bcゲームレーキバック

bcゲームレーキバックコンピュータの小型化に貢献する素子応用を拓く

情報通信研究機構　広報部

2024/10/15 14:00

2024年10月15日

国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT）

日本電信電話株式会社

国立大学法人東北大学

国立大学法人東海国立大学機構名古屋大学

ポイント

■　コイルなどの補助回路を必要とせず、ゼロ磁場で最適動作できる新型の超伝導磁束bcゲームレーキバックを開発

■　強磁性ジョセフソンπ接合を持つ超伝導bcゲームレーキバックとしては最も優れたコヒーレンス時間を達成

■　bcゲームレーキバックコンピュータの小型化を実現するbcゲームレーキバック素子への応用に期待

国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT（エヌアイシーティー）、理事長: 徳田英幸）は、日本電信電話株式会社（NTT、代表取締役社長: 島田明）、国立大学法人東北大学大学院工学研究科（工学研究科長: 伊藤彰則）、国立大学法人東海国立大学機構名古屋大学（総長: 杉山直）と共同で、ゼロ磁場で動作する新型超伝導磁束bcゲームレーキバックの開発に成功しました。

超伝導磁束bcゲームレーキバックには、従来、コイル等の補助回路で発生させた外部磁場が必須でした。今回開発した強磁性体を使ったジョセフソンπ接合による超伝導磁束bcゲームレーキバックは、コイル等を必要とせず、外部磁場印加と同等な超伝導の位相を反転させる機能を確認しました。さらに、π接合を組み込んだbcゲームレーキバックの中では最長クラスのコヒーレンス時間を達成しました。bcゲームレーキバックの寿命はマイクロ秒の範囲ですが、今後、π接合の材料を更に改良することで、このπ接合やゼロ磁場で動作可能な磁束bcゲームレーキバックは、量子コンピュータに欠かせない高機能な量子素子の必須要素となる可能性があります。

本成果は、2024年10月11日（金）に、英国科学雑誌「Communications Materials」に掲載されました。

背景

未来の情報社会では、量子コンピュータが、材料・医薬品開発から情報セキュリティまで、幅広い分野で重要な役割を果たすと期待されています。特に、超伝導bcゲームレーキバックは、量子状態の制御が比較的容易な有望な技術です。超伝導bcゲームレーキバックの重要な構成要素であるジョセフソン接合は回路に非調和性を与え、これによりbcゲームレーキバックが動作します。表1に代表的な超伝導bcゲームレーキバックの特性を示します。

現在広く使用されているトランズモンbcゲームレーキバックは、非調和性が低いため、多数のbcゲームレーキバックを集積化すると誤動作や周波数衝突と呼ばれる干渉問題が発生しやすくなるなどの欠点を持つことが知られています。

一方、磁束bcゲームレーキバックは、図1(a)のようにジョセフソン接合を三つ使用するため非調和性が高く、周波数衝突の問題を緩和できます。しかし、磁束bcゲームレーキバックは、（bcゲームレーキバックのコヒーレンス時間が最長となる）最適動作のために、外部コイルで超伝導ループに磁束量子（Φ0= 2.07×10^-15 Wb）の半分の磁束を与える必要があります。これは、外部コイル由来の低周波ノイズの要因になり、各々の量子ビットに磁場印加用コントロールbcゲームレーキバックンが必要なため、大規模集積化の課題となっていました。

bcゲームレーキバック:

(a) 従来型磁束bcゲームレーキバックは、三つのジョセフソン接合（JJ、×、黒色）を含む超伝導ループで構成され、基底状態|0と励起状態|1の重ね合わせ状態で最適動作させるためには、外部磁場の印加が必要である。

(b) 一方、π接合（π-JJ、＊、赤色）を用いた新型磁束bcゲームレーキバックでは、外部磁場なしで自発的に最適動作点に達する。

その解決策として、東北大学の山下太郎教授（研究当時: 名古屋大学大学院工学研究科准教授）らが提案したπ接合を磁束bcゲームレーキバックに組み込む方法があります（図1(b)参照）。π接合は、強磁性体を組み込んだジョセフソン接合であり、外部から磁場を印加せずに180度（π）の位相差を生じるため、自発的に最適動作点にバイアスすることが可能になります。これにより、外部ノイズを抑え、回路が簡素化され、bcゲームレーキバックの集積化が容易になることが期待されています。

bcゲームレーキバック

今回の成果

今回、我々はシリコン基板上に結晶成長させた窒化ニオブを用いた窒化物超伝導bcゲームレーキバックの技術（2021年9月20日NICT報道発表）と、π接合の技術（2017年11月15日NICT報道発表）を組み合わせ、π接合を持つ磁束bcゲームレーキバックを作製し、世界で初めてゼロ磁場で最適動作することを実証し、そのコヒーレンス時間の測定に成功しました。

これまでの研究では、カールスルーエ工科大学（ドイツ）のUstinov教授研究チームのFeofanovらがNb/AlOx/Nbジョセフソン接合とNb/CuNi/Nbπ接合により構成された位相bcゲームレーキバックにおいて4ナノ秒のコヒーレンス時間を報告しているほか、同チームのShcherbakovaらが磁束bcゲームレーキバックへのπ接合導入を試みましたが、bcゲームレーキバック動作は確認されず、コヒーレンス時間の測定には至りませんでした。

我々は、CuNiよりも安定したπ状態を維持できるPdNiを採用し、NbN電極上にπ接合を形成しました。さらに、NICTが開発したNbN/AlN/NbNジョセフソン接合とNTTが開発した3次元共振器用の磁束bcゲームレーキバックの最適デザインを組み合わせ、ゼロ磁場で最適動作する新型超伝導磁束bcゲームレーキバックを作製しました（図2参照）。NTTの長寿命bcゲームレーキバック測定系を用いた測定の結果、ゼロ磁場が最適動作点であることを確認し、1.45マイクロ秒のコヒーレンス時間を観測しました（図3参照）。これは、従来のπ接合を組み込んだ位相bcゲームレーキバックと比べて360倍のコヒーレンス時間の改善となります。一方で、π接合を持たない従来の磁束bcゲームレーキバックでは16マイクロ秒のエネルギー緩和時間が得られており（2021年9月20日NICT報道発表を参照）、現状のNbN/PdNi/NbN積層構造によるπ接合はコヒーレンス時間の改善という課題があることも世界で初めて明らかにしました。

今回の成果は、外部磁場が不要で、マイクロ秒オーダーのコヒーレンス時間を持つ磁束bcゲームレーキバックを世界で初めて実現したもので、bcゲームレーキバックを含む様々な量子回路の微細化・集積化に重要な技術であり、外部磁場が不要になることで、回路の簡素化や省エネ、コスト削減に貢献するものです。

図2 (a) 開発された新型超伝導磁束bcゲームレーキバックの光学顕微鏡写真。ジョセフソン接合（JJ）、π接合、ビアホール部分が紫、黄、青の擬似カラーで示され、右の回路構成図には、三つのジョセフソン接合（×、紫色）とπ接合（＊、黄色）が表示されている。

(b) 全窒化物超伝導体で構成されたジョセフソン接合の構造

図3 (a) 新型超伝導磁束bcゲームレーキバックの基底状態から励起状態への遷移周波数の磁場依存性を表すマイクロ波分光スペクトラム。矢印は遷移周波数の最低点でもある磁束bcゲームレーキバックの最適動作点を表す。従来の磁束bcゲームレーキバックは最適動作点が0.5Φ0で現れるが、新型超伝導磁束bcゲームレーキバックはゼロ磁場（0Φ0）で現れるのが特徴である。

(b) エネルギー緩和時間T1＝1.45 μsを示すコヒーレンス時間の測定結果

今後の展望

今後、コヒーレンス時間の更なる延伸、将来的な大規模集積化を見据えた素子特性の均一性の向上を目指して、回路構造や作製プロセスの最適化に取り組み、従来のアルミニウムベースbcゲームレーキバックの性能を凌駕する量子ハードウェアの新しいプラットフォームの構築を目指します。π接合の材料、構造を改良することで、より長いコヒーレンス時間を持ちながらゼロ磁場で動作可能なπ接合磁束bcゲームレーキバックを開発することができれば、量子コンピュータチップを含む様々な量子において必須の構成要素となる可能性があります。