2021 Fiscal Year Annual Research Report
quantum transducers based on surface acoustic wave hybrid quantum systems
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20J00325
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
佐々木 遼 国立研究開発法人理化学研究所, 量子コンピュータ研究センター, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | 量子変換器 / 表面弾性波 / 量子ハイブリッド系 / フォノン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では超伝導量子ビットのマイクロ波信号を光領域の信号に変換するための量子変換器の開発を目的としている．マイクロ波信号を一度音波に変換してその音波により光共振器を振動させることで，マイクロ波信号から光信号への変換を行う．高効率な変換を実現するために音波の共振器を利用することでシングルフォノンレベルでの光の変調を大きくし，変換効率の上昇を目指す．
今年度は圧電薄膜を用いた表面弾性波共振器を開発して，音波の共振モード体積の微小化を行った．モード体積を小さくすると単一フォノンあたりの振幅が大きくなり光の変調効果も大きくなる．通常の表面弾性波共振器では基板表面から深さ方向に波長程度までモードが広がってしまう．このモードの広がりを小さくするために波長よりも薄い厚さを持つ圧電薄膜を利用して表面弾性波共振器を作製し，音波モードをより小さい領域に閉じ込めることに成功した．
さらに面内でのモード分布を小さくするために，光共振器内部のレーザーの固有状態であるガウシアンビームモードを模倣して音波をデバイス中心で収束させることができる共振器を開発した．デバイス表面のモード分布を光学イメージングすることで実際に１波長程度の小さい領域に波束が収束していることを観測した．これらを合わせることで従来型の量子変換器と比較しておよそ４桁のモード体積の微小化に成功した．
この圧電薄膜を用いた微小モード表面弾性波共振器と光共振器の結合系からなる変換器を作製し，その評価を行った．マイクロ波の透過測定と音波モードの光学イメージングを行い，光共振器内部に音波が導入されていることを観測した．
また，希釈冷凍機内部での測定に向けてマイクロ波測定系の構築とチップ－ファイバー間の結合部分の作製及び評価を行った．ファイバーからチップ上のカプラを通してデバイス内に作製した光導波路に光信号が導入されていることを確かめた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
今年度は予定していた変換器の作製を行うことができた．昨年度まで進めていた圧電薄膜を支持基板から浮かせることで音波の閉じ込めを行う方針は，対象とした弾性波共振器の面積が大きいために困難だった．そこで今年度は支持基板と圧電薄膜の間の音波の速度の違いに起因した閉じ込め効果を利用することで薄膜を浮かせることなくモードの閉じ込めが可能な方針に転換し，実際にモード体積の微小化に成功した．これを光共振器を合わせることで光と音波の両者をデバイス上の微小領域に閉じ込め結合させることができる変換器の実装に至った．
一方で希釈冷凍機内部でのデバイス評価には至らなかった．チップとファイバー間の結合系が室温領域では動作することを観測したが，低温環境下に導入するためのファイバー固定方法を現在模索中である．低温環境でのマイクロ波測定系の構築と光ファイバーの導入は進んでおり，チップとファイバーの結合系の準備が出来次第，順次進められる予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は引き続き変換器の作製と評価，低温環境下における変換実験の実現に向けた研究を行う．変換実験用の室温光学測定系の構築と実際の性能評価を行い，変換効率に寄与するファクターを明らかにする．その結果をもとにさらなるデバイスの改善を行い，高効率化を行う．低温環境下での測定に関しては特にチップとファイバー間の結合方法を確立し，希釈冷凍機温度で安定した光学測定が可能な系を構築する．最終的には超伝導量子ビットとのとの結合デバイスを作製し，量子ビットの信号を室温光学系で観測することを目指す．
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