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明細書 :可変磁気結合回路、及び回路制御方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2020-178078 (P2020-178078A)
公開日 令和2年10月29日(2020.10.29)
発明の名称または考案の名称 可変磁気結合回路、及び回路制御方法
国際特許分類 H01L  39/22        (2006.01)
FI H01L 39/22 ZAAK
請求項の数または発明の数 6
出願形態 OL
全頁数 13
出願番号 特願2019-080292 (P2019-080292)
出願日 平成31年4月19日(2019.4.19)
発明者または考案者 【氏名】吉原 文樹
出願人 【識別番号】301022471
【氏名又は名称】国立研究開発法人情報通信研究機構
個別代理人の代理人 【識別番号】110001634、【氏名又は名称】特許業務法人 志賀国際特許事務所
審査請求 未請求
テーマコード 4M113
Fターム 4M113AC45
4M113AC50
4M113AD03
4M113AD51
要約 【課題】簡易な構成で、磁束の状態を変化させることなく、結合強度と周波数とを独立して制御する。
【解決手段】可変磁気結合回路は、電流の状態を有する回路要素である被結合対象の間で磁気結合する可変磁気結合回路であって、1つのループ状に循環電流が流れるO字状のループ経路と、O字状のループ経路に配置された第1インダクタ部と、O字状のループ経路に配置され、被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第1結合強度変更部とを有する第1のループ回路と、経路に交差部分を有し、交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の8の字状のループ経路と、8の字状のループ経路に配置された第2インダクタ部と、8の字状のループ経路に配置され、被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第2結合強度変更部とを有する第2のループ回路とを備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲 【請求項1】
電流の状態を有する回路要素である被結合対象の間で磁気結合する可変磁気結合回路であって、
1つのループ状に循環電流が流れるO字状のループ経路と、前記O字状のループ経路に配置された第1インダクタ部と、前記O字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第1結合強度変更部とを有する第1のループ回路と、
経路に交差部分を有し、前記交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の8の字状のループ経路と、前記8の字状のループ経路に配置された第2インダクタ部と、前記8の字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第2結合強度変更部とを有する第2のループ回路と
を備えることを特徴とする可変磁気結合回路。
【請求項2】
前記8の字状のループ経路は、前記交差部分が3次元的に経路が交差して、前記交差部分において経路が接続されない
ことを特徴とする請求項1に記載の可変磁気結合回路。
【請求項3】
前記8の字状のループ経路は、前記交差部分で経路が接続されている
ことを特徴とする請求項1に記載の可変磁気結合回路。
【請求項4】
前記第1結合強度変更部及び前記第2結合強度変更部のいずれか一方又は両方は、直列接続された少なくとも2つのジョセフソン接合を有し、与えられた電荷に基づいて、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能である
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の可変磁気結合回路。
【請求項5】
電流の状態を有する回路要素である被結合対象の間で磁気結合する可変磁気結合回路であり、
1つのループ状に循環電流が流れるO字状のループ経路と、前記O字状のループ経路に配置された第1インダクタ部と、前記O字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第1結合強度変更部とを有する第1のループ回路と、
経路に交差部分を有し、前記交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の8の字状のループ経路と、前記8の字状のループ経路に配置された第2インダクタ部と、前記8の字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第2結合強度変更部とを有する第2のループ回路と
を備える可変磁気結合回路の回路制御方法であって、
前記第1のループ回路及び前記第2のループ回路による前記被結合対象の周波数の変化及び前記磁気結合強度の変化の特性に基づいて、前記周波数が一定になるように、前記第1結合強度変更部及び前記第2結合強度変更部を制御して、前記磁気結合強度を変更する
ことを特徴とする回路制御方法。
【請求項6】
電流の状態を有する回路要素である被結合対象の間で磁気結合する可変磁気結合回路であり、
1つのループ状に循環電流が流れるO字状のループ経路と、前記O字状のループ経路に配置された第1インダクタ部と、前記O字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第1結合強度変更部とを有する第1のループ回路と、
経路に交差部分を有し、前記交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の8の字状のループ経路と、前記8の字状のループ経路に配置された第2インダクタ部と、前記8の字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第2結合強度変更部とを有する第2のループ回路と
を備える可変磁気結合回路の回路制御方法であって、
前記第1のループ回路及び前記第2のループ回路による前記被結合対象の周波数の変化及び前記磁気結合強度の変化の特性に基づいて、前記磁気結合強度が一定になるように、前記第1結合強度変更部及び前記第2結合強度変更部を制御して、前記周波数を変更する
ことを特徴とする回路制御方法。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、可変磁気結合回路、及び回路制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、磁束量子ビットなどの回路要素間の可変磁気結合を行う可変磁気結合回路が知られている(例えば、非特許文献1を参照)。このような従来の可変磁気結合回路では、可変磁気結合の結合強度を制御することが可能である。
【先行技術文献】
【0003】

【非特許文献1】A. O. Niskanen et al.,“Quantum Coherent Tunable Coupling of Superconducting Qubits” Science 316, 723 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上述した従来の可変磁気結合回路では、例えば、磁束量子ビットなどの回路要素間の結合強度を制御する結合強度変調を行う場合に、結合強度変調に伴って、被結合対象の回路要素の周波数、及び磁束の状態のいずれか又は両方が変化してしまい、結合強度と周波数とを独立して制御することが困難であった。また、従来の可変磁気結合回路では、周波数、及び磁束の状態のいずれか又は両方の変化を補償するために、追加の構成を備える必要があった。
【0005】
本発明は、上記問題を解決すべくなされたもので、その目的は、簡易な構成で、磁束の状態を変化させることなく、結合強度と周波数とを独立して制御することができる可変磁気結合回路、及び回路制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記問題を解決するために、本発明の一態様は、電流の状態を有する回路要素である被結合対象の間で磁気結合する可変磁気結合回路であって、1つのループ状に循環電流が流れるO字状のループ経路と、前記O字状のループ経路に配置された第1インダクタ部と、前記O字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第1結合強度変更部とを有する第1のループ回路と、経路に交差部分を有し、前記交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の8の字状のループ経路と、前記8の字状のループ経路に配置された第2インダクタ部と、前記8の字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第2結合強度変更部とを有する第2のループ回路とを備えることを特徴とする可変磁気結合回路である。
【0007】
また、本発明の一態様は、電流の状態を有する回路要素である被結合対象の間で磁気結合する可変磁気結合回路であり、1つのループ状に循環電流が流れるO字状のループ経路と、前記O字状のループ経路に配置された第1インダクタ部と、前記O字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第1結合強度変更部とを有する第1のループ回路と、経路に交差部分を有し、前記交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の8の字状のループ経路と、前記8の字状のループ経路に配置された第2インダクタ部と、前記8の字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第2結合強度変更部とを有する第2のループ回路とを備える可変磁気結合回路の回路制御方法であって、前記第1のループ回路及び前記第2のループ回路による前記被結合対象の周波数の変化及び前記磁気結合強度の変化の特性に基づいて、前記周波数が一定になるように、前記第1結合強度変更部及び前記第2結合強度変更部を制御して、前記磁気結合強度を変更することを特徴とする回路制御方法である。
【0008】
また、本発明の一態様は、電流の状態を有する回路要素である被結合対象の間で磁気結合する可変磁気結合回路であり、1つのループ状に循環電流が流れるO字状のループ経路と、前記O字状のループ経路に配置された第1インダクタ部と、前記O字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第1結合強度変更部とを有する第1のループ回路と、経路に交差部分を有し、前記交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の8の字状のループ経路と、前記8の字状のループ経路に配置された第2インダクタ部と、前記8の字状のループ経路に配置され、前記被結合対象の間の磁気結合強度を変更可能な第2結合強度変更部とを有する第2のループ回路とを備える可変磁気結合回路の回路制御方法であって、前記第1のループ回路及び前記第2のループ回路による前記被結合対象の周波数の変化及び前記磁気結合強度の変化の特性に基づいて、前記磁気結合強度が一定になるように、前記第1結合強度変更部及び前記第2結合強度変更部を制御して、前記周波数を変更することを特徴とする回路制御方法である。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、簡易な構成で、磁束の状態を変化させることなく、結合強度と周波数とを独立して制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】第1の実施形態による可変磁気結合回路の一例を示すブロック図である。
【図2】第1の実施形態による可変磁気結合回路の第1の制御モードの動作原理を説明する図である。
【図3】第1の実施形態による可変磁気結合回路の第1の制御モードの動作例を説明する図である。
【図4】第1の実施形態による可変磁気結合回路の第2の制御モードの動作原理を説明する図である。
【図5】第2の実施形態による可変磁気結合回路の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の実施形態による可変磁気結合回路、及び回路制御方法について、図面を参照して説明する。

【0012】
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態による可変磁気結合回路1の一例を示すブロック図である。
図1に示すように、可変磁気結合回路1は、ループ回路COと、ループ回路C8とを備える。

【0013】
可変磁気結合回路1は、電流の状態を有する回路要素である被結合対象(21、22)の間で磁気結合する超伝導量子回路である。可変磁気結合回路1は、例えば、被結合対象21と、被結合対象22との間に配置され、被結合対象21と被結合対象22との間の磁気結合を制御する。
なお、本実施形態において、被結合対象21と被結合対象22とは、特に区別しない場合には、被結合対象20として説明する。

【0014】
被結合対象20は、電流の状態を有する回路要素であり、例えば、超伝導体のループ経路と、インピーダンス部とを備える超伝導量子回路である。被結合対象20は、例えば、磁束量子ビット、超伝導共振回路、等である。なお、超伝導量子回路には、抵抗成分は含まれない。
図1において、被結合対象21(第1の被結合対象の一例)は、超伝導量子回路であり、例えば、量子ビット回路である。被結合対象21は、ループ経路211と、インピーダンス部212とを備える。

【0015】
ループ経路211は、超伝導体で構成されたループ状の経路である。また、インピーダンス部212は、インピーダンスZを有する。
また、被結合対象21は、ループ経路211に電流Iが流れている状態であるものとする。
また、被結合対象22(第2の被結合対象の一例)は、超伝導量子回路であり、例えば、量子ビット回路である。被結合対象22は、ループ経路221と、インピーダンス部222とを備える。
ループ経路221は、超伝導体で構成されたループ状の経路である。また、インピーダンス部222は、インピーダンスZを有する。
また、被結合対象22は、ループ経路221に電流Iが流れている状態であるものとする。

【0016】
ループ回路CO(第1のループ回路の一例)は、例えば、電荷バイアスにより磁気結合強度を制御する電荷制御磁束量子ビットである。なお、本実施形態の説明において、電荷を与えることを、電荷バイアスと表記することがある。ループ回路COは、ループ経路ROと、インダクタ部13と、結合強度変更部11とを備える。
ループ経路ROは、超伝導体で構成された経路であり、ループ状に電流が流れる超伝導体の配線である。ループ経路ROは、1つのループ状に循環電流が流れるO字状の経路である。ループ経路ROの経路上には、後述する結合強度変更部11と、インダクタ部13とが配置されている。

【0017】
インダクタ部13(第1インダクタ部の一例)は、ループ経路ROに配置されたインダクタであり、ジョセフソン接合131及びジョセフソン接合132を有している。すなわち、インダクタ部13は、ループ経路RO上に配置された1つ以上のジョセフソン接合(例えば、2つのジョセフソン接合131及びジョセフソン接合132)を備える。
ジョセフソン接合131及びジョセフソン接合132は、ループ経路RO上に流れる電流が自身の臨界電流よりも十分に小さい場合に、インダクタとして機能する。なお、ジョセフソン接合131及びジョセフソン接合132は、後述するジョセフソン接合111及びジョセフソン接合112よりも臨界電流が大きく設定されている。

【0018】
結合強度変更部11(第1結合強度変更部の一例)は、ループ経路RO上に配置され、直列接続された少なくとも2つのジョセフソン接合(111,112)を有し、与えられた電荷に基づいて、被結合対象20の間の磁気結合強度を変更する。結合強度変更部11は、例えば、電圧源31から電圧を印加することで、ジョセフソン接合(111,112)の間の超伝導体に電荷を与えて、アハロノフ・キャッシャー効果(Aharonov Casher効果)によって、ループ回路COの周波数Δを変更し、周波数Δを変化させることで被結合対象21と被結合対象22との間の磁気結合強度を変更する。このように、結合強度変更部11は、2つの被結合対象20の間の磁気結合強度を変更可能である。なお、以下の説明において、磁気結合強度を結合強度と表記することがある。

【0019】
結合強度変更部11は、電圧源31からの電圧に基づく電荷バイアスを変更することで、被結合対象20の磁気結合強度を変更可能である。
また、結合強度変更部11は、ジョセフソン接合111と、ジョセフソン接合112と、コンデンサ113とを備える。

【0020】
ジョセフソン接合111及びジョセフソン接合112は、ループ経路RO上に、例えば、直列に接続され、ループ経路RO上の超伝導体の間に、絶縁体などのトンネル障壁により弱結合を設けることで形成される。
コンデンサ113は、第1端がジョセフソン接合111と、ジョセフソン接合112との間の超伝導体(ループ経路RO)に接続され、第2端が電圧源31に接続されている。コンデンサ113は、電圧源31から印加された電圧によって、ジョセフソン接合111とジョセフソン接合112との間の超伝導体に電荷バイアスを与えるために利用される。

【0021】
電圧源31は、例えば、電池などの直流電源であり、結合強度変更部11に電荷バイアスを印加するために、結合強度変更部11のコンデンサ113に電圧を供給する。電圧源31は、結合強度変更部11に供給する電圧を変更可能に構成されており、後述する制御部30の制御に基づいて、供給する電圧を変更することにより、周波数Δを変化させ、2つの被結合対象20の間の磁気結合強度を制御可能である。

【0022】
ループ回路C8(第2のループ回路の一例)は、例えば、電荷バイアスにより磁気結合強度を制御する電荷制御磁束量子ビットである。ループ回路C8は、ループ経路R8と、インダクタ部14と、結合強度変更部12とを備える。
ループ経路R8は、超伝導体で構成された経路であり、ループ状に電流が流れる超伝導体の配線である。ループ経路R8は、経路に交差部分を有し、交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の8の字状の経路である。ループ経路R8は、交差部分が3次元的に経路が交差(立体交差)して、交差部分において経路が接続されない。ループ経路R8の経路上には、後述する結合強度変更部12と、インダクタ部14とが配置されている。

【0023】
インダクタ部14(第2インダクタ部の一例)は、ループ経路R8に配置されたインダクタであり、ジョセフソン接合141及びジョセフソン接合142を有している。すなわち、インダクタ部14は、ループ経路R8上に配置された1つ以上のジョセフソン接合(例えば、2つのジョセフソン接合141及びジョセフソン接合142)を備える。
ジョセフソン接合141及びジョセフソン接合142は、上述したループ回路COのジョセフソン接合111及びジョセフソン接合112と同様の構成である。

【0024】
結合強度変更部12(第2結合強度変更部の一例)は、ループ経路R8上に配置され、直列接続された少なくとも2つのジョセフソン接合(121,122)を有し、与えられた電荷に基づいて、ループ回路C8の周波数Δを変更し、周波数Δを変化させることで被結合対象20の間の磁気結合強度を変更する。なお、結合強度変更部12は、上述したループ回路COの結合強度変更部11と同様の構成である。
なお、結合強度変更部11及び結合強度変更部12の電荷バイアスによる被結合対象20の磁気結合強度の変更原理及び動作の詳細については、特願2018-076790号公報に記載されている。

【0025】
また、結合強度変更部12は、ジョセフソン接合121と、ジョセフソン接合122と、コンデンサ123とを備える。ジョセフソン接合121、ジョセフソン接合122、及びコンデンサ123は、上述した結合強度変更部11のジョセフソン接合111、ジョセフソン接合112、及びコンデンサ113と同様の構成である。なお、コンデンサ123は、電圧源32から印加された電圧によって、ジョセフソン接合121と、ジョセフソン接合122との間の超伝導体に電荷バイアスを与えるために利用される。

【0026】
電圧源32は、例えば、電池などの直流電源であり、結合強度変更部12に電荷バイアスを印加するために、結合強度変更部12のコンデンサ123に電圧を供給する。電圧源32は、結合強度変更部12に供給する電圧を変更可能に構成されており、後述する制御部30の制御に基づいて、供給する電圧を変更することにより、周波数Δを変化させ、2つの被結合対象20の間の磁気結合強度を制御可能である。
制御部30は、例えば、CPU(Central Processing Unit)などを含むプロセッサであり、電圧源31及び電圧源32を制御して、可変磁気結合回路1の制御を行う。制御部30は、例えば、被結合対象20の周波数を変更させずに、磁気結合強度を変更する第1の制御モードの制御と、例えば、被結合対象20の磁気結合強度を変更させずに、被結合対象20の周波数を変更する第2の制御モードの制御とを行う。

【0027】
制御部30は、例えば、電荷バイアスによるループ回路COの周波数Δ及びループ回路C8の周波数Δの変化特性を取得した上で、ループ回路CO及びループ回路C8による被結合対象20の周波数の変化及び磁気結合強度の変化の特性を予め生成された特性情報として取得する。制御部30は、例えば、第1の制御モードの場合に、当該特性情報に基づいて、ループ回路CO及びループ回路C8による被結合対象20の周波数の変化が一定になるように、結合強度変更部11及び結合強度変更部12を制御して、磁気結合強度を変更する。
また、制御部30は、例えば、第2の制御モードの場合に、当該特性情報に基づいて、ループ回路CO及びループ回路C8による磁気結合強度の変化が一定になるように、結合強度変更部11及び結合強度変更部12を制御して、被結合対象20の周波数を変更する。

【0028】
次に、図面を参照して、本実施形態による可変磁気結合回路1の動作原理、及び動作の詳細について説明する。
図1に示す被結合対象(21,22)及び可変磁気結合回路1の全回路のハミルトニアンHtotalは、下記の式(1)により表される。

【0029】
【数1】
JP2020178078A_000003t.gif

【0030】
ここで、Δは、i=“A’”(被結合対象21),“B’”(被結合対象22),“O”(ループ回路CO),“8”(ループ回路C8)の各量子ビットの周波数を示している。また、gijは、量子ビットij間の結合強度を示している。

【0031】
また、被結合対象(21,22)の結合に注目した実質的なハミルトニアンHABは、以下の式(2)により表される。

【0032】
【数2】
JP2020178078A_000004t.gif

【0033】
上述した式(1)において、ハミルトニアンHtotalの結合強度qijを固定して、ループ回路COの周波数Δ及びループ回路C8の周波数Δを変更した場合の被結合対象(21,22)に着目した実質的なハミルトニアンHABのパラメータ変化をグラフにしたものが、図2に示すグラフになる。

【0034】
図2は、本実施形態による可変磁気結合回路1の第1の制御モードの動作原理を説明する図である。
図2(a)に示すグラフは、ループ回路COの周波数Δ及びループ回路C8の周波数Δを変更した場合の被結合対象(21,22)間の結合強度の変化を示している。図(a)に示すグラフ内の数値は、結合強度(GHz(ギガヘルツ))の値を示している。

【0035】
また、図2(b)に示すグラフは、ループ回路COの周波数Δ及びループ回路C8の周波数Δを変更した場合の被結合対象(21,22)の周波数(Δ=Δ)の変化を示している。図2(b)に示すグラフ内の数値は、周波数(Δ=Δ)の値を示している。
第1の制御モードでは、図2(b)において、周波数(Δ=Δ)が一定になるように、周波数Δ及び周波数Δを変更することで、被結合対象(21,22)の周波数(Δ=Δ)を変更させずに、被結合対象(21,22)間の結合強度を変更することが可能である。
例えば、図2(b)において、周波数(Δ=Δ)が“4.5”(GHz)になる制御線S1に沿って、周波数Δ及び周波数Δを変化させると、図2(a)の制御線S1に示すように、被結合対象(21,22)間の結合強度を“-0.4”(GHz)から“0.4”(GHz)に変更することが可能である。

【0036】
このように、図2に示すような、ループ回路CO及びループ回路C8による被結合対象20の周波数の変化及び磁気結合強度の変化の特性を特性情報として予め測定又は演算により生成しておき、制御部30が、当該特性情報に基づいて、ループ回路CO及びループ回路C8による周波数Δ(周波数Δ)の変化が一定になるように、結合強度変更部11及び結合強度変更部12を制御することで、第1の制御モードの制御を実現する。

【0037】
また、図3は、本実施形態による可変磁気結合回路1の第1の制御モードの動作例を説明する図である。
図3(a)は、ループ回路(CO,C8)の周波数変化(Δ又はΔの変化)に対する被結合対象20間の結合強度の変化を示している。図3(a)において、波形W1は、ループ回路COのみを備える場合の結合強度の特性を示し、波形W2は、ループ回路C8のみを備える場合の結合強度の特性を示している。波形W1及び波形W2は、結合強度の極性が逆の特性となっており、本実施形態の可変磁気結合回路1では、ループ回路COとループ回路C8とを組み合わせて、(Δ+Δ)が一定(=40GHz×2π)になるように周波数(Δ及びΔ)を変化させることで、波形W3に示すような結合強度の特性を得る。なお、波形W3についての横軸は、(Δ/2π)が横軸の値、(Δ/2π)が(40-横軸の値)を示している。

【0038】
また、図3(b)は、ループ回路(CO,C8)の周波数変化(Δ又はΔの変化)に対する被結合対象20の周波数(Δ=Δ)の変化を示している。図3(b)において、波形W4は、ループ回路COのみを備える場合の周波数(Δ=Δ)の特性を示し、波形W5は、ループ回路C8のみを備える場合の周波数(Δ=Δ)の特性を示している。本実施形態の可変磁気結合回路1では、ループ回路COとループ回路C8とを組み合わせて、(Δ+Δ)が一定(=40GHz×2π)になるように周波数(Δ及びΔ)を変化させることで、波形W6に示すような周波数(Δ=Δ)の特性を得る。なお、波形W6についての横軸は、上述した図3(a)の波形W3と同様である。

【0039】
制御部30は、図3(b)において、周波数(Δ=Δ)が一定になるように周波数(Δ及びΔ)を範囲R1の間で変化させることで、図3(a)に示す範囲R2の間で、結合強度を変更可能である。

【0040】
図4は、本実施形態による可変磁気結合回路1の第2の制御モードの動作原理を説明する図である。
図4(a)及び図4(b)に示すグラフは、上述した図2(a)及び図2(b)に示すグラフと同様であるためここではその説明を省略する。
第2の制御モードでは、図4(a)において、結合強度が一定になるように、周波数Δ及び周波数Δを変更することで、被結合対象(21,22)間の結合強度を変更させずに、被結合対象(21,22)の周波数(Δ=Δ)を変更することが可能である。

【0041】
例えば、図4(a)において、被結合対象(21,22)間の結合強度が“0.0”(GHz)になる制御線S2に沿って、周波数Δ及び周波数Δを変化させると、図4(b)の制御線S2に示すように、周波数(Δ=Δ)を“約4.6”(GHz)から“4.0”(GHz)に変更することが可能である。ここで、結合強度が“0.0”(GHz)の場合、例えば、周波数Δと周波数Δとを等しく変化させる(Δ=Δ)。

【0042】
このように、図4に示すような、ループ回路CO及びループ回路C8による被結合対象20の周波数の変化及び磁気結合強度の変化の特性を特性情報として予め測定又は演算により生成しておき、制御部30が、当該特性情報に基づいて、ループ回路CO及びループ回路C8による磁気結合強度の変化が一定になるように、結合強度変更部11及び結合強度変更部12を制御することで、第2の制御モードの制御を実現する。

【0043】
以上説明したように、本実施形態による可変磁気結合回路1は、電流の状態を有する回路要素である被結合対象20の間で磁気結合する可変磁気結合回路であって、ループ回路CO(第1のループ回路)と、ループ回路C8(第2のループ回路)とを備える。ループ回路COは、1つのループ状に循環電流が流れるO字状のループ経路ROと、O字状のループ経路ROに配置されたインダクタ部13(第1インダクタ部)と、O字状のループ経路ROに配置され、被結合対象20の間の磁気結合強度を変更可能な結合強度変更部11(第1結合強度変更部)とを有する。ループ回路C8は、経路に交差部分を有し、交差部分の前後で循環電流の向きが逆向きになる超伝導体の8の字状のループ経路R8と、8の字状のループ経路R8に配置されたインダクタ部14(第2インダクタ部)と、8の字状のループ経路R8に配置され、被結合対象20の間の磁気結合強度を変更可能な結合強度変更部12(第2結合強度変更部)とを有する。また、本実施形態では、8の字状のループ経路R8は、交差部分が3次元的に経路が交差して、交差部分において経路が接続されない。

【0044】
これにより、本実施形態による可変磁気結合回路1は、ループ回路COと、ループ回路C8とを組み合わせることで、例えば、図2及び図4に示すように、結合強度と周波数とを独立して制御することができる。また、本実施形態による可変磁気結合回路1は、周波数の変化を補償するための追加の構成を必要としない。よって、本実施形態による可変磁気結合回路1は、簡易な構成で、結合強度と周波数とを独立して制御することができる。
本実施形態による可変磁気結合回路1では、例えば、被結合対象20の間で磁気結合を変更する際に、周波数の変化を完全になくすことができる。

【0045】
また、本実施形態では、結合強度変更部11及び結合強度変更部12のいずれか一方又は両方は、直列接続された少なくとも2つのジョセフソン接合を有し、与えられた電荷に基づいて、被結合対象20の間の磁気結合強度を変更可能である。
これにより、本実施形態による可変磁気結合回路1は、被結合対象20の間のゼロ結合を容易に実現するとともに、制御における磁束バイアス同士の混線を低減することができる。

【0046】
また、本実施形態では、磁気結合される2つの被結合対象20のうちの少なくとも1つは、超伝導量子回路である。例えば、磁気結合される2つの被結合対象20は、いずれも磁束量子ビット(磁束量子ビット回路)であってもよい。また、2つの被結合対象20のうちの少なくとも1つは、磁束量子ビット又は超伝導共振回路であってもよい。例えば、磁気結合される2つの被結合対象20は、磁束量子ビットと超伝導共振回路とであってもよい。
これにより、本実施形態による可変磁気結合回路1は、例えば、磁束量子ビットなどの超伝導量子回路の間の磁気結合を適切に制御することができる。

【0047】
なお、本実施形態による可変磁気結合回路1では、様々な超伝導量子回路の間の磁気結合に利用することができる。本実施形態による可変磁気結合回路1は、例えば、超伝導量子アニーリングマシンや超伝導量子コンピュータにおいて、磁束量子ビット同士の可変磁気結合に容易に利用することができる。この場合、超伝導量子アニーリングマシンや超伝導量子コンピュータは、可変磁気結合回路1と同様の効果を奏し、回路構成や演算操作を簡略化することができるとともに、混線の低減及び演算操作速度の向上が期待できる。また、本実施形態による可変磁気結合回路1は、従来の単一のループ回路を持つ磁束バイアス制御の可変磁気結合回路1との互換性を有しているため、量子コンピュータの一部の可変磁気結合回路を、本実施形態による可変磁気結合回路1に置き換えることも可能である。

【0048】
また、本実施形態による回路制御方法は、上述した可変磁気結合回路1の回路制御方法であって、制御部30が、ループ回路CO及びループ回路C8による被結合対象20の周波数の変化及び磁気結合強度の変化の特性に基づいて、ループ回路CO及びループ回路C8による被結合対象20の周波数の変化が一定になるように、結合強度変更部11及び結合強度変更部12を制御して、磁気結合強度を変更する。
これにより、本実施形態による回路制御方法は、被結合対象20の周波数を変化させずに、磁気結合強度を独立に変更することができる(第1の制御モード)。

【0049】
また、本実施形態による回路制御方法は、上述した可変磁気結合回路1の回路制御方法であって、制御部30が、ループ回路CO及びループ回路C8による被結合対象20の周波数の変化及び磁気結合強度の変化の特性に基づいて、ループ回路CO及びループ回路C8による磁気結合強度の変化が一定になるように、結合強度変更部11及び結合強度変更部12を制御して、被結合対象20の周波数を変更する。
これにより、本実施形態による回路制御方法は、磁気結合強度を変化させずに、被結合対象20の周波数を独立に変更することができる(第2の制御モード)。

【0050】
[第2の実施形態]
次に、図5を参照して第2の実施形態による可変磁気結合回路1aについて説明する。
図5は、本実施形態による可変磁気結合回路1aの一例を示すブロック図である。
図5に示すように、可変磁気結合回路1aは、ループ回路COaと、ループ回路C8aとを備える。本実施形態では、磁束制御(磁束バイアスによる制御)に変更した上で、第1の実施形態のループ回路C8の代わりに、ループ経路R8の形状が異なるループ回路C8aを備える変形例について説明する。本実施形態のループ回路COa及びループ回路C8aは、例えば、磁束バイアスにより磁気結合強度を制御する磁束制御磁束量子ビットである。
なお、図5において、図1と同一の構成には同一の符号を付与して、その説明を省略する。

【0051】
ループ回路COaは、ループ経路ROと、インダクタ部13と、結合強度変更部11aとを備える。結合強度変更部11aは、磁束バイアスに基づいて、ループ回路COaの周波数Δを変化させることで、被結合対象20の間の磁気結合強度を変更する。
結合強度変更部11aのジョセフソン接合111及びジョセフソン接合112は、ループ経路ROに並列に接続されている。

【0052】
ループ回路C8a(第2のループ回路の一例)は、ループ経路R8aと、インダクタ部14と、結合強度変更部12aとを備える。
ループ経路R8aは、8の字状の経路であるが、ここでの8の字状のループ経路R8aは、交差部分で経路が接続されているデジタル文字の8の字状になっている。ループ経路R8aが、交差部分で接続されている場合、ループ回路C8aは、上下のループで循環電流が逆向きに流れる磁場勾配計型の磁束量子ビットになる。なお、インダクタ部14のジョセフソン接合141及びジョセフソン接合142は、ループ経路R8aの交差部分に配置されている。
結合強度変更部12aは、磁束バイアスに基づいて、ループ回路C8aの周波数Δを変化させることで、被結合対象20の間の磁気結合強度を変更する。
また、結合強度変更部12aのジョセフソン接合121及びジョセフソン接合122は、8の字状の経路の上下のループに1つずつ配置されている。

【0053】
また、本実施形態による制御部30aは、磁束バイアスにより、結合強度変更部11a及び結合強度変更部12aを制御する点を除いて、上述した第1の実施形態の制御部30と同様である。
本実施形態による可変磁気結合回路1aのその他の構成については、第1の実施形態と同様であるため、ここではその説明を省略する。
また、本実施形態による可変磁気結合回路1aの動作、及び回路制御方法については、第1の実施形態と同様であるため、ここではその説明を省略する。

【0054】
以上説明したように、本実施形態による可変磁気結合回路1aは、ループ回路COと、ループ回路C8aとを備える。また、ループ回路C8aは、8の字状のループ経路R8aと、インダクタ部14と、結合強度変更部12とを備え、8の字状のループ経路R8は、交差部分で経路が接続されている。
これにより、本実施形態による可変磁気結合回路1aは、上述した第1の実施形態と同様の効果を奏し、簡易な構成で、結合強度と周波数とを独立して制御することができる。

【0055】
なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記の第1の実施形態において、結合強度変更部11及び結合強度変更部12は、電荷バイアスに基づいて磁気結合強度を変更する例を説明したが、これに限定されるものではなく、第2の実施形態のように、磁束制御(磁束バイアス)に基づいて、磁気結合強度を変更するようにしてもよいし、他の方式を利用したものでもよい。
また、上記の各実施形態において、インダクタ部13及びインダクタ部14は、2つのジョセフソン接合を備える例を説明したが、これに限定されるものではなく、1つ又は3つ以上のジョセフソン接合を備えるようにしてもよい。また、インダクタ部13及びインダクタ部14は、ジョセフソン接合の代わりに、同程度のインダクタンスを持つインダクタを用いるようにしてもよい。
【符号の説明】
【0056】
1,1a 可変磁気結合回路、11,11a,12,12a 結合強度変更部、13,14 インダクタ部、20,21,22 被結合対象、30,30a 制御部、31,32 電圧源、111,112,121,122,131,132,141,142 ジョセフソン接合、211,221,RO,R8,R8a ループ経路、212,222 インピーダンス部、CO,COa,C8,C8a ループ回路
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4