| Project/Area Number |
22K13992
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
浦出 芳郎 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究員 (60804234)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
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| Keywords | ジョセフソンパラメトリック増幅器 / 超伝導量子ビット / 量子コンピュータ |
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| Outline of Research at the Start |
量子誤り訂正機能を実装した超伝導量子コンピュータを実現するためには、量子ビットの読み出し技術が重要となる。その鍵を握るのが、ジョセフソンパラメトリック増幅器（JPA）とよばれる、極低温環境下で動作する超低雑音の超伝導増幅器である。量子ビットを集積化していく上で、量子ビットだけでなくJPAの集積化も重要な課題となる。本研究では、そうした集積化に適したJPAとして、素子数を抑えつつ、十分な増幅特性を有するJPAの実現を目指す。具体的には、結合共振器列を用いて進行波型増幅器を模した増幅器を提案し、その特性を理論的に解析する。また、実際にデバイスを作製し、その動作を実証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
超伝導量子ビットに基づく量子コンピュータの研究開発が近年活発に行われている。今後、量子誤り訂正機能を実装した量子コンピュータを実現するためには、量子ビットの読み出し技術が重要となる。その鍵を握るのが、ジョセフソンパラメトリック増幅器（JPA）とよばれる、極低温環境で動作する低雑音の超伝導増幅器である。JPAは量子限界の低雑音で微弱な信号を増幅することができる。将来的に量子ビットを集積していく上で、量子ビットだけでなくJPAの集積化も重要な課題となる。本研究では、そうした集積化に適したJPAとして、回路素子数を抑えつつ、量子ビットの周波数多重化読み出しに十分な増幅特性を有するJPAの実現を目指す。具体的には、ジョセフソン接合を含む非線形結合共振器列にパラメトリックポンプを印可した「擬進行波型JPA」を提案し、その特性を理論的に解析するとともに、実際にデバイスを作製し、その動作を極低温環境下で実験的に実証する。2022年度は目標に向けて、以下の作業を行った：
（１）増幅器作製プロセスの検討と従来型デバイス設計
デバイスの作製は産業技術総合研究所のQufabで行う。本年度はQufabの装置を使った増幅器作製プロセスの具体的検討を行い、そのプロセスに適合したデバイスの設計を行った。これは比較的特性のよく分かった従来型のJPAであり、ジョセフソン接合やキャパシタといった回路素子の作製技術を確認することが目的である。
（２）電磁界シミュレーション環境の整備
マイクロ波デバイスを設計する上では、回路設計だけでなく、数値電磁界シミュレーションによって実際のデバイス構造を検証する必要がある。そのために有限要素法に基づく数値電磁界シミュレータであるCOMSOL Multiphysicsの導入を行った。これによりデバイスの設計環境が整った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2022年度は[研究実績の概要]欄にも記載したように「（１）増幅器作製プロセスの検討と従来型デバイス設計」と「（２）電磁界シミュレーション環境の整備」を行った。（２）については計画通りに進んだが、（１）については従来型デバイスの設計に留まったため、「やや遅れている」という自己評価とした。
デバイスの作製は産業技術総合研究所のQufabで行うことを予定しているが、Qufabは2022年8月に公開されたところであるため、多くの新規装置があり、その条件出しが十分に完了していなかった。また、デバイス作製プロセスは多数の工程を含み複雑である。こうした点から、素性の分からない新型増幅器の作製をいきなり行うのではなく、まずは特性のよく知れた従来型デバイスを設計し、試験的に作製することとした。デバイスのチップ・レイアウト作成までを完了した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は以下のように研究を遂行する：
（１）Qufabでのデバイス作製プロセスの確立
2022年度に設計した従来型JPAの作製と極低温での評価を行い、作製プロセスや設計にフィードバックを行う。試料の作製は産業技術総合研究所のQufabを利用して行う。これによりJPAの設計に必要となるジョセフソン接合やキャパシタンスといった基本素子の作製プロセスを確立し、新デバイス作製に繋げる。
（２）新型JPAの設計・作製・評価
本研究の主目的である「擬進行波型JPA」の理論解析および設計を行う。回路設計からチップ・レイアウト設計までの完了を目標とする。また、擬進行波型JPA以外にも、集中定数素子のみで実装した広帯域JPAなど研究目標に関連した新型デバイスの設計・作製を行う。また、作製した試料は希釈冷凍機システムの極低温環境でマイクロ波特性を評価する。
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