2021 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) |
竹内 尚輝 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 (00746472)
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研究所神戸フロンティア研究センター, 主任研究員 (50708055)
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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 |
量子回路については、複数回の素子作製と評価を行い、昨年度設計した全窒化物磁束型量子ビットについてπ接合は含まないものの素子の動作実証に成功し、詳細解析から今後の試作に向けた知見を得た。π量子ビットについては、CuNi磁性層を持つ従来のπ接合に起因するプロセス的制約による作製の難しさが顕在化したため、新たに均一性の高いPdNi磁性層を持つNbN接合を開発して解決しπ接合実証まで成功した。量子超越性実証に向けてSimultaneous Quantum Messages Protocol (SQMP)の採用を決め、SQMP実装した最大20量子ビットの量子回路及びモノリシック回路の設計を完了した。制御回路については、既に要素回路実証したNb接合回路から、低電力化・モノリシック集積化により適したNbN接合回路に軸足を移し、HFQ及びその基礎となるSFQ回路を設計・試作した。量子ビットとのモノリシック化を念頭に、臨界電流密度を40-50 A/cm2と設定し、臨界電流値を従来の1/5から1/50に低減した超低電力制御回路の動作解析を進め、6 GHz程度まではパルス間相互作用が小さいことを解明した。情報通信研究機構においてNbN接合制御回路を作製した結果、やや不安定だが液体ヘリウム下での動作実証に成功した。またNbN接合のHFQ回路によるフリップフロップ回路を作製し分岐回路動作を確認した。更なる低電力性を見据えた磁束量子パラメトロンNbN回路の解析を行い、高周波数及び低駆動電流で動作することを示した。集積回路作製プロセス技術については、複数回の試作において層間ショートが多発し問題となったが、層間絶縁層をプラズマCVDで成膜する等の工夫により飛躍的に改善した。また回路設計に重要なパラメータであるインダクタンスを評価した結果、高精度に制御されていることを確認し大規模集積化の技術基盤を固めた。
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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
量子回路の大規模化に向け、π接合を含む十字型容量でシャントされた磁束型量子ビットと、磁束型では初となる十字型容量を介した結合回路を採用することで、優れた拡張性と集積性を担保した。電磁界シミュレータ等による設計技術を立ち上げ、交差共鳴結合した2量子ビットゲート等に必要なパラメータを同定した。以上を元に、結合した4量子ビットを1ユニットとするSQMP量子回路を考案・設計した。ユニットを2次元的に配置することで拡張可能な上、制御回路とのモノリシック化も容易な回路構造である。既に最大5ユニット（20量子ビット）回路まで設計完了し作製を進めている。制御回路に関しては、NbN回路用設計環境を構築し制御回路の設計・評価を進めた。NbN接合集積プロセスで伝送線路、パルスの分岐・合流、データ保持の機能を持つ制御回路要素の詳細設計を行った。回路パラメータの検討の結果、低電力動作と十分な動作マージンが得られることを数値解析で示した。これらを組み合わせることで複雑な論理ゲートを構成できる。回路を作製・評価した結果、液体ヘリウム温度において室温との信号変換や信号伝搬をやや不安定だが実証した。HFQによるフリップフロップ回路も、分周動作は確認できなかったものの分岐回路として動作した。不安定性や分岐回路動作の原因はいずれも臨界電流密度等のずれと考えられ、今後試作毎のばらつき等を抑制する必要はあるものの重要な進展が得られた。そしてNbN接合集積回路プロセス技術についても、今年度途中までは層間ショート等が頻発し回路評価の進みがやや遅かったものの度重なる試作と試行錯誤の結果、層間絶縁技術の改善やPdNi磁性層π接合技術の確立に成功し、欠陥が少ない試料を供給可能な体制を確立した。現在抽出した回路パラメータを基にπ量子ビットと制御回路のモノリシック集積回路の作製を進めている。以上より、本研究は順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
量子回路について、π接合を含む容量シャント型全窒化物磁束量子ビットの2量子ビットゲートを実証する。並行して大規模化に向け、集積密度を更に上げることが可能なレイアウトを検討し、集積が容易となるタイラブルなユニットセル構造を考案する。また量子ビット性能の向上を目指し、絶縁層を含んだ低散逸なπ接合等の開発や量子ビットへの導入を行う。まずは設計まで完了済みの最大20量子ビットを備えた量子回路の作製・評価を進めるとともに、その先の大規模量子回路とSQMP量子アルゴリズム実行のための実験系等の詳細検討・整備も早急に進める。NbN接合による低電力SFQ/HFQ制御回路については試作・評価を繰り返し、スイッチ等の機能を有する回路開発も進め、量子ビットとモノリシック化した制御回路の動作確認を目指す。量子ビット制御に必要な6 GHz程度の高速動作を確保するとともに、HFQ回路の導入等により低電力性が十分な水準に達しているかを評価し設計へフィードバックする。またHFQ技術による更なる低電力集積回路の実現に向け、新たに磁束量子パラメトロン回路にHFQを導入した回路の検討を新たに行う。理論検討や数値解析により同回路の消費エネルギーを見積もり、新回路が低電力性と高速動作を両立できる回路技術であることを示すとともに回路素子の評価を検討する。NbN接合ベースの集積回路プロセス技術については、得られた技術知見をもとに、より安定した回路作製と供給ができるよう、継続して回路パラメータ評価を系統的に行いプロセスの最適化を加速する。まずは設計まで完了しているπ接合を含んだ量子ビットと制御回路のモノリシック集積回路の作製を進め、問題点の抽出及びプロセス改善を行う。最終的には上記の各技術要素を融合し、量子超越性を示す量子アルゴリズムとして採用したSQMPを実装した回路を開発し、量子アルゴリズム実行と超越性実証を目指す。
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[Presentation] Study on pulse-driven, low energy consumption memory based on 0-π SQUIDs2021
Author(s)
Yuto Takeshita, Hinata Fujisawa, Kento Kato, Masayuki Higashi, Feng Li, Masamitsu Tanaka, Taro Yamashita, Akira Fujimaki
Organizer
The Joint Workshop of 14th Superconducting SFQ VLSI Workshop (SSV 2021) and 3rd Workshop on Quantum and Classical Cryogenic Devices, Circuits, and Systems (QCCC 2021)
Int'l Joint Research
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