2020 Fiscal Year Annual Research Report
Large-scale superconducting spintronics quantum computing circuits toward the realization of quantum supremacy
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19H05615
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
山下 太郎 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (60567254)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 雅光 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (10377864)
猪股 邦宏 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, 主任研究員 (50525772)
宮嶋 茂之 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, 研究員 (50708055)
竹内 尚輝 横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 特任教員(准教授) (00746472)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | 超伝導 / 量子回路 / ジョセフソン接合 / スピントロニクス / モノリシック |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は量子回路に関して、Al接合へNbNベースπ接合を融合したハイブリッド型と、全ての接合にNbNを用いるオールNbN型を並行して開発を進めた（山下・猪股）。ハイブリッド型に関しては性能評価と設計・作製工程改良に注力し、現在までに従来報告に対し400倍の向上となる1.6 μsのエネルギー緩和時間と1.5 GHzの非調和性を達成している。オールNbN型はπ接合を含まない量子ビットの開発を並行して進め、従来比30倍以上、Al以外の材料で最高記録となる16.3 μsのエネルギー緩和時間を実証した。またNbNベース磁性接合を組み込んだループ素子を作製し、オールNbN型構造でもπシフトを示した。さらに多量子ビット回路として、6つのオールNbN型π量子ビットが1本の伝送線路に結合したNbN型として最大規模となる量子回路を作製した。評価系に関しても大規模化対応や低雑音化を進め、8量子ビット制御等を可能とした（猪股・山下）。次に半磁束量子（HFQ）回路については、数値解析によりπ接合を含むジョセフソン伝送線路を調べ、量子状態制御に要求されるレベルの低電力性と高速動作性が両立可能なことを理論的に示した（田中）。これを踏まえ、HFQ回路の半磁束量子動作を実験的に実証し、さらに要素回路であるHFQ分周回路を作製し高速のパルス列による測定から正常な1/2分周動作実証に成功した（田中）。また、新たな量子ビット制御手法として量子ゲート操作用パルス照射回路を考案した他、将来的な交流駆動回路を視野に、交流駆動回路の消費電力を正確に評価する手法を開発した（竹内）。量子回路と制御回路のモノリシック集積回路については、NbN接合による回路構造及び作製プロセスを検討・考案し、実際に回路作製を試みた（宮嶋）。その結果、制御回路及び量子回路、回路間結合部の構造を有したモノリシック回路の試作まで完了した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
まずπ量子ビットとしては、磁場バイアスフリー動作を実証し最重要な性能指標であるエネルギー緩和時間についてもマイクロ秒オーダーを達成した。またオールNbN型量子ビットに関してもπ接合は含まないものの、オールNbN型では既に10マイクロ秒超のコヒーレンス時間を達成している他、同構造素子でのπ位相シフト実証に成功している。以上の順調な進捗を受け、中規模π量子回路開発に関しても加速して研究を進め、現時点で6個のπ量子ビットを備えた量子回路の作製までを完了した。HFQ回路開発については、基礎理論を構築し低電力性と高速性の両立が可能であることを示した上で、Nbベースのπ接合によりHFQの要素回路を作製と評価を進めた。既に半磁束量子を担体とする動作原理及び要素回路の正常動作の実証に成功し、順調に研究が進んでいる。そしてモノリシック回路に関しては、当初の計画では、中間評価までに量子回路と制御回路個々の技術を確立した上で、2022年度から回路作製を予定していた。ところが、上述のようにπ量子ビット及びHFQ回路開発の順調な進捗を受け、モノリシック回路については大幅に計画を前倒しして進めた。NICTと名古屋大学で議論を重ね、接合や抵抗層、層間絶縁層の成膜やエッチング、平坦化等、工程数にして24にも上る独自のNbN回路作製プロセスを立案し試作を行った。その結果、2個のπ量子ビット回路とSFQ/HFQ回路をモノリシック化した回路作製まで達成し、大規模モノリシック量子計算回路の実現に向けた技術基盤開発を早期に進展させることに成功した。以上、π量子ビット性能向上及びHFQ回路の動作実証、そしてモノリシック回路の計画大幅前倒しによる作製完了により、当初の計画以上の進展があったため、上記の進捗状況と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
π量子ビット回路に関しては、量子ビット数を20個以上に拡張した量子回路の設計・作製を行い単体評価の準備を進める（山下・猪股）。ビット間結合方式として、交差共鳴結合方式等を検討し量子回路へ実装する。立ち上げた室温評価系及び極低温評価系を駆使し、試作の完了したπ接合を含む量子ビットの評価を行う（猪股）。順次量子ビット数を増やし、最終的に100量子ビット級π量子回路を作製する。設計や作製プロセス等へのフィードバックを繰り返すことで、良好なコヒーレンス時間を有する大規模量子回路の実現を目指す（山下・猪股）。制御用HFQ回路については、まずHFQ回路単体の開発を進め、HFQ制御回路の回路パラメータ抽出とそれに基づく詳細設計・評価までを行う（田中・宮嶋）。また新たな制御方式に関し数値シミュレーションにより、数GHzの高速動作周波数において磁束量子パルス照射回路が出力のオン／オフ並びにパルス列長を制御できることを示し、1量子ビット当たりの制御に伴う消費電力を見積もる（竹内）。その後、量子回路とモノリシック化した制御回路の設計・作製・評価を行い、希釈冷凍機でも動作可能な低消費電力性や量子状態制御の実証を目指す（田中・宮嶋・竹内）。モノリシック回路については、再現性良く安定した作製実現に取り組む（宮嶋）。試作チップの評価を通じてプロセス工程へのフィードバックや回路パラメータの抽出を行う。並行して、回路パラメータの面内及び試作回毎のばらつきを抑制するよう作製プロセスの改良を重ねる（宮嶋）。その後、中・大規模量子回路とSFQ/HFQ制御回路を設計・モノリシック集積化し（宮嶋・山下）、評価と動作実証を行う（山下・猪股）。最終的には、モノリシック回路におけるコヒーレンス時間等の特性評価やアルゴリズム実行を通じて量子超越性の実現を目指す。
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