Braiding Operation using SFQ Current Pulses for Topological Quantum Computer
| Project/Area Number |
21K18708
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
明連 広昭 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (20219827)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
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| Keywords | トポロジカル量子ビット / 組紐操作 / 単一磁束量子論理回路 / 量子操作 / 単一磁束量子電流パルス / トポロジカル量子コンピュータ |
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| Outline of Research at the Start |
トポロジカル絶縁体ジョセフソン接合(3D TI JJ)の理論モデルを追加した回路シミュレーションソフトを用いて、3D TI JJ三角格子アレイ中の分数量子磁束の組紐操作をSFQ電流パルスで駆動する回路を設計する。また、より汎用性の高い構成として3D TI JJ正方格子アレイ中の量子磁束の組紐操作を大規模メモリアレイへのSFQ書き込み回路を参考に設計する。
設計された組紐操作回路は、通常のJJアレイ中の量子磁束の移動操作としてデモンストレーションする。
また、研究期間中に実用的な3D TI JJアレイが完成した場合には、設計・試作したSFQ組紐操作回路を実装して、トポロジカル量子ビット操作を試みる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では単一磁束量子(SFQ)論理回路により生成するSFQパルスをトリガとして正負の電流パルスを発生するバイポーラ電流源(BCS)により組紐操作を実現し、トポロジカル量子ビット(TQB)と古典コンピュータであるSFQ論理回路が共存するトポロジカル量子コンピュータ(TQC)の実現への初歩的な研究を行った。3年間の研究によりSFQ論理回路により制御されたBCSによる組紐操作が十分な動作マージンで動作し、SFQ論理回路によるプロセッサにより制御可能であることが示された。
最終(2023)年度にはトポロジカルジョセフソン素子(TJJ)モデルを実装したシミュレータによるシミュレーションにより、2π周期の磁束量子が安定に存在できる領域がヤコビアン行列を用いた動的安定性の検査で得られる結果と一致することを確認した。これによりTJJモデルを含む超伝導回路をシミュレーションできることが確認された。一方、SFQパルス駆動可能なBCSに関して、超伝導回路パラメータ最適化ツールにより得られた回路パラメータを元にインダクタンス抽出プログラムを用いて得られたインダクタンスの値を行いてCADレイアウトを設計した。また、4.2 Kで動作可能なSFQ論理回路を用いて、mK温度環境下のTQBの量子操作する組紐動作を、任意のTQBおよびそれらの組合わせに対して実行可能なプロセッサを設計した。合わせて消費電力の見積もりを行い、小規模なTQBに対しては実装可能であることを確認した。一方で実効的なTQBが千個に及ぶTQCの場合には、BCSとして断熱量子パラメトロン(AQFP)に基づくBCSの利用が必要であることが示唆された。さらに、TJJアレイの初期化に関しては、TJJの両端のBCSを電流の注入と引き抜きに用いる方法で2π周期の磁束の生成・移動が可能であり、初期化のシーケンスを構築の可能性があることが示唆された。
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Report
(3 results)
Research Products
(15 results)
