| Project/Area Number |
23K22431
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| Project/Area Number (Other) |
22H01160 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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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 | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
小林 嵩 国立研究開発法人理化学研究所, 量子コンピュータ研究センター, 研究員 (50803003)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
牧瀬 圭正 国立天文台, 先端技術センター, 准教授 (60363321)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2022: ¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000)
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| Keywords | 量子情報 / 超伝導増幅器 / 半導体スピン量子ビット / シリコン / フィードバック / ジョセフソン接合 / 実験 / シリコンスピン量子ビット / ジョセフソンパラメトリック増幅器 / 高速測定 |
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| Outline of Research at the Start |
測定の速さは量子技術において大きな意味を持つ。例えば、大規模な量子コンピュータの実現に必要なフィードバックによる量子誤り訂正には、量子ビット(=量子コンピュータの基本構成要素)が壊れるよりも速い測定が要求される。近年、ジョセフソンパラメトリック増幅器(JPA)と呼ばれる増幅器により測定の高速化が実現されてきたが、大規模化に適した性質を持つシリコン中のスピンを用いた量子ビットへの利用が困難である。本研究ではSiスピン量子ビットの測定に適したJPAを開発し、その性能を明らかにする。またこのJPAを用いてSiスピン量子ビットの高速測定を実現し、それに基づいた量子技術の実現を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、シリコン(Si)スピン量子ビットの測定に応用可能なJPAを実現するための準備として、研究実施計画に示した通り(1) JPAの設計と特性評価、(2) JPAの製作、(3) JPAの性能評価に取り組んだ。またこれらに加え、JPAを用いたSiスピン量子ビット測定の実現に向けた準備として(4)Siスピン量子ビット実験にも取り組んだ。以上4つの項目に関する具体的な実績を以下に示す。
(1) JPAの設計と特性評価: 昨年度の評価結果の設計へのフィードバックを進めた。デバイスの構成要素の特性の確認が必要であることが分かったので、特性評価用のループアンテナ構造および伝導測定構造を設計した。
(2) JPAの製作: 新規の成膜装置と露光装置の立ち上げを行い、最適化をすすめた。最適化のために専用のプロセスＴＥＧを設計した。そのデバイスからJPAで重要な接合の臨界電流値の再現性と歩留まりの評価を行った。
(3) JPAの性能評価:デバイスの性能評価のための実験系の構築・改良を進めた。またこれを用いて(1)で設計したデバイスの特性を低温で調べた。
(4) 超伝導デバイスを用いたSiスピン量子ビット実験: 昨年度までに作製した超伝導デバイスをSiスピン量子ビットと同じプリント基板に組み込み、量子ビットの実験を行った。Siスピン量子ビットの動作には強い外部磁場が必要であり超伝導デバイスの特性が悪化することが懸念されたが、共振器構造が鋭い共鳴線を示したことから高い性能を保持していることが確認できた。また同じデバイスで量子操作を検証し、その結果をまとめ国際会議で発表を行った。さらに、Siスピン量子ビットの量子非破壊(QND)測定とその結果を用いたフィードバック操作を実証し、測定時間が忠実度に及ぼす影響を調べることでJPAによる高速測定の重要性を確認した。この実験結果をまとめた論文を発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
(1) JPAの設計と特性評価: 昨年度のJPAデバイスの評価において設計と異なる振る舞いが現れたことから、JPAの設計を更新する下準備としてJPAを構成する各素子の特性を評価することとした。当初の計画に加えてデバイスの設計および製作の回数が増加したが、デバイスの挙動についてより深い理解が得られるようになったと期待できる。
(2) JPAの製作: TEGを測定した結果JPAで要求される100A/cm2の臨界電流値での接合作製ができた。さらにパターン縮小率も0.1-0.2umに抑えられており、順調に基礎的なデバイスパラメータが得られている。
(3) JPAの性能評価: デバイスの性能評価のための実験系の構築・改良が順調に進展しており、JPAデバイスの性能評価を短い時間で完了するための準備を整えた。また構成要素の特性評価によりJPAの設計へのフィードバックを進めた。
(4) Siスピン量子ビット実験: JPAデバイスの完成に先立ち、超伝導デバイスを用いたSiスピン量子ビットの測定を進めることにより、JPAを実験系に組み込む上での問題点を抽出した。特に、一部のSiスピン量子ビットデバイスは超伝導デバイスと相性が悪く測定感度が得られないことが見いだされ、来年度JPAを組み込んだ測定を行う上での注意点を明確にできた。またJPAによる高速測定が量子ビットの制御に重要となるような状況を明らかにした。これらの成果は今後の研究の加速につながるものである。
以上より、今後の研究の進捗を加速できる要素があり、全体としてはおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) JPAの設計と特性評価: 今年度までに得られた知見を元にJPAの設計を固める。
(2) JPAの製作: 集積度とデバイスの歩留まり再現性をさらに向上させるためにＣＭＰによる平坦化プロセスを導入する。そのための条件出しを進めている。キャパシタ用の酸化膜についても陽極酸化ではなく、膜厚制御性に優れているＡＬＤを用いたアルミナバリアの作製と最適化にも取り組む。
(3) JPAの性能評価: 今年度までに構築した測定系を用いてJPAの性能を極低温高周波測定により調べる。
(4) リフレクトメトリー電荷信号の高速測定性能の検証: JPAデバイスを利用して、Si量子ビット状態を読み取るために用いられるrfリフレクトメトリー信号の増幅を試みる。今年度得られたSi量子ビットデバイスと超伝導デバイスの相性関係を元に、使用するSi量子ビットデバイスを選定する。信号-ノイズ比の改善と測定帯域幅を調べ高速測定性能を検証する。
(5) 高速QND測定手法の確立: 製作した超伝導デバイスを利用してSiスピン量子ビットのQND測定の高速化に取り組む。超伝導デバイスを利用することによる測定時間の短縮を最大限に生かすため、Si量子ビットの測定プロトコルをパリティ測定型に変更して高速化に対応できるように改良する。
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