2020 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 / 回路Hamiltonian |
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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。
測定対象として、研究協力者であるNTT物性科学基礎研究所の研究者が研究対象として用いていた、通常の磁束量子ビットよりもコヒーレンス特性に優れたコンデンサ短絡型磁束量子ビットを用いることにした。その際、計画提案当初とは少し異なる回路設計が必要となったが、変更が問題ないことを確認した。
交差共鳴磁束バイアスによるコンデンサ短絡型磁束量子ビット測定用のサンプル設計および作製を行った。また、作製したサンプルに関し室温でのJosephson接合の特性評価の結果設計通りに作製できていることを確認し、希釈冷凍機を用いた極低温測定に向けた準備を整えることが出来た。
量子ビット測定法をより深く理解するためには、量子ビット－共振器結合回路についての詳細な解析が必要になる。そのため、サンプルの設計・作製と並行して量子ビット－共振器結合回路の量子化を行い、厳密な回路Hamiltonianの導出を行った。
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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
測定対象として、通常の磁束量子ビットよりもコヒーレンス特性に優れたコンデンサ短絡型磁束量子ビットを用いることにした。通常の磁束量子ビットは、超伝導ループに3つ以上のJosephson接合を含み、そのうち一つが他の接合より少し面積が小さい。コンデンサ短絡型磁束量子ビットは、その小さい面積のJosephson接合をコンデンサで短絡することで電荷ゆらぎに対する影響を小さく抑えることが出来るため、優れたコヒーレンス特性が得られている。
計画提案当初は磁束量子ビット－磁束ドライブライン間および磁束量子ビット－共振回路間の結合はいずれも磁気的結合を想定していたが、コンデンサ短絡型磁束量子ビットの場合には、磁束量子ビット－磁束ドライブライン間は磁気的結合で磁束量子ビット－共振回路間は電気的結合を持つサンプルが構造上自然である。このような、異なる結合を持つサンプルで交差共鳴バイアス法による量子ビットの測定が可能であるかどうか理論検討を行った。摂動論を用いて量子ビットが基底状態および励起状態の時に、共振回路の振動位相がどのように変化するか調べた結果、磁束バイアスおよび電荷バイアスどちらの場合にも共振回路の振動位相が量子ビットの状態に応じて変化することが分かり、提案手法が有効であることが明らかになった。サンプルの作製はNTT物性科学基礎研究所の研究協力者に依頼して行った。
また、量子ビット測定法をより深く理解するために行った、量子ビット－共振器結合回路の量子化による厳密な回路Hamiltonianの導出結果について論文執筆を行い、現在2ラウンド目の審査コメント待ちである。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、作製したサンプルについて、交差共鳴磁束バイアスによるコンデンサ短絡型磁束量子ビットの原理実証実験を進める。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用いる。結合強度が比較的大きいサンプルについては、従来法である分散読み出し法を用いた量子ビット測定も行えるため、本提案手法との比較を行う。また、共振器の共鳴周波数を固定しつつ、量子ビットの周波数についても、いくつかの異なる値を持つサンプルを作製する。摂動論を用いた理論検討によると、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、実験による実証を試みる。さらに、交差共鳴磁束バイアスの振幅が大きいほど測定時間が短くなることも理論的に予測されているが、一方で、振幅が大きいと測定エラーが増加することも考えられる。このような交差共鳴磁束バイアスの振幅に関するトレードオフについて実験的な検証を行う。以上のように、異なるパラメータを持つサンプルにおいて様々な条件下で測定時間、測定エラーを評価し、理論検討結果と比較するとともに、交差共鳴磁束バイアス法の最適化を目指す。
量子ビット－共振器結合回路の量子化による厳密な回路Hamiltonianの導出結果に関する論文について出版を目指す。また、摂動論を用いた解析との対応関係について整理し、交差共鳴磁束バイアス法のより深い理解を目指す。
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