[論文レビュー] A Superconducting Persistent Current Qubit

Terry P. Orlando, Mooji, J. E.+5 more|Data Archiving and Networked Services (DANS)|Aug 19, 1999

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、3つのジャンクションを有する超伝導ループにおける持続的電流状態に基づく超伝導キュービットを提案する。2つのキュービット状態は、時計回りおよび反時計回りの電流循環に対応する。キュービットは磁束を介して制御・読み出し可能であり、電荷ノイズに対して頑健で、SQUIDベースの検出と互換性があるため、スケーラブルなフラックスベースの超伝導量子計算への重要な一歩を示している。

ABSTRACT

We present the design of a superconducting qubit that has circulating currents of opposite sign as its two states. The circuit consists of three nano-scale aluminum Josephson junctions connected in a superconducting loop and controlled by magnetic fields. The advantages of this qubit are that it can be made insensitive to background charges in the substrate, the flux in the two states can be detected with a SQUID, and the states can be manipulated with magnetic fields. Coupled systems of qubits are also discussed as well as sources of decoherence.

研究の動機と目的

• 電荷デコherenceに対して頑健であるように、電荷状態の代わりに持続的電流状態を用いることで、超伝導キュービットを設計すること。
• 外部磁場を用いてキュービット状態のコherentな操作と測定を可能にすること。
• 超伝導ループ内のフラックス状態に基づいた、結合したキュービットのスケーラブルなアーキテクチャを設計すること。
• デコherenceの原因を分析し、実装に向けた緩和戦略を提案すること。

提案手法

• アルミニウムベースのジャンクションを3つ有する超伝導ループを設計し、持続的電流キュービットを形成する。
• ループを貫く磁束を用いて、時計回りおよび反時計回りの電流状態間のエネルギー準位分裂をシフトさせ、キュービット状態を制御する。
• 各電流状態に関連する磁束を検出するため、SQUID（超伝導量子干渉素子）を実装する。
• 系の磁束チューナブル性を活用し、外部磁場パルスを用いて1キュービット操作を実行する。
• ジョセフソン結合および自己インダクタンスを組み込んだフラックスキュービットのハミルトニアンを用いて、キュービットの挙動をモデル化する。
• 回路内のフラックスノイズ、準粒子トンネル効果、熱揺らぎなどのデコherence機構を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 持続的電流状態に基づく超伝導キュービットは、電荷ノイズへの感受性を回避することで、長寿命のコherence時間を達成できるか？
• RQ2 時計回りおよび反時計回りの電流状態（フラックス状態）を外部磁場を用いてコherentに操作・測定できるか？
• RQ3 このようなフラックスキュービットのネットワークは、量子計算に向けたスケーラビリティを有するか？
• RQ4 この設計における主要なデコherenceチャネルは何か。また、それらを最小限に抑えるにはどうすればよいか？
• RQ5 SQUIDを用いてフラックス状態を高精度で信頼性高く読み出せるか？

主な発見

• 持続的電流キュービットは、フラックスベースの符号化により電荷ノイズに対して強く、電荷キュービットと比較して著しくコherence時間が延びる。
• 外部磁束を介したエネルギー準位分裂のチューニングが可能であり、キュービット状態のコherentな制御が可能である。
• SQUIDを用いることで、各状態に伴う磁束を高感度で検出でき、キュービット状態の射影測定が可能である。
• 理論的モデルにより、共鳴磁場パルス下でのラビ振動が示され、電流状態のコherentな重ね合わせが実現可能であることが確認された。
• デコherenceは主にフラックスノイズと準粒子トンネル効果に起因し、モデルではマイクロ秒オーダーの推定デコherence時間が得られた。
• このようなキュービットの結合アレイは、相互インダクタンスを介して2キュービットエンタングルゲートを実装可能であり、スケーラブルな量子計算に向けた基盤を提供する。