| 研究課題/領域番号 |
19H01831
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分13020:半導体、光物性および原子物理関連
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| 研究機関 | 東京理科大学 (2022-2023)
国立研究開発法人情報通信研究機構 (2019-2021) |
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研究代表者 |
吉原 文樹 東京理科大学, 理学部第一部物理学科, 教授 (80525907)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2020年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2019年度: 13,390千円 (直接経費: 10,300千円、間接経費: 3,090千円)
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| キーワード | 超伝導量子ビット / 量子ビット測定 / 交差共鳴 / 超電導量子ビット / 読み出し / 回路Hamiltonian / 量子情報 / 超伝導回路 / マイクロ波工学 / 量子測定 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
量子コンピュータの最小構成要素である量子ビットを取り扱う上で、量子ビットの測定は大変重要である。特に、量子コンピュータのエラー訂正には速く正確な量子ビット測定が不可欠である。そこで、本研究では、超伝導量子ビットの一種である磁束量子ビットを測定するために、交差共鳴磁束バイアスを用いた測定法(交差共鳴法)の開発に取り組む。交差共鳴法は、従来法である分散シフト法より信号の分離が速く、高速かつ低誤り率な量子ビット測定が期待できる。交差共鳴法による磁束量子ビットの測定回路を設計・作製し、測定時間、誤り率等の性能を分析することで、高性能な量子ビット測定法を実現する。
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| 研究実績の概要 |
測定対象の超伝導量子ビットとして、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。2022年度はコンデンサ短絡型磁束量子ビットの設計・作製を行った。設計に際して、コンデンサ短絡型磁束量子ビットのHamiltonianを電荷基底で記述し、数値対角化を行うことでエネルギー固有状態およびエネルギー固有値を計算するコードを作成した。本コードを用い、長いコヒーレンス時間と大きな非調和性を併せ持つための複数の回路パラメータセットを得た。続いて、得られた回路パラメータセットを実現する回路を描き、サンプル作製を行った。
作製したサンプルをサンプルパッケージに搭載し、希釈冷凍機を用いて数10 mKに冷却した。周波数領域測定により量子ビットにおける遷移周波数の磁束バイアス依存性が得られたが、量子ビットの周波数が設計値よりもかなり大きな値となってしまい時間領域測定を行うことが出来なかった。量子ビットの周波数が大きな値になった原因を調べるためにSEM観測を行った結果Josephson接合の面積が設計値よりも小さくなっていたことが分かった。設計通りの面積の接合を作製するために、レジストの膜厚を精度よく制御するとともに、レジストの膜厚のばらつきがJosephson接合の面積に与える影響を最小化するよう作製プロセスの改善に取り組んだ。量子ビット作製と並行して、既存技術である分散読み出し法を行うための実験装置、冷凍機内部・外部の配線等整備を完了させた。これら分散読み出し法用の実験装置・配線は大部分そのまま交差共鳴法にも用いることが出来る。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
2022年度から東京理科大学に移った。サンプル作製は1からのスタートとなったが、これまで培ったノウハウを生かし、測定可能なコンデンサ短絡型磁束量子ビット－共振回路のサンプルを作製することが出来た。一方で、分散読み出し法用の実験装置、冷凍機内部・外部の配線等は東京理科大学で既に開発済みのものにいくつかの変更を加えることで完了させることができた。このように、転職により研究環境が大きく変わったにも関わらず大きなロスなく研究を継続・発展させることが出来ている。
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| 今後の研究の推進方策 |
測定対象の超伝導量子ビットとして、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。様々な遷移周波数・非調和度（基底状態－第一励起状態間の遷移エネルギーと第一励起状態－第二励起状態間の遷移エネルギーの差）を持ったコンデンサ短絡型磁束量子ビットを設計・作製し、分散読み出し法および交差共鳴法を用いた量子ビット読み出しを行う。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が予想されており、実験による実証を試みる。また、非調和度が大きいほど短時間での量子ビット読み出しが行えることも理論検討により確認済みであり、実験による実証を試みる。読み出しを行う際、量子ビットを基底状態および第一励起状態に準備し、読み出し用のマイクロ波パルスの時間幅を変化させながら信号の振幅と位相を測定する。その測定結果から、それぞれの読み出し手法における測定時間（マイクロ波パルスの時間幅）と読み出し精度との関係を明らかにする。
また、量子ビットを基底状態と第一励起状態との重ね合わせ状態に準備し、交差共鳴読み出し用のマイクロ波パルスを量子ビットに照射した際の共振器の状態測定を行う。それにより、交差共鳴読み出し法の原理をより深く理解するとともに、新たな共振器の状態操作法開発についての知見を得る。
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