シリコン基板を用いた窒化物超伝導量子ビットの開発に成功

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超伝導量子ビットの大規模集積化に向けた新しい材料プラットフォームを提案

2021-09-20 情報通信研究機構,産業技術総合研究所,名古屋大学,科学技術振興機構

ポイント
  • 超伝導転移温度16ケルビンの窒化ニオブを用いて、シリコン基板上に窒化物超伝導量子ビットを実現
  • 低損失なシリコン基板上への作製技術を開発し、コヒーレンス時間が大きく改善
  • 大規模量子コンピュータや量子ノードへの応用に期待

情報通信研究機構(NICT、理事長:徳田 英幸)は、産業技術総合研究所(理事長:石村 和彦)、東海国立大学機構 名古屋大学(総長:松尾 清一)と共同で、超伝導材料にアルミニウムを使用しない超伝導量子ビットとして、シリコン基板上のエピタキシャル成長を用いた窒化物超伝導量子ビットの開発に世界で初めて成功しました。この量子ビットは、超伝導体として超伝導転移温度が16ケルビン(マイナス257度)の窒化ニオブ(NbN)を電極材料とし、ジョセフソン接合の絶縁層に窒化アルミニウム(AlN)を使用しエピタキシャル成長させた全窒化物の素子であり、ノイズ源である非晶質の酸化物を一切含まない新しい超伝導材料から成る新型量子ビットです。今回、この新材料量子ビットをシリコン基板上に実現することで、平均値としてのエネルギー緩和時間(T)が16マイクロ秒と位相緩和時間(T)が22マイクロ秒のコヒーレンス時間が得られました。これは、従来の酸化マグネシウム基板上の窒化物超伝導量子ビットの場合と比べてT1は約32倍、T2は約44倍に相当します。

超伝導体として窒化ニオブを使うことで、より安定に動作する超伝導量子回路の構築が可能となり、量子演算の基本素子として、量子コンピュータや量子ノードの開発への貢献が期待されます。今後、回路構造や作製プロセスの最適化に取り組み、さらなるコヒーレンス時間の延伸、大規模集積化の実現に向けて研究開発を進めていく予定です。

なお、本成果は、2021年9月20日(月)に、世界的に権威のあるNature Research出版社の専門誌「Communications Materials」に掲載されました。

本研究の一部は、科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 CREST 「超伝導量子メタマテリアルの創成と制御」(JPMJCR1775、研究代表者:仙場 浩一)、JST 戦略的創造研究推進事業 ERATO 「中村巨視的量子機械プロジェクト」(JPMJER1601、研究総括:中村 泰信)、文部科学省 光・量子飛躍フラッグシッププログラム(Q-LEAP)JPMXS0120319794とJPMXS 0118068682、研究大学強化促進事業(名古屋大学)の助成を受けて行われました。

詳しい資料は≫

<論文タイトル>
“Enhanced coherence of all-nitride superconducting qubit epitaxially grown on silicon substrate”
DOI:10.1038/s43246-021-00204-4
<お問い合わせ先>

<研究に関すること>
金 鮮美(キム ソンミ)、仙場 浩一(センバ コウイチ)
情報通信研究機構 未来ICT研究所 量子ICT研究室

寺井 弘高(テライ ヒロタカ)
情報通信研究機構 未来ICT研究所 超伝導ICT研究室

猪股 邦宏(イノマタ クニヒロ)
産業技術総合研究所 新原理コンピューティング研究センター

山下 太郎(ヤマシタ タロウ)
東海国立大学機構 名古屋大学 大学院工学研究科 電子工学専攻

<JST事業に関すること>

嶋林 ゆう子(シマバヤシ ユウコ)
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ

加藤 豪(カトウ ゴウ)
科学技術振興機構 研究プロジェクト推進部 グリーンイノベーショングループ

<報道担当>
情報通信研究機構 広報部 報道室
産業技術総合研究所 広報部 報道室
東海国立大学機構 名古屋大学 管理部総務課 広報室
科学技術振興機構 広報課

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