2023-07-04 国立天文台
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電波望遠鏡の観測装置に使われる技術を応用して、将来の量子コンピュータに必須となる電子部品「アイソレータ」の超小型化を可能にする技術の実証に、国立天文台の研究チームが成功しました。
アイソレータは、身の周りにあるさまざまな機械の中の電子回路にも搭載されており、回路の中で信号が正しい方向に伝わるように制御する部品です。現在広く使われているアイソレータには磁性体が用いられているため、原理的にその大きさを数センチメートルより小さくすることが困難です。この問題は、多くのアイソレータが必要となる大規模量子コンピュータの実現にとって大きな課題となっています。量子コンピュータの量子ビット数は、現在実現しているものではおよそ100に過ぎませんが、本格的な量子コンピュータでは100万にもなります。つまり、これを実現するためにはアイソレータを含むさまざまな部品を極めて小型化することが必要なのです。電波を受信する超伝導センサを多数並べた多素子カメラの開発にも、同じ課題があります。
国立天文台の増井翔（ますい しょう）特任研究員らの研究チームは、磁性体を使った従来のアイソレータとは全く異なる、2つの周波数ミキサを使った極めて単純な回路構成でアイソレータが実現できることを発案し、その原理を理論的方法と実験的方法の双方で実証することに成功しました。今回実証したアイソレータは、基板上の平面回路内で全て構成することが可能になるため、集積回路化を行えば、従来のアイソレータに比べると体積比で3桁以上小型化できることになります。これらの技術が、量子コンピュータや多素子カメラの大規模化を飛躍的に発展させることができると期待されます。
研究チームは、信号の増幅機能を併せ持つアイソレータの開発も視野に入れています。電波観測装置で広く使われている周波数ミキサには超伝導ミキサ（SISミキサ）が用いられており、信号を増幅する機能を持っています。今回の開発では周波数ミキサとして市販の半導体ミキサを用いていますが、その代わりにSISミキサを利用すれば、信号の増幅とアイソレータの機能を併せ持つ新たな装置が実現できることになります。
国立天文台の鵜澤佳徳（うざわ よしのり）技術主幹は、次のようにコメントしています。「電波観測装置と量子コンピュータには、共通する開発要素があります。電波や可視光線・赤外線などの観測装置開発の知見を積んできた国立天文台は、先端技術センター内に社会実装プログラムを設置し、量子コンピュータ適用プロジェクトチームを結成して技術開発を進めてきました。今回の全く新しい原理によるアイソレータの開発は、その成果の一つです。電波天文学と量子コンピュータという二つの分野にブレイクスルーをもたらす開発を、今後も進めていきたいと考えています」。
この研究成果は、Sho Masui et al. “A Novel Microwave Nonreciprocal Isolator based on Frequency Mixers”として、IEEE Microwave and Wireless Technology Lettersに2023年3月15日付で掲載されました。
この研究は、科学技術振興機構ムーンショット型研究開発事業「2050年までに、経済・産業・安全保障を飛躍的に発展させる誤り耐性型汎用量子コンピュータを実現」（Grant No. JPMJMS2067）、日本学術振興会科学研究費補助金（Grant Nos. JP18H03881, JP19H02205, and JP22H04955）の支援を受けて行われました。
