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2023 年度 実績報告書

超伝導回路上の導波路量子電磁力学とその応用

研究課題

研究課題/領域番号 22H04937
研究機関東京大学

研究代表者

中村 泰信  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90524083)

研究期間 (年度) 2022-04-27 – 2027-03-31
キーワード導波路量子電磁力学 / マイクロ波量子光学 / 超伝導量子回路 / パラメトリック増幅器 / 超伝導量子ビット
研究実績の概要

①伝搬モード上のマイクロ波光子を用いた量子ビット間状態転送―伝送線路上を伝搬するマイクロ波光子を介して量子ビット間で量子情報を転送するための要素技術として、量子ビットからのマイクロ波光子波束放出と、その時間反転過程となる光子波束吸収の過程を個別に評価した。共振器の帯域幅である40 MHz程度の周波数可変性と95%程度の放出・吸収効率を実験で確認した。
②超伝導量子ビット読み出し回路新規提案と動作実証―、量子ビットのエネルギー緩和を強く抑制し、同時に高速の読み出しを可能にするようなノッチ型の周波数特性を持つ回路を提案・実装し、世界トップクラスの高い忠実度を得た。さらに読み出しを行わないアイドル時に、量子ビットが共振器中の雑音光子数揺らぎから受ける位相緩和も抑制するために、通常の線型なフィルタ共振器を非線形な共振器で置き換える方式を提案・実証した。[Y. Sunada et al., PRX Quantum 5, 010307 (2024). ]。
③導波路上のマイクロ波伝搬モードにおけるシュレディンガーの猫状態の生成―研究代表者らが以前に理論提案した独自方式[H. Goto et al., Phys Rev A 99, 023838 (2019)]による導波路モード上に猫状態生成実験を行い、伝搬モードの量子トモグラフィにより生成された猫状態を定量的に評価した。
④伝搬モード型ジョセフソンパラメトリック増幅器(JTWPA)―直列に配置された2400個のジョセフソン接合からなるマイクロ波非線形導波路を用いた四光波混合型のJTWPAを設計・試作した。従来の方式に比べ、Alの平面型回路を用いて低損失化を図るとともに、特性インピーダンスの空間変調による位相整合と外部伝送線路とのインピーダンス整合を実現し、世界最高レベルの広帯域・高利得・低雑音の特性を得た。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

マイクロ波量子光学の物理と技術は多様な方面の研究開発とつながっており、基礎的な学理においても、また応用においても、次々と新しいアイデアが生まれ成果が出始めている。上記「研究実績の概要」に記載できなかった例として他に、他に、3つの伝搬モードと共振器を介して結合するジョセフソン接合リング回路を用いた、マイクロ波駆動を必要としない受動的な非相反回路としてのマイクロ波サーキュレータ回路の実証[Y. Takeda et al., in preparation]や、ドイツのWalthe-Meissner Instituteのチームと共同で取り組んできた、複数の磁束駆動型ジョセフソンパラメトリック増幅器により生成される伝搬モード上の真空スクイーズド状態を利用したマイクロ波量子光学実験[F. Kronowetter et al., Phys. Rev. Applied 20, 024049 (2023)]、韓国CAPP/IBSと共同で取り組んでいるジョセフソンパラメトリック増幅器を用いたアクシオン探索実験、中国北京計算科学研究センターと共同で行った、超伝導量子ビットと非常に強く結合したマイクロ波共振回路との間に生じる基底状態における量子もつれがもたらす、別のプローブ用量子ビットの対称性の破れの観測[S.-P. Wang et al., Nature Commun. 14, 4397 (2023).]なども挙げられる。プロジェクト開始後2年弱が経過し、多くのノウハウも蓄積されてきたため、今後も想定以上の成果が見込まれる。

今後の研究の推進方策

今後も引き続き、超伝導回路上のマイクロ波量子光学、特に導波路量子電磁力学の分野で、マイクロ波伝搬モード上の量子状態に対する新たな制御・観測手法を開発することを目指した研究を行う。
① 伝送線路上に多数の量子ノードが接続された全結合型1次元量子ネットワーク―超伝導量子ビットからマイクロ波共振器を介して、導波路上の周波数および波形が制御された伝搬モードへ単一光子あるいはその真空状態との重ね合わせを放出・吸収し、量子状態を伝送するための基本素子を実証してきたので、それらを組み合わせた量子状態転送実験に取り組む。
② 時分割モード間の量子もつれ状態生成と測定型量子計算へ向けた量子フィードフォワード制御―量子フィードフォワードの実現のためには高速かつ短いレイテンシでフィードフォワード制御を行う必要がある。時分割モード間の量子もつれ状態生成とその評価を行うとともに、高速フィードフォワード制御技術の開発を進める。
③ ジョセフソン接合の非線形性を利用した伝搬モード型パラメトリック増幅器の開発と応用―これまでに獲得した独自の設計指針に基づく、低損失・低雑音のJTWPAの一層の性能向上を進める。同時に、非相反利得のより一層の抑制や、三光波混合型JTWPAへの展開、超伝導細線のカイネティックインダクタンスの非線形性を利用した反射型あるいは伝搬モード型パラメトリック増幅器(KTWPA)の開発などの新しい取り組みも行う。
④ マイクロ波単一光子検出器の量子センシングへの応用―超伝導量子ビットやジョセフソン接合の強い非線形性を利用した三光波混合あるいは四光波混合を用いた微小マイクロ波信号に対する標準量子限界以下の低雑音位相敏感型増幅技術や単一光子検出技術を駆使して、量子センシング技術の高感度化への貢献を目指す。強磁性体中のマグノンの単一量子計測や、アクシオン探索実験への応用などに引き続き取り組む。

  • 研究成果

    (48件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (5件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 3件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (38件) (うち国際学会 27件、 招待講演 9件) 産業財産権 (1件)

  • [国際共同研究] CAPP/IBS(韓国)

    • 国名
      韓国
    • 外国機関名
      CAPP/IBS
  • [国際共同研究] WMI(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      WMI
  • [国際共同研究] EPFL(スイス)

    • 国名
      スイス
    • 外国機関名
      EPFL
  • [国際共同研究] BCSRC/Zhejiang University(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      BCSRC/Zhejiang University
  • [国際共同研究] Universita di Catania/Universita di Messina(イタリア)

    • 国名
      イタリア
    • 外国機関名
      Universita di Catania/Universita di Messina
  • [雑誌論文] Photon-Noise-Tolerant Dispersive Readout of a Superconducting Qubit Using a Nonlinear Purcell Filter2024

    • 著者名/発表者名
      Sunada Yoshiki、Yuki Kenshi、Wang Zhiling、Miyamura Takeaki、Ilves Jesper、Matsuura Kohei、Spring Peter A.、Tamate Shuhei、Kono Shingo、Nakamura Yasunobu
    • 雑誌名

      PRX Quantum

      巻: 5 ページ: 010307

    • DOI

      10.1103/PRXQuantum.5.010307

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] High-cooperativity cavity magnon-polariton using a high-<i>Q</i>dielectric resonator2023

    • 著者名/発表者名
      Kato Keisuke、Sasaki Ryo、Matsuura Kohei、Usami Koji、Nakamura Yasunobu
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 134 ページ: 083901

    • DOI

      10.1063/5.0164545

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Probing the symmetry breaking of a light?matter system by an ancillary qubit2023

    • 著者名/発表者名
      Wang Shuai-Peng、Ridolfo Alessandro、Li Tiefu、Savasta Salvatore、Nori Franco、Nakamura Y.、You J. Q.
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 14 ページ: 4397

    • DOI

      10.1038/s41467-023-40097-0

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Quantum Microwave Parametric Interferometer2023

    • 著者名/発表者名
      Kronowetter F.、Fesquet F.、Renger M.、Honasoge K.、Nojiri Y.、Inomata K.、Nakamura Y.、Marx A.、Gross R.、Fedorov K.G.
    • 雑誌名

      Physical Review Applied

      巻: 20 ページ: 024049

    • DOI

      10.1103/PhysRevApplied.20.024049

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Josephson traveling-wave parametric amplifiers based on aluminum coplanar lumped-element waveguides2024

    • 著者名/発表者名
      C. W. S. Chang, A. F. van Loo, H. Kutsuma, Y. Zhou, S. Tamate, and Y. Nakamura
    • 学会等名
      APS March Meeting 2024
    • 国際学会
  • [学会発表] Frequency-tunable generation of a shaped microwave photon using a fixed-frequency transmon2024

    • 著者名/発表者名
      T. Miyamura, Y. Sunada, Z. Wang, J. Ilves, K. Matsuura, and Y. Nakamura
    • 学会等名
      APS March Meeting 2024
    • 国際学会
  • [学会発表] Pulsed dynamics and itinerant cat state generation in a Kerr parametric oscillator2024

    • 著者名/発表者名
      A. F. van Loo, C. W. S. Chang, M. Pechal, and Y. Nakamura
    • 学会等名
      APS March Meeting 2024
    • 国際学会
  • [学会発表] Quantum sensing of magnon excitations with a superconducting qubit2024

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakamura
    • 学会等名
      APS March Meeting 2024
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Circuit QED for high-fidelity qubit readout2024

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakamura
    • 学会等名
      CircuitQED@20
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 非線形パーセルフィルタと補助パルスを用いた超伝導量子ビット読み出し高速化2024

    • 著者名/発表者名
      結城賢志, 砂田佳希, Zhiling Wang, 宮村岳昂, Jesper Ilves, 松浦康平, Peter A. Spring, 玉手修平, 中村泰信
    • 学会等名
      光・量子飛躍フラッグシッププログラム(Q-LEAP)第6回シンポジウム
  • [学会発表] Small-mode-volume surface-acoustic-wave resonators with focused Gaussian beam modes2024

    • 著者名/発表者名
      R. Sasaki, R. Yamazaki, R. Hisatomi, Y. Yamaguchi, A. Noguchi, and Y. Nakamura
    • 学会等名
      APS March Meeting 2024
    • 国際学会
  • [学会発表] Research and development towards an axion searvh experiment using quantum sensing of magnons2024

    • 著者名/発表者名
      Y. S. Shrestha, A. Kusaka, K. Kiuchi, Y. Nakamura, and K. Kato
    • 学会等名
      15th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2024)
    • 国際学会
  • [学会発表] ジョセフソンパラメトリック発振器に対する位相ロックのパラメータ依存性の評価2024

    • 著者名/発表者名
      山道智博, 加納勇也, 山口愛子, 佐藤哲朗, 森岡あゆ香, 浦出芳郎, 五十嵐悠一, 白根昌之. 中村泰信, 山本剛
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
  • [学会発表] 伝搬マイクロ波波束から超伝導量子ビットへの量子状態転送2024

    • 著者名/発表者名
      砂田桂花, 宮村岳昂, Jesper Ilves, 砂田佳希, 松浦康平, 中村泰信
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
  • [学会発表] 非線形パーセルフィルタと補助パルスを用いた超伝導量子ビット読み出し高速化2024

    • 著者名/発表者名
      結城賢志, 砂田佳希, Zhiling Wang, 宮村岳昴, Jesper Ilves, 松浦康平, Peter A. Spring, 玉手修平, 中村泰信
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
  • [学会発表] Photon-noise-tolerant dispersive readout of a superconducting qubit using a nonlinear Purcell filter2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Sunada, K. Yuki, Z. Wang, P. A. Spring, S. Tamate, T. Miyamura, J. Ilves, K. Matsuura, and Y. Nakamura
    • 学会等名
      Superconducting Qubits and Algorithms Conference (SQA) 2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Intrinsic Purcell filters and their applications in cavity and waveguide QED2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakamura
    • 学会等名
      Waveguide Quantum Electrodynamics 2023 (WQED23)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Superconducting circuits for quantum technologies2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakamura
    • 学会等名
      NWO Physics 2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Superconducting circuits for quantum technologies2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakamura
    • 学会等名
      UTokyo-ANU Workshop on Quantum Control and Electronic Materials and Devices
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Efficient tomography of microwave photonic cluster states2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Sunada
    • 学会等名
      UTokyo-ANU Workshop on Quantum Control and Electronic Materials and Devices
    • 国際学会
  • [学会発表] Superconducting circuits for quantum technologies2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakamura
    • 学会等名
      Extreme Universe Online Colloquium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Search for KSVZ axion dark matter around 24.5 u}eV2023

    • 著者名/発表者名
      C. Kutlu, S. Lee, S. V. Uchaikin, S. Ahn, S. Bae, J. Jeong, S. Youn, A. F. van Loo, Y. Nakamura, S. Oh, and Y. K. Semertzidis
    • 学会等名
      18th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs
    • 国際学会
  • [学会発表] Wide-band haloscope read-out using flux-driven Josephson parametric amplifier2023

    • 著者名/発表者名
      S. V. Uchaikin, J. Kim, B. I. Ivanov, A. F. van Loo, Y. Nakamura, C. Kutlu, S. Oh, V. Gkika, A. Matlashov, W. Chung, and Y. K. Semertzidis
    • 学会等名
      18th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs
    • 国際学会
  • [学会発表] High-temperature superconducting cavities: current progress and future plans for axion searches at CAPP2023

    • 著者名/発表者名
      D. Ahn, H. Byun, W. Chung, B. Ivanov, H. Kim, J. Kim, J. Kim, C. Kutlu, O. Kwon, J. Lee, A. Matlashov, Y. Nakamura, S. Oh, S. Park, Y. K. Semertzidis, S. Uchaikin, D. Youm, A. F. van Loo
    • 学会等名
      18th Patras Workshop on Axions, WIMPs and WISPs
    • 国際学会
  • [学会発表] 固定周波数超伝導量子ビットを用いた周波数可変マイクロ波光子の生成及びその整形 宮村岳昂2023

    • 著者名/発表者名
      宮村岳昂
    • 学会等名
      日本学術会議総合工学委員会ICO分科会公開シンポジウム『光がもたらす未来社会』~ICOの新たな発展に向けて~
  • [学会発表] Low-Noise Amplifiers for Active Axion Search Experiments at IBS/CAPP2023

    • 著者名/発表者名
      S. V. Uchaikin, J. Kim, B. I. Ivanov, A. F. van Loo, Y. Nakamura, C. Kutlu, S. Oh, V. Gkika, A. Matlashov, W. Chung, and Y. K. Semertzidis
    • 学会等名
      20th International Conference on Low Temperature Detectors (LTD20)
    • 国際学会
  • [学会発表] Evaluation of current dependence of kinetic inductance for kinetic inductance traveling-wave parametric amplifiers2023

    • 著者名/発表者名
      H. Kutsuma, C. W. S. Chang, M. Takeda, H. Terai, Y. Urade, S. Tamate, Y. Takeda, and Y. Nakamura
    • 学会等名
      20th International Conference on Low Temperature Detectors (LTD20)
    • 国際学会
  • [学会発表] Fast qubit readout using dedicated filter resonators with intrinsic notches2023

    • 著者名/発表者名
      P. A. Spring, L. Milanovic, Y. Sunada, S. Tamate, and Y. Nakamura
    • 学会等名
      Superconducting Qubits and Algorithms Conference (SQA) 2023
    • 国際学会
  • [学会発表] Superconducting quantum circuits: macroscopic quantum coherence to quantum computing2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakamura
    • 学会等名
      2nd International Conference on Emerging Quantum Technologies (ICEQT2023)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ジョセフソンパラメトリック発振器の周波数多重読み出し手法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      加納勇也, 山道智博, 山口愛子, 川上洋平, 佐藤哲朗, 森岡あゆ香, 遠藤清隆, 浦出芳郎, 増田俊平, 五十嵐悠一, 白根昌之, 中村泰信, 山本剛
    • 学会等名
      日本物理学会 第78回年次大会
  • [学会発表] 集束型シングルモード表面弾性波共振器の設計と集束特性2023

    • 著者名/発表者名
      佐々木遼, 山崎歴舟, 久富隆佑, 山口裕也, 野口篤史, 中村泰信
    • 学会等名
      日本物理学会 第78回年次大会
  • [学会発表] 量子非破壊検出を用いたアクシオンダークマター探索:YIG結晶の大型化に向けた開発2023

    • 著者名/発表者名
      シン シュレスタ ヤマン, 日下暁人, 木内健司, 中村泰信, 加藤啓輔
    • 学会等名
      日本物理学会 第78回年次大会
  • [学会発表] 基板上における超伝導量子ビットと強磁性共鳴モードとの結合系の実装2023

    • 著者名/発表者名
      加藤啓輔, 松浦康平, 砂田佳希, Alexander Badrutdinov, 玉手修平, 寺井弘高, 菱田有二, 中村泰信
    • 学会等名
      日本物理学会 第78回年次大会
  • [学会発表] 損失のある伝送線路を用いた力学インダクタンス進行波型増幅器の有効線路長と利得の検討2023

    • 著者名/発表者名
      加藤光一, 武田正典, 沓間弘樹, 寺井弘高, 中村泰信
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • [学会発表] CAPP 12-Tesla experiment for axion dark matter search at 25-mK temperature2023

    • 著者名/発表者名
      S. Ahn, J. Kim, B. Ivanov, S. V. Uchaikin, H. S. Byun, A. K. Yi, A. F. van Loo, S. Park, O. Kwon, Y. Nakamura, S. Lee, J. Kim, K. Lee, S. Oh, T. Seong, A. Matlashov, W. Chung, B. R. Ko, S. Youn, and Y. K. Semertzidis
    • 学会等名
      2023 KPS Fall Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] Solving crosstalk problem in multi-JPA amplifiers for axion search experiments2023

    • 著者名/発表者名
      S. V. Uchaikin, J. Kim, M. Ko, B. Ivanov, A. F. van Loo, Y. Nakamura, S. Oh, and Y. K. Semertzidis
    • 学会等名
      2023 KPS Fall Meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] 窒化ニオブチタン薄膜を用いた超伝導力学インダクタンス進行波型増幅器の利得解析2023

    • 著者名/発表者名
      加藤光一, 武田正典, 沓間弘樹, 寺井弘高, 中村泰信
    • 学会等名
      第32回日本赤外線学会研究発表会
  • [学会発表] Broadband readout systems using multiple flux-driven Josephson parametric amplifiers2023

    • 著者名/発表者名
      S. V. Uchaikin, J. Kim, B. I. Ivanov, A. F. van Loo, Y. Nakamura, S. Ahn S. Oh, A. Matrashov, W. Chung, Y. K. Semertzidis
    • 学会等名
      18th International Superconductive Electronics Conference (ISEC)
    • 国際学会
  • [学会発表] Low-insertion-loss Josephson traveling-wave parametric amplifiers based on coplanar architecture2023

    • 著者名/発表者名
      C. W. S. Chang, A. F. van Loo, H. Kutsuma, S. Tamate, and Y. Nakamura
    • 学会等名
      Quantum and Classical Cryogenic Devices, Circuits, and Systems (QCCC 2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Design of kinetic-inductance traveling-wave parametric amplifiers for readout of superconducting quantum circuits2023

    • 著者名/発表者名
      H. Kutsuma, C. W. S. Chang, M. Takeda, H. Terai, Y. Urade, S. Tamate, Y. Takeda, and Yasunobu Nakamura
    • 学会等名
      16th Superconducting SFQ VLSI Workshop (SSV 2023)
    • 国際学会
  • [学会発表] Fast, high-fidelity, quantum-nondemolition, multiplexed readout of superconducting qubits2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Nakamura
    • 学会等名
      Feedback in Quantum Machines 2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Research and development towards an axion search experiment using quantum sensing of magnons2023

    • 著者名/発表者名
      Y. S. Shrestha, A. Kusaka, K. Kiuchi, Y. Nakamura, and K. Kato
    • 学会等名
      International Workshop on Multi-probe Approach to Wavy Dark Matters
    • 国際学会
  • [産業財産権] 量子デバイスおよび量子コンピュータ2023

    • 発明者名
      中村泰信、砂田佳希
    • 権利者名
      中村泰信、砂田佳希
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2023-133316

URL: 

公開日: 2024-12-25  

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