世界最高水準の長寿命超伝導共振器を開発~量子メモリや誤り訂正の基盤技術として期待~

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2025-06-13 理化学研究所,情報通信研究機構,東京大学

世界最高水準の長寿命超伝導共振器を開発~量子メモリや誤り訂正の基盤技術として期待~
スパイラル形状の高Q値超伝導共振器(イメージ)

理化学研究所、情報通信研究機構、東京大学の共同研究チームは、スパイラル形状と高品質窒化チタン薄膜を組み合わせた平面型超伝導共振器を開発し、単一光子レベルで内部Q値1,000万、高パワー下で1億という世界最高水準の性能を達成しました。平面型構造は集積性に優れる一方、エネルギー損失が課題でしたが、スパイラル構造により電場集中を抑制し、表面損失を低減。本成果は量子メモリや誤り訂正量子計算の基盤技術として期待されます。

<関連情報>

超伝導平面共振器における1000万に迫る本質的な品質係数:スパイラル形状が可能にする Intrinsic quality factors approaching 10 million in superconducting planar resonators enabled by spiral geometry

Yusuke Tominaga,Shotaro Shirai,Yuji Hishida,Hirotaka Terai & Atsushi Noguchi
EPJ Quantum Technology  Published:13 June 2025
DOI:https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-025-00367-w

Abstract

This study investigates the use of spiral geometry in superconducting resonators to achieve high intrinsic quality factors, crucial for applications in quantum computation and quantum sensing. We fabricated Archimedean Spiral Resonators (ASRs) using domain-matched epitaxially grown titanium nitride (TiN) on silicon wafers, achieving intrinsic quality factors of Qi=(9.6±1.5)×106 at the single-photon level and Qi=(9.91±0.39)×107 at high power, which is more than twice as high as those for coplanar waveguide (CPW) resonators under identical conditions on the same chip. We conducted a comprehensive numerical analysis using COMSOL to calculate surface participation ratios (PRs) at critical interfaces: metal-air, metal-substrate, and substrate-air. Our findings reveal that ASRs have lower PRs than CPWs, explaining their superior quality factors and reduced coupling to two-level systems (TLSs).

0403電子応用
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