時分割多重化によるイオントラップ電極制御を実証～イオントラップ量子コンピュータの配線ボトルネックを解決へ～

2025-12-09 キュエル株式会社,大阪大学,東京大学

キュエル、大阪大学、東京大学の研究グループは、イオントラップ量子コンピュータの大規模化を阻む最大の課題である「電極配線と制御回路のスケーラビリティ問題」を解決する新方式として、時分割多重化（TDM）による電圧制御技術を開発し、世界で初めて実験的に実証した。従来は多数のイオンを制御するために膨大なDAC配線が必要となり、真空フィードスルーの増加や制御回路の肥大化が避けられなかった。本研究では、DAC 出力を高速スイッチとコンデンサから成るデマルチプレクサで分配するTDM制御システムを構築し、2台のDACから10チャネルを駆動する装置を開発。表面電極型トラップで⁴⁰Ca⁺イオンの捕獲・輸送に成功した。これにより、配線数の大幅削減と高密度化が可能となり、大規模イオントラップ量子コンピュータに向けた基盤技術として高い有用性が示された。成果は Applied Physics Letters に掲載され、Featured Article として選出された。

図1　（左）従来のイオントラップ量子コンピュータ向け制御方式、（右）今回提案したTDMを用いた制御方式

＜関連情報＞

時分割多重化デジタル-アナログ変換器を用いた原子イオンの捕捉
Trapping an atomic ion using time-division multiplexed digital-to-analog converters

Ryutaro Ohira;Masanari Miyamoto;Shinichi Morisaka;Ippei Nakamura;Atsushi Noguchi;Utako Tanaka;Takefumi Miyoshi
Applied Physics Letters Published:December 08 2025
DOI:https://doi.org/10.1063/5.0294871

Independent control of numerous electrodes in quantum charge-coupled device architectures presents a significant challenge for wiring and hardware scalability. To address this issue, we demonstrate a voltage control method based on time-division multiplexing (TDM). This approach utilizes a single high-update-rate digital-to-analog converter (DAC) to sequentially generate control signals for multiple electrodes, thereby reducing both the number of required DACs and associated wiring. We experimentally validate this concept by developing a 10-channel system that operates with only two DACs. The developed TDM-based voltage control system is applied to a surface electrode trap, where we successfully trap a single ⁴⁰Ca⁺ ion and demonstrate a simple ion transport primitive. This approach offers a resource-efficient and scalable solution for advanced quantum computing systems based on trapped ions.