2019 Fiscal Year Annual Research Report
Cross-resonance-based readout scheme of a superconducting flux qubit
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19H01831
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| Research Institution | National Institute of Information and Communications Technology |
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Principal Investigator |
吉原 文樹 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所フロンティア創造総合研究室, 主任研究員 (80525907)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 超伝導量子ビット / 量子ビット測定 / 交差共鳴 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、超伝導磁束量子ビットの高性能な測定法を実現することを目的とする。ここで言う高性能な測定法とは、測定時間が短く、測定エラーが小さいことである。測定時間が短いと、量子ビットの測定結果に応じた量子ビットの操作を行う量子フィードバックの精度が向上するほか、単位時間当たりの量子ビット測定回数が多くなり量子ビットをセンサとして用いたときの感度が向上する。このように、量子ビット測定法の高性能化は、量子計算・量子測定等の実現に大変重要である。
計画提案当初は交差共鳴磁束バイアス法の定性的なアイデアしか持ち合わせていなかったため、令和一年度は主にサンプル設計に必要とされる具体的なサンプルパラメータ選択の指針を与えることが可能な理論構築に取り組んだ。量子ビット－共振器結合回路のHamiltonianについて交差共鳴磁束バイアス項の遷移行列要素を計算した結果、量子ビットの状態に応じて光子数状態間の遷移行列要素の符号が異なり、交差共鳴磁束バイアス法が原理的に有効であること、及び、測定時間、測定エラー等の性能が明らかになった。これらの理論検討結果を総合することで、サンプル設計の指針を得た。
本研究を進めている中で、NTT物性科学基礎研究所の研究者が量子ビットを用いたセンサの感度向上のために高性能な量子ビット測定法を必要としていたことを知った。当方としても量子ビット測定法の向上に伴う、センサの感度向上という客観的な指標が得られることの意義は大きいと考え、共同研究を開始した。
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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
本年度は主に、サンプル設計に必要とされる具体的なサンプルパラメータ選択の指針を与えることが可能な理論構築に取り組んだ。このとき、より一般的に用いられているJaynes-Cummings Hamiltonianではなく、量子Rabi Hamiltonianを用いた。Jaynes-Cummings Hamiltonianでは逆回転項と呼ばれる励起数が保存されない項を無視している。量子ビットと共振回路の周波数が大きく異なる場合にはこの逆回転項の寄与が無視できなくなるため、サンプルパラメータ決定の際の定量的な議論が必要とされる場合には量子Rabi Hamiltonianを用いることが重要である。ドライブされた量子ビット－共振回路結合系のHamiltonianについて着衣状態を考えると、量子ビットの状態に応じて180度異なる位相で共振回路をドライブする項が現れる。これは、交差共鳴磁束バイアスを用いた磁束量子ビット測定方法の原理を過不足なく表したものであり、測定時間の見積もりが可能である。
着衣状態のHamiltonianには他に、分散結合項と共振回路の周波数での量子ビットのドライブ項も現れる。これらの項は測定エラーの原因となる。分散結合項は共振回路の光子数ゆらぎによる位相緩和の原因となる。また、共振回路の周波数での量子ビットのドライブ項は量子ビット状態の反転および交流Starkシフトの原因となる。
測定時間および測定エラーの計算結果を総合することにより、量子ビットの周波数と比べて共振回路の周波数を大きくとった方が測定エラーを抑えられること、量子ビット－共振器間の結合強度が小さくても磁束ドライブの振幅を大きくすることで測定時間を短くできることを明らかにした。これらの理論検討結果を元にサンプル設計を開始した。
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| Strategy for Future Research Activity |
理論検討結果を元にサンプル設計・作製を行う。サンプル作製はNTT物性科学基礎研究所の共同研究者に依頼して行う。交差共鳴磁束バイアスによる磁束量子ビット測定法では量子ビットの状態に依存した共振器の周波数シフトである分散シフトが小さくても良く、また磁束ドライブの振幅を大きくすることで測定時間を短く出来るので磁束量子ビット－共振器間の結合強度は従来法である分散読み出し法と比べて小さくなる。磁束量子ビット－共振器間の結合強度について、いくつかの異なる値を持つサンプルを作製し、結合強度が比較的大きいサンプルについては、分散読み出し法との比較を行う。
また、量子ビットの周波数を固定しつつ、いくつかの異なる共振器の周波数値を持つサンプルを作製する。「現在までの進捗状況」欄に記載した理論検討結果によると、共振器と磁束量子ビットの周波数が近い場合には磁束量子ビットのコヒーレンス特性が悪化すること、および共振器の周波数が高いと位相緩和が小さくなることが予想されており、実証のためのサンプルも作製する。
測定では、希釈冷凍機を使用してサンプルを極低温に冷却し、ネットワークアナライザを用いた分光測定を行う。測定結果から得られたサンプルパラメータを作製プロセスにフィードバックし、所望のサンプルパラメータを持つサンプルを作製する。次に、ネットワークアナライザおよびマイクロ波発生器からの連続波のみを用いた原理実証を行う。その後、パルス状の信号を用いた性能評価を行う。
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