超電導量子ビット

超電導量子ビットの動作原理について、わかりやすい資料を見つけました。その概要です。

QC — How to build a Quantum Computer with Superconducting Circuit?

量子ビット

量子コンピュータにもちいられる量子ビットには、光、イオントラップ、冷却原子、量子ドット、超電導量子ビットなど、様々なものがあります。ここでは、超電導量子ビットの動作をみてみたいと思います。超電導量子ビットは、イオン、冷却原子などと違って、物理的な量子をつかうのではなく、人工的な量子ビットです。

超電導量子ビット

これが、超低温量子ビットです。量子ビットに、いろんな周波数や長さのマイクロ波を印加することによって、量子ビットを操作したり、計測したりします。量子状態は、熱やその他の擾乱で、簡単に変化してしまいますので、量子ビットは、15mK という超低温に保たれます。また、超電導回路をもちいるためにも、超低温が必要です。

超電導

金属が、超電導を起こす超低温状態にあるとき、２つの電子がクーパー電子対となり金属中を抵抗０で移動します。

超電導量子ビット

超電導量子ビットは、実は、LC回路なのです。

LC回路のエレルギーレベルは、量子調和振動としてモデル化できます。

ただし、この回路ではエネルギーレベルが均等になっていて、量子ビットを、$|0\rangle$ から、$|1\rangle$に持ち上げようとしたとき、偶発的にさらに上のレベルに持ち上がってしまうことがあります。これを防ぐために、ジョセフソン接合が用いられます。

薄い絶縁層を超電導電極ではさんだジョセフソン接合は、非線形のインダクタとして働きます。これによって、量子状態が、きちんと制御できることになります。

おのおののエネルギーレベルは、下の図のsuperconductiong islandに存在するクーパー電子対の数に対応します。

IBMのQubit

IBMのQbitの例です。ニオブをもちいたキャパシタとジョセフソン接合がLC回路を構成しています。正確にチューニングすると、この回路は、２つのエネルギーレベルを持つ量子ビットとして動作します。量子ビットを、$|0\rangle$ から、$|1\rangle$に持ち上げるときには、周波数 $\omega_{\mathrm{LC}}=\frac{1}{\sqrt{L C}}$ のマイクロ波を印加する必要があり、周波数をこの値になるようチューニングする必要があります。