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JP2005302847A - Quantum bit variable coupling device - Google Patents

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JP2005302847A
JP2005302847A JP2004113522A JP2004113522A JP2005302847A JP 2005302847 A JP2005302847 A JP 2005302847A JP 2004113522 A JP2004113522 A JP 2004113522A JP 2004113522 A JP2004113522 A JP 2004113522A JP 2005302847 A JP2005302847 A JP 2005302847A
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Abstract

【課題】量子ビット間の相互作用エネルギーを増強し、量子ビット間の相互作用時間の短縮が図れるようにする。
【解決手段】磁束転送器１０１の超伝導配線部１０１ａを、磁束量子ビット１０３，１０４のジョセフソン接合を備えていない辺（第４の辺）の超伝導配線部１０３ａ，１０４ａと共有する。磁束量子ビット１０３の矩形の超伝導配線部１０３ａの右辺と、磁束転送器１０１の超伝導配線部１０１ａの左辺とが、同一である。また、磁束量子ビット１０４の矩形の超伝導配線部１０４ａの左辺と、磁束転送器１０１の超伝導配線部１０１ａの右辺とが、同一である。
【選択図】 図１
The interaction energy between qubits is increased to shorten the interaction time between qubits.
A superconducting wiring portion 101a of a magnetic flux transfer device 101 is shared with superconducting wiring portions 103a and 104a on a side (fourth side) of the magnetic flux qubits 103 and 104 that do not have a Josephson junction. The right side of the rectangular superconducting wiring portion 103a of the magnetic flux qubit 103 and the left side of the superconducting wiring portion 101a of the magnetic flux transfer device 101 are the same. Further, the left side of the rectangular superconducting wiring portion 104 a of the magnetic flux qubit 104 and the right side of the superconducting wiring portion 101 a of the magnetic flux transfer device 101 are the same.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、量子ビットを用いた量子コンピュータなどに用いられる量子ビット可変結合素子に関するものである。   The present invention relates to a qubit variable coupling element used in a quantum computer using qubits.

量子力学が適用可能な物理系では、古典力学系では不可能な状態の重ね合わせが可能であることを積極的に利用することにより、超並列計算（量子コンピューティング）実現の可能性が示されている。量子コンピュータでは、量子ビットが基本構成要素であり、古典的なコンピュータのビットに対応する。また、古典的なコンピュータにおける入力，演算，出力は、量子コンピュータにおける系の、初期状態の準備、系の時間発展、系の読み出しに対応する。   In physical systems to which quantum mechanics can be applied, the possibility of super-parallel computation (quantum computing) is shown by actively utilizing the fact that superposition of states that is impossible in classical mechanics is possible. ing. In a quantum computer, a qubit is a basic component and corresponds to a bit of a classic computer. Moreover, the input, operation, and output in a classical computer correspond to the initial state preparation, system time evolution, and system readout in a quantum computer.

従って、量子ビット間の量子もつれ（エンタングルメント）状態を制御することは、量子コンピューティング実現のための必須技術である。
量子ビットとして３つのジョセフソン接合を含む超伝導磁束量子ビットを用いる場合には、超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）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が可能となる（非特許文献１参照）。従って、ＳＱＵＩＤを用いた磁束転送器と２つの量子ビットとにより、量子ビット可変結合素子が実現可能である。 Therefore, controlling the entanglement state between qubits is an essential technique for realizing quantum computing.
When a superconducting flux qubit including three Josephson junctions is used as a qubit, a entangled state between qubits is obtained by a superconducting flux transfer device including a superconducting quantum interference device (SQUID). Can be controlled (see Non-Patent Document 1). Therefore, a qubit variable coupling element can be realized by a magnetic flux transfer device using SQUID and two qubits.

図３は、従来よりある量子ビット可変結合素子の構成例を示す平面図である。図３に示す量子ビット可変結合素子は、超伝導体から構成された磁束転送器３０１、ＳＱＵＩＤから構成された切り替え部３０２、磁束量子ビット３０３，３０４、磁束量子ビット３０３，３０４の状態を読み出す読み出し部３０５，３０６を備えている。   FIG. 3 is a plan view showing a configuration example of a conventional qubit variable coupling element. The qubit variable coupling element shown in FIG. 3 reads the state of the magnetic flux transfer device 301 composed of a superconductor, the switching unit 302 composed of SQUID, the magnetic flux qubits 303 and 304, and the magnetic flux qubits 303 and 304. Parts 305 and 306 are provided.

磁束転送器３０１は、例えばアルミニウムやニオブなどの低温にすることで超伝導性を示す材料（超伝導材料）から構成された超伝導配線部３０１ａから構成されている。切り替え部３０２は、超伝導材料から構成された超伝導配線部３０２ａと、トンネル絶縁部を備えた２つのジョセフソン接合３０２ｂとを備えるＳＱＵＩＤである。超伝導配線部３０２ａは、例えば５μｍ角程度の矩形に形成され、図３の紙面上で、対向する上下の辺の中央部に、各々ジョセフソン接合３０２ｂが設けられている。   The magnetic flux transfer device 301 is composed of a superconducting wiring portion 301a composed of a material (superconducting material) that exhibits superconductivity by being at a low temperature such as aluminum or niobium. The switching unit 302 is a SQUID including a superconducting wiring unit 302a made of a superconducting material and two Josephson junctions 302b including a tunnel insulating unit. The superconducting wiring portion 302a is formed in, for example, a rectangle of about 5 μm square, and a Josephson junction 302b is provided at each of the center portions of the upper and lower sides facing each other on the paper surface of FIG.

磁束量子ビット３０３は、超伝導材料からなる超伝導配線部３０３ａと、トンネル絶縁部を備えた３つのジョセフソン接合３０３ｂとを備える。超伝導配線部３０３ａは、例えば５μｍ角程度の矩形に形成され、矩形の３辺の中央部に各々ジョセフソン接合３０３ｂが設けられている。同様に、量子ビット３０４は、超伝導材料からなる超伝導配線部３０４ａと、３つのジョセフソン接合３０４ｂとを備える。   The magnetic flux qubit 303 includes a superconducting wiring portion 303a made of a superconducting material and three Josephson junctions 303b including a tunnel insulating portion. The superconducting wiring portion 303a is formed in a rectangle of about 5 μm square, for example, and a Josephson junction 303b is provided at each of the central portions of the three sides of the rectangle. Similarly, the qubit 304 includes a superconducting wiring portion 304a made of a superconducting material and three Josephson junctions 304b.

また、読み出し部３０５，３０６は、切り替え部３０２と同様に、各々２つのジョセフソン接合３０５ａ，３０６ａを備えている。読み出し部３０５，３０６は、図示しない層間絶縁層を介して磁束量子ビット３０３，３０４の上層に配置され、磁束量子ビット３０３，３０４とは異なる寸法に形成されている。   Similarly to the switching unit 302, the reading units 305 and 306 each include two Josephson junctions 305a and 306a. The reading units 305 and 306 are arranged above the magnetic flux qubits 303 and 304 via an interlayer insulating layer (not shown), and are formed with dimensions different from those of the magnetic flux qubits 303 and 304.

また、図３に示す量子ビット可変結合素子は、磁場を作り出すことで磁束量子ビット３０３，３０４の状態を制御する制御ライン３０７，３０８、切り替え部３０２のＳＱＵＩＤを貫通する磁場を作り出すことで切り替え部３０２の状態を制御する制御ライン３０９を備えている。
上述した構成は、図示しない半導体基板の上に絶縁層を介して形成されている。磁束転送器３０１，切り替え部３０２、量子ビット３０３，３０４、制御ライン３０７，３０８、制御ライン３０９は、上記絶縁層による同一面上に配置されている。 Further, the qubit variable coupling element shown in FIG. 3 generates a magnetic field and generates a magnetic field penetrating the SQUID of the switching unit 302 by controlling the control lines 307 and 308 for controlling the state of the magnetic flux qubits 303 and 304. A control line 309 for controlling the state of 302 is provided.
The above-described configuration is formed on a semiconductor substrate (not shown) via an insulating layer. The magnetic flux transfer device 301, the switching unit 302, the quantum bits 303 and 304, the control lines 307 and 308, and the control line 309 are disposed on the same surface by the insulating layer.

図３に示す量子ビット可変結合素子では、制御ライン３０９に流す電流値を調節することにより、切り替え部３０２を貫く磁束を磁束量子Φ0（＝ｈ／（２ｅ））の整数倍あるいは、１／２，３／２，５／２，・・と半奇数倍に設定することによって磁束転送器３０１を流れる超伝導電流値をＯＮ／ＯＦＦ（オンオフ）する。 In the qubit variable coupling element shown in FIG. 3, the magnetic flux passing through the switching unit 302 is adjusted to be an integral multiple of the magnetic flux quantum Φ 0 (= h / (2e)) or 1 / The value of the superconducting current flowing through the magnetic flux transfer device 301 is turned ON / OFF (ON / OFF) by setting it to a half-odd multiple of 2, 3/2, 5/2,.

切り替え部３０２を貫く磁束を磁束量子Φ0（＝ｈ／（２ｅ））の整数倍に設定すると、量子ビット３０３と量子ビット３０４との間の結合がＯＮの状態となる。一方、切り替え部３０２を貫く磁束を磁束量子Φ0の半奇数倍に設定すると、量子ビット３０３と量子ビット３０４との間の結合がＯＦＦの状態となる。
以上のことにより、図３に示す量子ビット可変結合素子では、量子ビット３０３と量子ビット３０４との間の結合を、ＯＮ／ＯＦＦ可能としている。 When the magnetic flux penetrating the switching unit 302 is set to an integral multiple of the magnetic flux quantum Φ 0 (= h / (2e)), the coupling between the qubit 303 and the qubit 304 is turned on. On the other hand, when the magnetic flux penetrating the switching unit 302 is set to a half-odd multiple of the magnetic flux quantum Φ 0 , the coupling between the qubit 303 and the qubit 304 is turned off.
As described above, in the qubit variable coupling element shown in FIG. 3, the coupling between the qubit 303 and the qubit 304 can be turned ON / OFF.

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
J.E.Mooij, T.P.Orlando,L.Levitov, Lin Tian, Casper H. van der Wai, Sethr Lloyd, "Josephson Persistent-Current Qubit" Science, vol.285, pp.1036-1039, 1999. The applicant has not yet found prior art documents related to the present invention by the time of filing other than the prior art documents specified by the prior art document information described in this specification.
JEMooij, TPOrlando, L. Levitov, Lin Tian, Casper H. van der Wai, Sethr Lloyd, "Josephson Persistent-Current Qubit" Science, vol.285, pp.1036-1039, 1999.

しかしながら、上述した従来の素子では、量子ビット３０３，３０４と磁束転送器３０１との結合が幾何的相互インダクタンスのみに頼っているために、量子ビット間を十分強く結合させることができず、量子ゲート操作に長い時間を必要としていた。このため、従来では、限られたコヒーレンス時間内に２つの量子ビットの量子もつれ状態をつくり、量子ゲート操作を完了することが容易ではなかった。   However, in the conventional device described above, since the coupling between the qubits 303 and 304 and the magnetic flux transfer device 301 depends only on the geometric mutual inductance, the qubits cannot be coupled sufficiently strongly, and the quantum gate It took a long time to operate. For this reason, conventionally, it was not easy to create a entangled state of two qubits within a limited coherence time and complete the quantum gate operation.

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、量子ビット間の相互作用エネルギーを増強し、量子ビット間の相互作用時間の短縮が図れるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and aims to enhance the interaction energy between qubits and shorten the interaction time between qubits. To do.

本発明に係る量子ビット可変結合素子は、矩形の超伝導配線部及びこの超伝導配線部の第１，２，３の辺に設けられた第１ジョセフソン接合から構成された２つの磁束量子ビットと、矩形の超伝導配線部から構成されて２つの磁束量子ビット間に相互作用を作用させる磁束転送器と、磁束転送器に流れる超伝導電流をオンオフする切り替え手段とを備え、磁束転送器の超伝導配線部の２辺は、２つの磁束量子ビットの第１ジョセフソン接合のない第４の辺の超伝導配線部から構成されているようにしたものである。
従って、超伝導状態において生じる動的インダクタンスを介した相互作用が得られる。 The qubit variable coupling device according to the present invention includes two magnetic flux qubits composed of a rectangular superconducting wiring portion and first Josephson junctions provided on the first, second, and third sides of the superconducting wiring portion. And a magnetic flux transmitter that is composed of a rectangular superconducting wiring section and that interacts between two magnetic flux qubits, and a switching means that turns on and off the superconducting current flowing through the magnetic flux transmitter. The two sides of the superconducting wiring part are constituted by a superconducting wiring part on the fourth side without the first Josephson junction of two magnetic flux qubits.
Therefore, an interaction through dynamic inductance occurring in the superconducting state is obtained.

上記量子ビット可変結合素子において、第４の辺に設けられて第１ジョセフソン接合より接合面積の大きい第２ジョセフソン接合を備えるようにしてもよい。第２ジョセフソン接合を加えることで、ジョセフソンインダクタンスが得られる。   The qubit variable coupling element may include a second Josephson junction provided on the fourth side and having a larger junction area than the first Josephson junction. A Josephson inductance is obtained by adding a second Josephson junction.

以上説明したように、本発明によれば、磁束転送器の超伝導配線部の２辺は、２つの磁束量子ビットの第１ジョセフソン接合のない第４の辺の超伝導配線部から構成したので、２つの磁束量子ビット間の相互作用のエネルギーが増強されるようになり、量子ビット間の相互作用時間の短縮が図れるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, the two sides of the superconducting wiring part of the magnetic flux transfer device are composed of the superconducting wiring part on the fourth side without the first Josephson junction of the two magnetic flux qubits. As a result, the energy of interaction between the two magnetic flux qubits is enhanced, and an excellent effect is obtained in that the interaction time between the qubits can be shortened.

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、本実施の形態における量子ビット可変結合素子の構成例を示す平面図（ａ）、及び部分を示す断面図（ｂ）である。図１に示す量子ビット可変結合素子は、超伝導体から構成された磁束転送器１０１、ＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device）から構成された切り替え部１０２、磁束量子ビット１０３，１０４、磁束量子ビット１０３，１０４の状態を読み出す読み出し部１０５，１０６を備えている。なお、読み出し部１０５，１０６は、図中点線で示し、図示しない層間絶縁層を介して磁束量子ビット１０３，１０４の上層に配置され、磁束量子ビット１０３，１０４とは異なる寸法に形成されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1A is a plan view showing a configuration example of a qubit variable coupling element in the present embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view showing a part thereof. The qubit variable coupling element shown in FIG. 1 includes a magnetic flux transfer device 101 composed of a superconductor, a switching unit 102 composed of a superconducting quantum interference device (SQUID), magnetic flux qubits 103 and 104, magnetic flux qubit 103, Readout units 105 and 106 for reading the state of 104 are provided. The reading units 105 and 106 are indicated by dotted lines in the figure, and are arranged on the upper layer of the magnetic flux qubits 103 and 104 via an interlayer insulating layer (not shown), and are formed with dimensions different from those of the magnetic flux qubits 103 and 104. .

磁束転送器１０１は、例えばアルミニウムやニオブなどの低温にすることで超伝導性を示す材料（超伝導材料）から構成された超伝導配線部１０１ａから構成されている。切り替え部１０２は、超伝導材料から構成された超伝導配線部１０２ａと、トンネル絶縁部を備えた２つのジョセフソン接合１０２ｂとを備えるＳＱＵＩＤである。切り替え部１０２は、超伝導体／絶縁体／超伝導体接合から構成され、切り替え動作が行われるときに散逸が生じない絶縁体で構成されているので、磁束量子ビットのコヒーレンスを長く保つことができる。   The magnetic flux transfer device 101 is composed of a superconducting wiring portion 101a composed of a material (superconducting material) that exhibits superconductivity by being at a low temperature, such as aluminum or niobium. The switching unit 102 is a SQUID including a superconducting wiring portion 102a made of a superconducting material and two Josephson junctions 102b including a tunnel insulating portion. Since the switching unit 102 is composed of a superconductor / insulator / superconductor junction and is composed of an insulator that does not dissipate when switching operation is performed, the coherence of the magnetic flux qubits can be kept long. it can.

超伝導配線部１０２ａは、例えば、幅０．３μｍ厚さ０．１μｍで、５μｍ角程度の矩形に形成され、図１の紙面上で、対向する上下の辺の中央部に、各々ジョセフソン接合１０２ｂが設けられている。なお、上述した各寸法は、上述した値に限定するものではなく、超伝導配線部に用いる材料により適宜設定する。   For example, the superconducting wiring portion 102a is formed in a rectangular shape having a width of 0.3 μm, a thickness of 0.1 μm, and a square of about 5 μm, and on the paper surface of FIG. 102b is provided. Note that the above-described dimensions are not limited to the above-described values, and are appropriately set depending on the material used for the superconducting wiring portion.

磁束量子ビット１０３は、超伝導材料からなる超伝導配線部１０３ａと、トンネル絶縁部を備えた３つのジョセフソン接合（第１ジョセフソン接合）１０３ｂとを備える。超伝導配線部１０３ａは、例えば幅０．３μｍ厚さ０．１μｍで、５μｍ角程度の矩形に形成され、矩形の３辺の中央部に各々ジョセフソン接合１０３ｂが設けられている。   The magnetic flux qubit 103 includes a superconducting wiring portion 103a made of a superconducting material and three Josephson junctions (first Josephson junction) 103b including a tunnel insulating portion. The superconducting wiring portion 103a is formed in a rectangular shape having a width of 0.3 μm and a thickness of 0.1 μm, for example, of about 5 μm square, and a Josephson junction 103b is provided at each of the central portions of the three sides of the rectangle.

同様に、磁束量子ビット１０４は、超伝導材料からなる超伝導配線部１０４ａと、３つのジョセフソン接合（第１ジョセフソン接合）１０４ｂとを備える。また、読み出し部１０５，１０６は、切り替え部１０２と同様に、各々２つのジョセフソン接合１０５ｂ，１０６ｂを備えている。   Similarly, the magnetic flux qubit 104 includes a superconducting wiring portion 104a made of a superconducting material and three Josephson junctions (first Josephson junction) 104b. Similarly to the switching unit 102, the reading units 105 and 106 each include two Josephson junctions 105b and 106b.

加えて、図１に示す磁束量子ビット可変結合素子では、磁束転送器１０１の超伝導配線部１０１ａを、磁束量子ビット１０３，１０４のジョセフソン接合を備えていない辺（第４の辺）の超伝導配線部１０３ａ，１０４ａと共有する。図１（ａ）に示す例では、紙面左側の磁束量子ビット１０３の矩形の超伝導配線部１０３ａの右辺と、磁束転送器１０１の超伝導配線部１０１ａの左辺とが、同一である。また、紙面右側の磁束量子ビット１０４の矩形の超伝導配線部１０４ａの左辺と、磁束転送器１０１の超伝導配線部１０１ａの右辺とが、同一である。   In addition, in the magnetic flux qubit variable coupling element shown in FIG. 1, the superconducting wiring portion 101a of the magnetic flux transfer device 101 is connected to the side of the side (fourth side) that does not include the Josephson junction of the magnetic flux qubits 103 and 104. Shared with the conductive wiring portions 103a and 104a. In the example shown in FIG. 1A, the right side of the rectangular superconducting wiring portion 103 a of the magnetic flux qubit 103 on the left side of the page is the same as the left side of the superconducting wiring portion 101 a of the magnetic flux transfer device 101. Further, the left side of the rectangular superconducting wiring portion 104 a of the magnetic flux qubit 104 on the right side of the page is the same as the right side of the superconducting wiring portion 101 a of the magnetic flux transfer device 101.

また、図１に示す磁束量子ビット可変結合素子は、磁場を作り出すことで磁束量子ビット１０３，１０４の状態を制御する制御ライン１０７，１０８、切り替え部１０２のＳＱＵＩＤを貫通する磁場を作り出すことで切り替え部１０２の状態を制御する制御ライン１０９を備えている。
上述した構成は、図示しない半導体基板の上に絶縁層を介して形成されている。磁束転送器１０１，切り替え部１０２、磁束量子ビット１０３，１０４、制御ライン１０７，１０８、制御ライン１０９は、上記絶縁層による同一面上に配置されている。 In addition, the magnetic flux qubit variable coupling element shown in FIG. 1 is switched by creating a magnetic field penetrating the SQUID of the switching unit 102 and the control lines 107 and 108 for controlling the state of the magnetic flux qubits 103 and 104 by creating a magnetic field. A control line 109 for controlling the state of the unit 102 is provided.
The above-described configuration is formed on a semiconductor substrate (not shown) via an insulating layer. The magnetic flux transfer device 101, the switching unit 102, the magnetic flux qubits 103 and 104, the control lines 107 and 108, and the control line 109 are arranged on the same surface by the insulating layer.

ここで、ジョセフソン接合について説明する。例えば、図１（ａ）に示すジョセフソン接合１０２ｂは、図１（ｂ）の断面図に示すように、アルミニウムからなる配線１２２とアルミニウムからなる配線１２４とが、酸化アルミニウム膜１２３を介して接合したものである。接合部分の酸化アルミニウム膜１２３が、トンネル絶縁部に対応する。   Here, the Josephson junction will be described. For example, in the Josephson junction 102b shown in FIG. 1A, a wiring 122 made of aluminum and a wiring 124 made of aluminum are joined via an aluminum oxide film 123, as shown in the sectional view of FIG. It is a thing. The aluminum oxide film 123 at the junction corresponds to the tunnel insulating part.

なお、図示しない半導体基板の上に形成された絶縁層１２１の上に、配線１２２，１２４が配置され、これらを覆うように層間絶縁層１２５が形成されている。配線１２２，１２４と同一の層に、磁束転送器１０１、切り替え部１０２、磁束量子ビット１０３，１０４、制御ライン１０７，１０８、制御ライン１０９が形成されている。また、層間絶縁層１２５の上に、読み出し部１０５，１０６が形成されている。   Note that wirings 122 and 124 are arranged on an insulating layer 121 formed on a semiconductor substrate (not shown), and an interlayer insulating layer 125 is formed so as to cover them. The magnetic flux transfer device 101, the switching unit 102, the magnetic flux qubits 103 and 104, the control lines 107 and 108, and the control line 109 are formed in the same layer as the wirings 122 and 124. In addition, readout portions 105 and 106 are formed on the interlayer insulating layer 125.

例えば、図示しない半導体基板の上に絶縁層１２１を形成し、絶縁層１２１の上に、配線１２２を形成する。ついで、配線１２２の露出してる表面を酸化して酸化アルミニウム膜１２３を形成する。ついで、配線１２２の端部で所望の面積で重なるように配線１２４を形成すれば、ジョセフソン接合が得られる。   For example, the insulating layer 121 is formed over a semiconductor substrate (not shown), and the wiring 122 is formed over the insulating layer 121. Next, the exposed surface of the wiring 122 is oxidized to form an aluminum oxide film 123. Next, if the wiring 124 is formed so as to overlap with a desired area at the end of the wiring 122, a Josephson junction can be obtained.

図１に示す磁束量子ビット可変結合素子では、磁束転送器１０１が、磁束量子ビット１０３，１０４と辺を共有するため、幾何的インダクタンスに加えて、超伝導状態でのみ生じる動的インダクタンスを介した相互作用が可能となっている。図３に示した従来例では、磁束転送器と磁束量子ビットとの間の相互インダクタンスが約１ｐＨであるが、図１に示す磁束量子ビット可変結合素子では、磁束転送器１０１と磁束量子ビット１０３，１０４との間の動的インダクタンスの寄与は約１０ｐＨであり約一桁大きい。なお、図１に示す構造における磁場侵入長は、約０．１μｍ程度である。   In the magnetic flux qubit variable coupling element shown in FIG. 1, since the magnetic flux transfer device 101 shares sides with the magnetic flux qubits 103 and 104, in addition to the geometric inductance, a dynamic inductance that occurs only in the superconducting state is used. Interaction is possible. In the conventional example shown in FIG. 3, the mutual inductance between the magnetic flux transfer device and the magnetic flux qubit is about 1 pH. However, in the magnetic flux qubit variable coupling element shown in FIG. , 104 is about 10 pH, which is about an order of magnitude larger. The magnetic field penetration length in the structure shown in FIG. 1 is about 0.1 μm.

図１に示す磁束量子ビット可変結合素子では、制御ライン１０９に流す電流値を調節することにより、切り替え部１０２を貫く磁束を磁束量子Φ0（＝ｈ／（２ｅ））の整数倍あるいは、１／２，３／２，５／２，・・と半奇数倍に設定することにより、増強された相互インダクタンスを持つ磁束転送器１０１を流れる超伝導電流値をＯＮ／ＯＦＦ（オンオフ）できる。この結果、従来構造に比べて１０倍程度に増強された磁束量子ビット１０３と磁束量子ビット１０４との間の結合を、随意にＯＮ／ＯＦＦできる。 In the magnetic flux qubit variable coupling element shown in FIG. 1, by adjusting the value of the current flowing through the control line 109, the magnetic flux penetrating the switching unit 102 can be an integral multiple of the magnetic flux quantum Φ 0 (= h / (2e)) or 1 By setting the half-odd multiple to / 2, 3/2, 5/2,..., The value of the superconducting current flowing through the magnetic flux transfer device 101 having the enhanced mutual inductance can be turned on / off. As a result, the coupling between the magnetic flux qubit 103 and the magnetic flux qubit 104, which is enhanced by about 10 times compared to the conventional structure, can be arbitrarily turned on / off.

なお、切り替え部１０２を貫く磁束を磁束量子Φ0（＝ｈ／（２ｅ））の整数倍に設定すると、磁束量子ビット１０３と磁束量子ビット１０４との間の結合がＯＮの状態となる。一方、切り替え部１０２を貫く磁束を磁束量子Φ0の半奇数倍に設定すると、磁束量子ビット１０３と磁束量子ビット１０４との間の結合がＯＦＦの状態となる。 When the magnetic flux passing through the switching unit 102 is set to an integral multiple of the magnetic flux quantum Φ 0 (= h / (2e)), the coupling between the magnetic flux qubit 103 and the magnetic flux qubit 104 is turned on. On the other hand, when the magnetic flux penetrating the switching unit 102 is set to a half-odd multiple of the magnetic flux quantum Φ 0 , the coupling between the magnetic flux qubit 103 and the magnetic flux qubit 104 is turned off.

従って、図１に示す磁束量子ビット可変結合素子によれば、磁束量子ビット１０３と磁束量子ビット１０４との間のコヒーレンス時間内の量子ゲート操作可能回数を約１０倍に増大できる。制御ライン１０９に流す電流を調節し、切り替え部１０２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設定することにより、磁束量子ビット１０３と磁束量子ビット１０４との間の結合の強さを任意に制御することができる。これにより、望ましい相互作用の強さ、換言すれば量子ゲート操作に必要な時間を選択することも可能となる。 Therefore, according to the magnetic flux qubit variable coupling element shown in FIG. 1, the number of times that the quantum gate can be operated within the coherence time between the magnetic flux qubit 103 and the magnetic flux qubit 104 can be increased by about 10 times. By adjusting the current flowing through the control line 109 and setting the magnetic flux penetrating the switching unit 102 to an arbitrary value between half-odd multiple and integral multiple of the magnetic flux quantum Φ 0 , the magnetic flux qubit 103 and the magnetic flux qubit 104 The strength of the bond between can be arbitrarily controlled. This makes it possible to select the desired strength of interaction, in other words, the time required for quantum gate operation.

次に、本発明の実施の形態における他の磁束量子ビット可変結合素子について説明する。図２は、本実施の形態における磁束量子ビット可変結合素子の構成例を示す平面図である。
図２に示す磁束量子ビット可変結合素子は、超伝導体から構成された磁束転送器２０１、ＳＱＵＩＤから構成された切り替え部２０２、磁束量子ビット２０３，２０４、磁束量子ビット２０３，２０４の状態を読み出す読み出し部２０５，２０６を備えている。なお、読み出し部２０５，２０６は、図中点線で示し、図示しない層間絶縁層を介して磁束量子ビット２０３，２０４の上層に配置され、磁束量子ビット２０３，２０４とは異なる寸法に形成されている。 Next, another magnetic flux qubit variable coupling element in the embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a plan view showing a configuration example of the magnetic flux qubit variable coupling element in the present embodiment.
The magnetic flux qubit variable coupling element shown in FIG. 2 reads the state of the magnetic flux transfer device 201 composed of a superconductor, the switching unit 202 composed of a SQUID, magnetic flux qubits 203 and 204, and magnetic flux qubits 203 and 204. Read units 205 and 206 are provided. Note that the reading units 205 and 206 are indicated by dotted lines in the drawing, and are arranged on the upper layer of the magnetic flux qubits 203 and 204 via an interlayer insulating layer (not shown), and are formed in dimensions different from those of the magnetic flux qubits 203 and 204. .

磁束転送器２０１は、例えばアルミニウムやニオブなどの低温にすることで超伝導性を示す材料（超伝導材料）から構成された超伝導配線部２０１ａから構成されている。切り替え部２０２は、超伝導材料から構成された超伝導配線部２０２ａと、トンネル絶縁部を備えた２つのジョセフソン接合２０２ｂとを備えるＳＱＵＩＤである。超伝導配線部２０２ａは、例えば、幅０．３μｍ厚さ０．１μｍで、５μｍ角程度の矩形に形成され、図２の紙面上で、対向する上下の辺の中央部に、各々ジョセフソン接合２０２ｂが設けられている。   The magnetic flux transfer device 201 is composed of a superconducting wiring portion 201a composed of a material (superconducting material) that exhibits superconductivity by being at a low temperature, such as aluminum or niobium. The switching unit 202 is a SQUID including a superconducting wiring unit 202a made of a superconducting material and two Josephson junctions 202b including a tunnel insulating unit. The superconducting wiring portion 202a is formed in a rectangular shape having a width of 0.3 μm, a thickness of 0.1 μm, and a square of about 5 μm, for example, and on the paper surface of FIG. 202b is provided.

磁束量子ビット２０３は、超伝導材料からなる超伝導配線部２０３ａと、トンネル絶縁部を備えた３つのジョセフソン接合（第１ジョセフソン接合）２０３ｂとを備える。超伝導配線部２０３ａは、例えば幅０．３μｍ厚さ０．１μｍで、５μｍ角程度の矩形に形成され、矩形の３辺の中央部に各々ジョセフソン接合２０３ｂが設けられている。同様に、磁束量子ビット２０４は、超伝導材料からなる超伝導配線部２０４ａと、３つのジョセフソン接合（第１ジョセフソン接合）２０４ｂとを備える。また、読み出し部２０５，２０６は、切り替え部２０２と同様に、各々２つのジョセフソン接合２０５ｂ，２０６ｂを備えている。   The magnetic flux qubit 203 includes a superconducting wiring portion 203a made of a superconducting material and three Josephson junctions (first Josephson junction) 203b including a tunnel insulating portion. The superconducting wiring portion 203a is formed in a rectangular shape having a width of 0.3 μm and a thickness of 0.1 μm, for example, of about 5 μm square, and a Josephson junction 203b is provided at each of the central portions of the three sides of the rectangle. Similarly, the magnetic flux qubit 204 includes a superconducting wiring portion 204a made of a superconducting material and three Josephson junctions (first Josephson junction) 204b. Similarly to the switching unit 202, the reading units 205 and 206 each include two Josephson junctions 205b and 206b.

加えて、図２に示す磁束量子ビット可変結合素子では、磁束転送器２０１の超伝導配線部２０１ａを、磁束量子ビット２０３，２０４のジョセフソン接合２０３ｂ，２０４ｂを備えていない辺（第４の辺）の超伝導配線部２０３ａ，２０４ａと共有する。図２（ａ）に示す例では、紙面左側の磁束量子ビット２０３の矩形の超伝導配線部２０３ａの右辺と、磁束転送器２０１の超伝導配線部２０１ａの左辺とが、同一である。また、紙面右側の磁束量子ビット２０４の矩形の超伝導配線部２０４ａの左辺と、磁束転送器２０１の超伝導配線部２０１ａの右辺とが、同一である。   In addition, in the magnetic flux qubit variable coupling element shown in FIG. 2, the superconducting wiring portion 201a of the magnetic flux transfer device 201 is connected to the side (fourth side) that does not include the Josephson junctions 203b and 204b of the magnetic flux qubits 203 and 204. ) And the superconducting wiring portions 203a and 204a. In the example shown in FIG. 2A, the right side of the rectangular superconducting wiring portion 203 a of the magnetic flux qubit 203 on the left side of the page is the same as the left side of the superconducting wiring portion 201 a of the magnetic flux transfer device 201. Further, the left side of the rectangular superconducting wiring portion 204a of the magnetic flux qubit 204 on the right side of the page is the same as the right side of the superconducting wiring portion 201a of the magnetic flux transfer device 201.

また、図２に示す磁束量子ビット可変結合素子は、磁場を作り出すことで磁束量子ビット２０３，２０４の状態を制御する制御ライン２０７，２０８、切り替え部２０２のＳＱＵＩＤを貫通する磁場を作り出すことで切り替え部２０２の状態を制御する制御ライン２０９を備えている。
磁束転送器２０１，切り替え部２０２、磁束量子ビット２０３，２０４、制御ライン２０７，２０８、制御ライン２０９は、図示しない半導体基板の上に絶縁層を介して形成され、絶縁層による同一面上に配置されている。 In addition, the magnetic flux qubit variable coupling element shown in FIG. 2 is switched by creating a magnetic field penetrating the SQUID of the switching unit 202 and the control lines 207 and 208 that control the state of the magnetic flux qubits 203 and 204 by creating a magnetic field. A control line 209 for controlling the state of the unit 202 is provided.
The magnetic flux transfer device 201, the switching unit 202, the magnetic flux qubits 203 and 204, the control lines 207 and 208, and the control line 209 are formed on a semiconductor substrate (not shown) via an insulating layer and arranged on the same surface by the insulating layer. Has been.

上述した構成は、図１に示す磁束量子ビット可変結合素子と同様であり、図２に示す磁束量子ビット可変結合素子は、新たに、磁束転送器２０１と磁束量子ビット２０３，２０４とで共有している超伝導配線部に、ジョセフソン接合（第２ジョセフソン接合）２０１ｂを設けるようにした。
ジョセフソン接合２０１ｂは、例えば、ジョセフソン接合１０２ｂに対し、接合の面積が約１０倍となっている。 The configuration described above is the same as that of the magnetic flux qubit variable coupling element shown in FIG. 1, and the magnetic flux qubit variable coupling element shown in FIG. 2 is newly shared by the magnetic flux transfer device 201 and the magnetic flux qubits 203 and 204. The superconducting wiring portion is provided with a Josephson junction (second Josephson junction) 201b.
For example, the area of the junction of the Josephson junction 201b is about 10 times that of the Josephson junction 102b.

従って、図２に示す磁束量子ビット可変結合素子では、前述した動的インダクタンスに加え、ジョセフソン接合２０１ｂによるジョセフソンインダクタンスを利用することができる。
ジョセフソンインダクタンスは、以下の（１）式で示される。 Therefore, in the magnetic flux qubit variable coupling element shown in FIG. 2, in addition to the dynamic inductance described above, the Josephson inductance by the Josephson junction 201b can be used.
Josephson inductance is expressed by the following equation (1).

Figure 2005302847
Figure 2005302847

磁束量子はΦ0＝ｈ／（２ｅ）≒２×１０-15Ｗｂ，ジョセフソン接合２０１ｂの臨界電流は、１C≒１μＡ，磁束転送器２０１を流れる電流は、Ｉ0＜０．１μＡとした場合、（１）式で与えられるジョセフソンインダクタンスは、ＬJ≒３００ｐＨとなる。
このように、図２に示す磁束量子ビット可変結合素子によれば、数百ｐＨ程度のジョセフソンインダクタンスが得られるので、磁束転送器と磁束量子ビットとの間の相互インダクタンスを２桁以上増強できるようになる。 The quantum flux is Φ 0 = h / (2e) ≈2 × 10 −15 Wb, the critical current of the Josephson junction 201b is 1 C ≈1 μA, and the current flowing through the magnetic flux transfer device 201 is I 0 <0.1 μA. In this case, the Josephson inductance given by the equation (1) is L J ≈300 pH.
As described above, according to the magnetic flux qubit variable coupling element shown in FIG. 2, a Josephson inductance of about several hundred pH can be obtained, so that the mutual inductance between the magnetic flux transfer device and the magnetic flux qubit can be increased by two digits or more. It becomes like this.

図２に示す磁束量子ビット可変結合素子では、制御ライン２０９に流す電流値を調節し、切り替え部２０２を貫く磁束を磁束量子Φ0（＝ｈ／（２ｅ））の整数倍あるいは、１／２，３／２，５／２，・・と半奇数倍に設定することにより、増強された相互インダクタンスを持つ磁束転送器２０１を流れる超伝導電流値をＯＮ／ＯＦＦできる。この結果、従来構造に比べて数１００倍程度に増強された磁束量子ビット２０３と磁束量子ビット２０４との間の結合を、随意にＯＮ／ＯＦＦできる。 In the magnetic flux qubit variable coupling device shown in FIG. 2, the value of the current flowing through the control line 209 is adjusted, and the magnetic flux passing through the switching unit 202 is an integral multiple of the magnetic flux quantum Φ 0 (= h / (2e)) or 1/2 , 3/2, 5/2,..., 3/2, and so on, the superconducting current value flowing through the magnetic flux transfer device 201 having enhanced mutual inductance can be turned ON / OFF. As a result, the coupling between the magnetic flux qubit 203 and the magnetic flux qubit 204, which is enhanced by several hundred times as compared with the conventional structure, can be arbitrarily turned ON / OFF.

なお、切り替え部２０２を貫く磁束を磁束量子Φ0（＝ｈ／（２ｅ））の整数倍に設定すると、磁束量子ビット２０３と磁束量子ビット２０４との間の結合がＯＮの状態となる。一方、切り替え部２０２を貫く磁束を磁束量子Φ0の半奇数倍に設定すると、磁束量子ビット２０３と磁束量子ビット２０４との間の結合がＯＦＦの状態となる。 If the magnetic flux passing through the switching unit 202 is set to an integral multiple of the magnetic flux quantum Φ 0 (= h / (2e)), the coupling between the magnetic flux qubit 203 and the magnetic flux qubit 204 is turned on. On the other hand, when the magnetic flux penetrating the switching unit 202 is set to a half-odd multiple of the magnetic flux quantum Φ 0 , the coupling between the magnetic flux qubit 203 and the magnetic flux qubit 204 is turned off.

従って、図２に示す磁束量子ビット可変結合素子によれば、磁束量子ビット２０３と磁束量子ビット２０４との間のコヒーレンス時間内の量子ゲート操作可能回数を数１００倍に増大できる。制御ライン２０９に流す電流を調節し、切り替え部２０２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設定することにより、磁束量子ビット２０３と磁束量子ビット２０４との間の結合の強さを任意に制御することができる。これにより、望ましい相互作用の強さ、換言すれば量子ゲート操作に必要な時間を選択することも可能となる。 Therefore, according to the magnetic flux qubit variable coupling element shown in FIG. 2, the number of possible quantum gate operations within the coherence time between the magnetic flux qubit 203 and the magnetic flux qubit 204 can be increased several hundred times. By adjusting the current flowing through the control line 209 and setting the magnetic flux penetrating the switching unit 202 to an arbitrary value between half-odd multiple and integral multiple of the magnetic flux quantum Φ 0 , the magnetic flux qubit 203 and the magnetic flux qubit 204 The strength of the bond between can be arbitrarily controlled. This makes it possible to select the desired strength of interaction, in other words, the time required for quantum gate operation.

なお、上述では、磁束転送器の切り替え部をＳＱＵＩＤから構成したが、これに限るものではなく、例えば、ジョセフソン接合電界効果トランジスタ（ＪＯＦＥＴ）から構成してもよい。例えば、図１の切り替え部１０２の部分に、ＳＱＵＩＤの換わりにＪＯＦＥＴを配置すればよい。ただし、ＪＯＦＥＴは、超伝導体／常伝導体／超伝導体接合から構成され、切り替え動作が行われるときに散逸を生じる常伝導体で構成されているので、磁束量子ビットのコヒーレンスに悪影響を与える場合もある。   In the above description, the switching unit of the magnetic flux transfer device is configured from the SQUID, but is not limited thereto, and may be configured from, for example, a Josephson junction field effect transistor (JOFET). For example, a JOFET may be disposed in place of the SQUID in the switching unit 102 in FIG. However, the JOFET is composed of a superconductor / normal conductor / superconductor junction, and is composed of a normal conductor that causes dissipation when a switching operation is performed, which adversely affects the coherence of the flux qubit. In some cases.

本実施の形態における量子ビット可変結合素子の構成例を示す平面図（ａ）、及び部分を示す断面図（ｂ）である。It is the top view (a) which shows the structural example of the qubit variable coupling element in this Embodiment, and sectional drawing (b) which shows a part. 本実施の形態における磁束量子ビット可変結合素子の構成例を示す平面図である。It is a top view which shows the structural example of the magnetic flux qubit variable coupling element in this Embodiment. 従来よりある量子ビット可変結合素子の構成例を示す平面図である。It is a top view which shows the structural example of a conventional qubit variable coupling element.

符号の説明Explanation of symbols

１０１…磁束転送器、１０１ａ…超伝導配線部、１０２…切り替え部、１０２ａ…超伝導配線部、１０２ｂ…ジョセフソン接合、１０３，１０４…磁束量子ビット、１０３ａ，１０４ａ…超伝導配線部、１０３ｂ，１０４ｂ…ジョセフソン接合（第１ジョセフソン接合）、１０５，１０６…読み出し部、１０５ｂ，１０６ｂ…ジョセフソン接合、１０７，１０８，１０９…制御ライン。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Magnetic flux transfer device, 101a ... Superconducting wiring part, 102 ... Switching part, 102a ... Superconducting wiring part, 102b ... Josephson junction, 103, 104 ... Magnetic flux qubit, 103a, 104a ... Superconducting wiring part, 103b, 104b ... Josephson junction (first Josephson junction), 105, 106 ... readout section, 105b, 106b ... Josephson junction, 107, 108, 109 ... control line.

Claims (2)

矩形の超伝導配線部及びこの超伝導配線部の第１，２，３の辺に設けられた第１ジョセフソン接合から構成された２つの磁束量子ビットと、
矩形の超伝導配線部から構成されて２つの前記磁束量子ビット間に相互作用を作用させる磁束転送器と、
前記磁束転送器に流れる超伝導電流をオンオフする切り換え手段と
を備え、
前記磁束転送器の超伝導配線部の２辺は、２つの前記磁束量子ビットの前記第１ジョセフソン接合のない第４の辺の超伝導配線部から構成されている
ことを特徴とする量子ビット可変結合素子。 Two magnetic flux qubits composed of a rectangular superconducting wiring portion and first Josephson junctions provided on the first, second, and third sides of the superconducting wiring portion;
A magnetic flux transfer device composed of a rectangular superconducting wiring portion and causing interaction between the two magnetic flux qubits;
Switching means for turning on and off the superconducting current flowing through the magnetic flux transfer device,
Two sides of the superconducting wiring part of the magnetic flux transfer device are composed of a superconducting wiring part of the fourth side without the first Josephson junction of the two magnetic flux qubits. Variable coupling element. 請求項１記載の量子ビット可変結合素子において、
前記第４の辺に設けられて前記第１ジョセフソン接合より接合面積の大きい第２ジョセフソン接合を備える
ことを特徴とする量子ビット可変結合素子。
The qubit variable coupling device according to claim 1,
A qubit variable coupling element comprising: a second Josephson junction provided on the fourth side and having a larger junction area than the first Josephson junction.
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