2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development and application of traveling wave Josephson parametric amplifiers based on three-wave mixing
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18J00874
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
浦出 芳郎 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 特別研究員(PD) (60804234)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | パラメトリック増幅器 / ジョセフソン接合 / 標準量子限界 / 超伝導量子エレクトロニクス / 量子コンピュータ / マイクロ波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1)進行波型ジョセフソンパラメトリック増幅器の開発
本年度は、昨年度の設計に基づく進行波型増幅器を作製し、希釈冷凍機中でその特性を評価した。この試料では、増幅の源となるポンプ波を入れても信号は増幅されず、むしろ信号の減衰が起きるという、期待とは異なる特性が観測された。これは、設計段階において考慮していなかった高調波生成の効果であると推察された。これを抑制しなければ効率的な増幅が難しいことが分かったので、回路構造の工夫により伝送線路の分散関係を制御する手法を考案し、理論的な検討を進めた。
(2)インピーダンス整合型ジョセフソンパラメトリック増幅器の開発
増幅器の諸特性の改善を進めた。デバイスに必要なキャパシタンスとして平面回路の分布定数的なキャパシタンスを用いることで、作製が容易かつ再現的になるとともに、静電気に対する耐性が向上した。また、デバイスと周辺回路を接続するワイヤの持つ寄生インダクタンスの効果が無視できないことが分かったので、ボンディングパッド等の回路形状を工夫することでその影響を補償する方法を考案した。これらの改善により、増幅帯域幅約1GHzを達成した。この増幅器を用いて超伝導量子ビットの周波数多重化読み出しが実証された。
(3)大きな力学的インダクタンスを示す超伝導薄膜を用いた導波路の作製
室温成長窒化チタンは大きな力学的インダクタンスを示すため、それによって構成される超伝導伝送線路はマイクロ波に対して大きな波長短縮効果を示す。この薄膜を用いた共振器を作製し、冷凍機中で評価を行ったところ、磁場侵入長にして1μmを超える、大きな力学的インダクタンスを示すことが分かった。波長短縮効果により、力学的インダクタンスがない場合と比べて、60パーセント以上電気的な線路長を長くできることを示した。すなわち、同じ面積により大きな電気長の線路を集積することが可能となる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究課題の主目的である「三光波混合に基づく進行波型ジョセフソンパラメトリック増幅器」の実現については、やや難航していると言える。いくつかの要因として、(1)多数のジョセフソン接合やキャパシタンスを含む試料作製の困難さ、(2)当初想定していなかった高調波発生の問題が挙げられる。これらの問題を解決すべく、設計の見直しを進めたが、まだ実験において増幅効果を観測するには至っていない。
一方で、進行波型増幅器のバックアップとして並行して進めてきた「インピーダンス整合型ジョセフソンパラメトリック増幅器」については順調に特性の改善が進んでおり、増幅帯域幅約1GHzを達成するなど大きな進展があったと言える。この増幅器は既に超伝導量子ビット群の周波数多重化読み出しへの応用が進んでおり、本研究課題の実応用として掲げた目標を既に達成できたと言える。
以上のように、異なる方式の増幅器によって目標を達成できた部分もあるものの、主目的とした進行波型増幅器の開発については難航している部分もあるため「やや遅れている」と評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)進行波型ジョセフソンパラメトリック増幅器の開発
「研究実績の概要」欄でも示したように、当初想定していたような単純な伝送線路構造では高調波発生の問題を解決することが難しい。したがって、伝送線路の分散関係を上手く制御する必要がある。具体的には、左手系伝送線路など分散を持った伝送線路を用いることを検討している。このような線路において実際に効率的にパラメトリック増幅過程が起こりうることを結合モード理論や数値電気回路シミュレータを用いて検討・設計した上で、その裏付けのもと再び試料を作製し、目標とする増幅器の実現を目指す。
(2)インピーダンス整合型ジョセフソンパラメトリック増幅器のさらなる改善と雑音特性評価
超伝導量子ビット群の周波数多重化読み出しに向けては、基本的には十分な特性が既に得られているが、将来的に量子ビット数が増えていくことや強いポンプ波によって生じる冷凍機の温度上昇などを考慮すると、増幅器のポンプに必要な電力をできるだけ低下することが望ましいといえる。したがって、2020年度は増幅器のポンプ電力効率を改善することを目標とする。具体的には超伝導量子干渉素子(SQUID)のループがもつインダクタンスを増やし、ポンプ波との相互インダクタンスを増大する。また、増幅器の雑音特性を評価し、量子限界に迫る低雑音特性が得られているかを検証する。
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