トランスモン

量子コンピューティング、特に超伝導量子コンピューティングにおいて、トランスモンは電荷ノイズに対する感度を低減するように設計された超伝導 電荷量子ビットの一種です。トランスモンは、 2007年にイェール大学のロバート・J・ショールコフ、ミシェル・デヴォレ、スティーブン・M・ガービン、および彼らの同僚によって開発されました。 ^{[1] [2]その名前は、}伝送線路シャントプラズマ振動量子ビットという用語の略語です。これは、クーパー対ボックスで構成され、「2つの超伝導体が[容量的に]シャントされ、電荷ノイズに対する感度を低減しながら、選択的な量子ビット制御に十分な非調和性を維持します」。^[3]

トランスモンは、ジョセフソンエネルギーと充電エネルギーの比率を大幅に高めることで、電荷ノイズに対する感度を低減しています。これは、大型のシャントコンデンサを使用することで実現されています。その結果、オフセット電荷とほぼ無関係なエネルギーレベル間隔が得られます。平面オンチップトランスモン量子ビットのT ₁コヒーレンス時間は約 30 μs ～ 40 μs です。^[5]最近の研究では、超伝導伝送線路キャビティを 3 次元超伝導キャビティに置き換えることで、T ₁が 95 μs まで大幅に改善されました。 ^{[6] [7]}また、トランスモンデバイスでニオブをタンタルに置き換えることで、 T _{1 が}最大 0.3 ms までさらに改善されました。^[8]これらの結果は、以前のT _1時間がジョセフソン接合損失によって制限されていなかったことを示しています。トランスモンなどの超伝導量子ビットのコヒーレンス時間の基本的な制限を理解することは、活発な研究分野です。

トランスモンの設計は、「クーパー対ボックス」として知られる電荷量子ビットの最初の設計^[9]に似ています。どちらも同じハミルトニアンで記述されますが、唯一の違いは比率です。ここで は接合のジョセフソンエネルギーであり、 は量子ビット回路の全容量に反比例する充電エネルギーです。トランスモンは通常（典型的なクーパー対ボックス量子ビットの場合は）を持ち、これはジョセフソン接合を追加の大きなコンデンサでシャントすることで実現されます。 ${\displaystyle E_{\rm {J}}/E_{\rm {C}}}$${\displaystyle E_{\rm {J}}}$${\displaystyle E_{\rm {C}}}$${\displaystyle E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }\gg 1}$${\displaystyle E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }\lesssim 1}$

比率を大きくすることの利点は、電荷ノイズの影響を受けないことです。つまり、エネルギー レベルは、接合を横切るオフセット電荷とは独立になります。そのため、量子ビットの位相ずれ時間が長くなります。欠点は、非調和性 が減少することです。ここで、 は、固有状態と間のエネルギー差です。非調和性が減少すると、2 レベル システムとしてのデバイスの動作が複雑になります。たとえば、共鳴パルスによってデバイスを基底状態から最初の励起状態に励起すると、より高い励起状態も生成されます。この複雑さは、より高いエネルギー レベルを考慮し、破壊的な干渉による励起を禁止する複雑なマイクロ波パルス設計によって克服されます。また、に対するの変化はとともに指数関数的に減少する傾向がありますが、非調和性はとしてに対してより弱い代数的依存性しか持ちません。状態を高い忠実度で制御するためには、コヒーレンス時間の大幅な増加が非調和性の減少を上回ります。 ${\displaystyle E_{\rm {J}}/E_{\rm {C}}}$${\displaystyle n_{g}}$${\displaystyle \alpha =(E_{21}-E_{10})/E_{10}}$${\displaystyle E_{ij}}$${\displaystyle |i\rangle }$${\displaystyle |j\rangle }$${\displaystyle E_{10}}$${\displaystyle n_{g}}$${\displaystyle E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }}$${\displaystyle E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} }}$${\displaystyle \sim (E_{\mathrm {J} }/E_{\mathrm {C} })^{-1/2}}$

トランスモンの測定、制御、結合は、他の超伝導量子ビットにも適用可能な回路量子電気力学の技術を用いたマイクロ波共振器によって行われます。共振器への結合は、共振器の電磁場が最大になるポイントで、量子ビットと共振器の間にコンデンサを配置することによって行われます。たとえば、IBM Quantum Experienceデバイスでは、共振器は、導波管端の信号グランド短絡で最大場を持つ「1/4 波長」共平面導波管で実装されています。したがって、すべての IBM トランスモン量子ビットには長い共振器「テール」があります。最初の提案には、すべてのトランスモンに結合された同様の伝送線路共振器が含まれていて、名前の一部になりました。ただし、同様のモードで動作し、さまざまな種類のマイクロ波空洞に結合された電荷量子ビットも、トランスモンと呼ばれます。 ${\displaystyle E_{\rm {J}}/E_{\rm {C}}}$

トランスモンは、量子ビットサブスペースの上に自然に発生する追加のエネルギーレベル（最も低い2つの状態）を介して、d次元の量子ビットとして使用することが検討されてきました。たとえば、最も低い3つのレベルを使用して、トランスモンの量子ビットを作成できます。2020年代初頭、研究者は、トランスモン上の単一量子ビットの量子ゲート^{[10] [11]}と2量子ビットのエンタングルゲート^[12]の実現を報告しました。トランスモン上のエンタングルゲートは、任意のdの量子ビットの一般的なケースについても理論的に、またシミュレーションで検討されてきました。^[13]

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