年)」に記述されており、本明細書に各々の全文を援用している。永久電流キュービットを含む、他の多くの超伝導磁束素子の設計が記載されている。本明明細書に全文を援用している「サイエンス285、1036(ムーイジ(Mooij)ら、1999年)」、および「物理学レビューB60、15398(オーランド(Orlando)ら、1999年)」を参照されたい。永久電流キュービットは、3個のジョセフソン接合により絶縁された厚い超伝導材料のループからなる。1個のジョセフソン接合の臨界電流値が、同一または極めて近い臨界電流を有する場合が多い他の2個のジョセフソン接合の電流値を下回るように設計されている。永久電流キュービットは、超伝導材料のループが小さい面積(例:約1平方マイクロメートルの面積)を含むように構築することができる。
量子コンピュータを構築するためにどの種類の情報素子を用いるかに拘わらず、量子コンピュータの情報素子が制御可能な仕方で相互作用することが望ましい。量子コンピュータの情報素子の間のそのような相互作用を結合と呼ぶ。実装方式に応じて、異なる結合方法を用いることができる。更に、系のハミルトニアンを用いて、量子コンピュータの情報素子の状態並びに情報素子間の相互作用を記述することができる。
上述の説明で示すように、超伝導情報素子を結合する素子が存在する。しかし、費用効果的な量子コンピューティングを実現すべく当分野における改良が求められている。このように、超伝導情報素子間の結合に対するこれまで以上の制御を提供することが当分野で必要とされている。求められているものは、超伝導情報素子間の結合の強度または符号を自由に変更することが可能な結合と、必要に応じて結合を完全に切断できる能力である。
本発明の一態様において、情報素子を強磁性的および反強磁性的に結合する結合素子は、結合要素を1個のみ含んでいる。特に、単安定rf−SQUIDまたはdc−SQUIDは、2個の隣接する情報素子間の誘導結合を仲介することができる。SQUIDの磁化率が外部磁束に相当程度依存することため、誘導された結合を反強磁性的から強磁性体へ連続的に調整することが可能である。特に、パラメータが適切な場合、誘導された強磁性結合は、情報素子間のあらゆる直接的な反強磁性誘導結合に打ち勝つ程度に十分大きい。本発明のいくつかの実施形態において、単一のrf−SQUIDまたは単一のdc−SQUIDを用いて、結合の種類を強磁性体から反強磁性的へ、またはその逆に切替え可能な仕方で2個の情報素子を互いに結合する。本発明のいくつかの実施形態において、情報素子は、rf−SQUIDまたは永久電流キュービット等の磁束素子である。
本発明の一態様において、2個の情報素子にガルバニック結合された(例:誘導的結合または容量結合)1個以上のジョセフソン接合は、当該2個の情報素子を一緒に調整可能に結合することができる。この調整可能な結合は、結合の符号を強磁性体から反強磁性に、またはその逆に切替えることができる。本発明のいくつかの実施形態において、ガルバニック接続されたジョセフソン接合を用いて複数の情報素子が互いに結合されている。
本発明の各種の実施形態を形成する多くの方法がある点を理解されたい。これらの形成方法は当分野で公知である。そのような技術の例は、本明細書の背景技術の段にて援用されている。
図5に、結合の符号の調整可能性を含む、3個のrf−SQUID510a、510b、および510cのダイナミクスを、rf−SQUIDの古典的電位から始まる分析によりどのようにモデル化できるかを示す。この例では、a、b、c−SQUID、または、a、bおよびcは、各々rf−SQUID510a、510bおよび510cを表わす。以下、本例では、上付き添え字、下付き添え字、またはハイフンで値や項と結ばれたa、bおよびcは、rf−SQUID510a、510bおよび510−cに関する値を表わす。これらのrf−SQUIDに紐付けられた値や量は以下のものを含むがこれに限定されない。
L:rf−SQUIDインダクタンス
Β:無次元SQUIDインダクタンス(SI単位系で2πLIc/Φ0に等しいと定義され、
C:rf−SQUID静電容量
Ic:rf−SQUIDの臨界電流
E:rf−SQUIDジョセフソン・エネルギー
Φj:rf−SQUID510jの磁束、ここにj=a、bまたはc
φj:無次元磁束、ここにj=a、bまたはc
φtot:rf−SQUIDの全磁束
Mij:相互インダクタンス、ここにi、j=a、bまたはc等
本例は、図7に示した設定、特に2個のrf−SQUID磁束素子710a、710cがdc−SQUID710bに結合されているものを解析する。本例では、a、b、c−SQUID、またはa、b、cは各々、rf−SQUID710a、dc−SQUID710b、およびrf−SQUID710cを表わす。以下、本例では上付き文字、添え字として、または値または項とハイフンで結ばれたa、b、cはSQUID710a、710bおよび710cに関する値を表わす。これらのSQUIDに紐付けられた値および量は下記を含んでいる。
L:SQUIDインダクタンス
β:無次元SQUIDインダクタンス(SI単位系で2πLIc/Φ0に等しいと定義され
C:SQUID静電容量
Ic:SQUIDの臨界電流
E:SQUIDジョセフソン・エネルギー
Φj:SQUID510jの磁束、ここにj=a、b1、b2またはc
φj:無次元磁束
φtot:SQUIDの全磁束、等
本発明のいくつかの実施形態において、インダクタを有する超伝導ループであって、当該インダクタとジョセフソン接合が図11に示すように平行であるように単一のジョセフソン接合により遮断された超伝導ループを含む、rf−SQUIDが使われる。所与の形成プロセスにおいて、ジョセフソン接合は、臨界電流IC、すなわち一切の減衰なしに搬送できる電流の量、によりパラメータ化される。rf−SQUID設計は次いで、ICL積によりパラメータ化される。ここに、Lはインダクタンスまたはその無次元インダクタンス2πLIC/Φ0であり、Φ0は磁束量子である。
本明細書に引用した全ての文献は包括的な目的でその全文を援用しているが、これは個々の出版物/特許/特許出願を包括的な目的のため各々個別にその全文を援用する場合と同程度である。
Claims (48)
- 第一の磁束素子と、
第二の磁束素子と、
第一の結合要素および第二の結合要素を含む第一の結合素子と
を含む構造であって、
前記第一の磁束素子が少なくとも、互いに電気的に導通する第一のローブおよび第二のローブを含み、
前記第二の磁束素子が少なくとも、互いに電気的に導通する第一のローブおよび第二のローブを含み、
前記第一の結合要素が、前記第一の磁束素子の前記第一のローブを前記第二の磁束素子の前記第一のローブに誘導的に結合し、
前記第二の結合要素が、前記第一の磁束素子の前記第一のローブを前記第二の磁束素子の前記第二のローブに誘導的に結合し、
前記第一と第二の結合要素が互いに電気的に導通していない構造。 - 前記第一の磁束素子および前記第二の磁束素子がグラジオメトリック磁束素子である、請求項1に記載の構造。
- 前記第一の磁束素子の第一のローブが、前記第一の磁束素子の第二のローブ内に維持された超伝導電流の循環方向とは逆向きの循環方向を有する循環超伝導電流を維持し、
前記第二の磁束素子の第一のローブが、前記第二の磁束素子の第二のローブ内に維持された超伝導電流の循環方向とは逆向きの循環方向を有する循環超伝導電流を維持する、請求項1に記載の構造。 - 第一の結合要素が、前記第一の磁束素子と第二の磁束素子との間に第一の結合強度を有し、
第二の結合要素が、前記第一の磁束素子と第二の磁束素子との間に第二の結合強度を有する、請求項1に記載の構造。 - 前記第一の結合素子が、前記第一の磁束素子と第二の磁束素子との間に、ゼロ結合強度、強磁性結合強度、および反強磁性結合強度のうちの少なくとも一つを有する状態を生成できるように、前記第一の磁束素子および前記第二の磁束素子に対して構成が定められた結合制御系を更に含む、請求項1に記載の構造。
- 前記結合制御系が、磁束バイアス発生源および電流バイアス発生源のうちの少なくとも一つを含み、前記磁束バイアス発生源が、前記第一の結合要素と第二の結合要素にバイアスを掛けるべく構成されている、請求項5に記載の構造。
- 前記第一の結合要素および前記第二の結合要素のうちの少なくとも一つがdc−SQUIDを含む、請求項1に記載の構造。
- 前記第一の結合要素および前記第二の結合要素のうちの少なくとも一つがrf−SQUIDを含む、請求項1に記載の構造。
- 前記第一の磁束素子および第二の磁束素子が超伝導である、請求項1に記載の構造。
- 前記第一の磁束素子および前記第二の磁束素子を含む複数の磁束素子と、
前記第一の結合素子を含む複数の結合素子であって、前記複数の結合素子内の少なくとも1個の結合素子が複数の結合要素を含む、複数の結合素子とを更に含む、請求項1に記載の構造。 - 解くべき問題のハミルトニアンが前記複数の磁束素子にマッピングできるように前記構造が構成されている、請求項10に記載の構造。
- 前記複数の磁束素子が、唯一つのハミルトニアンだけを解くように設計されている、請求項11に記載の構造。
- 第一の磁束素子と、
第二の磁束素子と、
SQUIDカプラとを含み、
前記SQUIDカプラが前記第一の磁束素子および第二の磁束素子を互いに誘導的に結合すべく構成されていて、
前記SQUIDカプラが更に、前記第一の磁束素子と第二の磁束素子の間の結合を、制御可能な仕方で強磁性結合と反強磁性結合の間で切替えるべく構成されている装置。 - 前記SQUIDカプラが、互いに電気的に導通していない1個以上の結合要素を含む、請求項13に記載の装置。
- 前記第一の磁束素子と第二の磁束素子との間の結合を制御可能な仕方で、強磁性結合と反強磁性結合の間で調整するスイッチを更に含む、請求項14に記載の装置。
- 前記1個以上の結合要素における結合要素の全部または一部の結合要素の各々がdc−SQUIDを含む、請求項14に記載の装置。
- 前記1個以上の結合要素における結合要素の全部または一部の結合要素の各々がrf−SQUIDを含む、請求項14に記載の装置。
- 前記第一の磁束素子および前記第二の磁束素子のうちの少なくとも一つがグラジオメトリック磁束素子である、請求項13に記載の装置。
- 前記SQUIDカプラが、前記第一の磁束素子と第二の磁束素子との間の誘導結合を、前記SQUIDカプラが前記第一の磁束素子と第二の磁束素子との間に誘導結合を生成するオン状態と、前記SQUIDカプラが前記第一の磁束素子と第二の磁束素子との間に誘導結合を生成しないオフ状態との間で切替えるスイッチを含む、請求項13に記載の装置。
- 前記SQUIDカプラが、前記第一の磁束素子と第二の磁束素子との間の誘導結合の結合強度を調整するスイッチを含む、請求項13に記載の装置。
- 第一の磁束素子と、
第二の磁束素子と、
前記第一の磁束素子および前記第二の磁束素子に誘導的に結合された第一のSQUIDカプラとを含み、
前記第一のSQUIDカプラが、前記第一の磁束素子と第二の磁束素子との間に強磁性または反強磁性誘導結合を生成すべく調整されるように構成されていて、
前記第一のSQUIDカプラが磁場によりバイアスを掛けられている構造。 - 前記第一のSQUIDカプラがrf−SQUIDカプラである、請求項21に記載の構造。
- 前記rf−SQUIDカプラに前記磁場を掛けるべく構成されたスイッチを更に含んでいて、前記磁場の強度により、前記第一の磁束素子と前記第二の磁束素子との間の誘導結合が、強磁性、反強磁性、およびゼロ結合のうちの少なくとも一つのいずれであるかを決定する、請求項22に記載の構造。
- 前記磁場が、約±0.1*Φ0以下の精度で約ゼロの磁束を有し、前記第一の磁束素子と第二の磁束素子との間の誘導結合が反強磁性である、請求項23に記載の構造。
- 前記磁場が、約±0.01*Φ0以下の精度以内で約ゼロの磁束を有し、前記第一の磁束素子と第二の磁束素子との間の誘導結合が反強磁性である、請求項23に記載の構造。
- 前記磁場が、約±0.2*Φ0以下の精度で約Φ0/2の磁束を有し、前記第一の磁束素子と第二の磁束素子との間の誘導結合が強磁性である、請求項23に記載の構造。
- 前記rf−SQUIDカプラが単安定である、請求項22に記載の構造。
- 整数個の量子に近い磁束で前記rf−SQUIDにバイアスを掛けるべく構成された磁束バイアス発生源を更に含む、請求項22に記載の構造。
- 前記第一と第二の磁束素子が双安定である、請求項21に記載の構造。
- 前記第一の磁束素子が、第一の少なくとも1個のジョセフソン接合により遮断された超伝導材料の第一のループを含み、
前記第二の磁束素子が、第二の少なくとも1個のジョセフソン接合により遮断された超伝導材料の第二のループを含む、請求項21に記載の構造。 - 前記第一のSQUIDカプラがdc−SQUIDカプラである、請求項21に記載の構造。
- 前記dc−SQUIDカプラが対称形である、請求項31に記載の構造。
- 前記dc−SQUIDカプラが、磁場バイアス素子および電流バイアス素子のうちの少なくとも一つにより調整される、請求項31に記載の構造。
- 前記dc−SQUIDカプラが非対称形である、請求項31に記載の構造。
- 前記dc−SQUIDカプラが、磁場バイアス素子により調整される、請求項31に記載の構造。
- 前記第一の磁束素子および前記第二の磁束素子を含む複数の磁束素子と、
複数のSQUIDカプラであって、前記複数のSQUIDカプラの各々のSQUIDカプラが、前記複数の磁束素子のそれぞれの対の磁束素子を誘導的に結合すべく構成されていて、前記複数のSQUIDカプラが前記第一のSQUIDカプラを含んでいる、複数のSQUIDカプラとを更に含む、請求項21に記載の構造。 - 前記複数のSQUIDカプラの各々のSQUIDカプラが、前記複数の磁束素子の各対応する磁束素子対の間に強磁性または反強磁性結合を生成すべく調整されるように構成されている、請求項36に記載の構造。
- 前記第一の磁束素子および前記第二の磁束素子が磁束キュービットである、請求項21に記載の構造。
- 第一の磁束素子と、
第二の磁束素子と、
前記第一の磁束素子および前記第二の磁束素子と電気的に接続している第一のカプラとを含んでいて、
前記第一のカプラが少なくとも1個のジョセフソン接合により遮断された超伝導材料のループを含み、
前記第一のカプラが、前記第一の磁束素子と前記第二の磁束素子との間に強磁性または反強磁性の誘導結合を提供すべく構成されている構造。 - 前記第一の磁束素子および前記第二の磁束素子が各々、少なくとも2個のジョセフソン接合により遮断された超伝導ループを含む、請求項39に記載の構造。
- 前記第一のカプラが、
第一のジョセフソン接合、第二のジョセフソン接合、および第三のジョセフソン接合により遮断された超伝導ループと、
前記超伝導ループを介して前記磁束を調整すべく構成された外部磁束バイアスとを含む、請求項39に記載の構造。 - 前記第一の磁束素子が前記第一のジョセフソン接合に跨って電気的に接続されていて、前記第二の磁束素子が前記第二のジョセフソン接合に跨って電気的に接続されている、請求項41に記載の構造。
- 前記外部磁束バイアスが、前記第一の磁束素子と前記第二の磁束素子との間の誘導結合を強磁性結合、反強磁性結合、およびゼロ結合のうちの少なくとも一つに調整することが可能である、請求項41に記載の構造。
- 前記第一の磁束素子および前記第二の磁束素子を含む複数の磁束素子と、
複数のカプラであって、各々のカプラが前記複数の磁束素子の異なる磁束素子の対にガルバニック結合していて、前記第一のカプラを含んでいる、複数のカプラとを更に含む、請求項39に記載の構造。 - 前記複数のカプラの各々のカプラが、前記複数の磁束素子における対応磁束対の間に強磁性結合および反強磁性結合のうちの少なくとも一つを生成するように構成可能である、請求項44に記載の構造。
- 前記第一と第二の結合要素が各々0.5より大きく2より小さい無次元インダクタンスを有する、請求項1に記載の構造。
- 前記SQUIDカプラが0.5より大きく2より小さい無次元インダクタンスを有する、請求項13に記載の装置。
- 前記SQUIDカプラが、0.5より大きく2より小さい無次元インダクタンスを有する、請求項21に記載の構造。
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