超伝導量子ビットの新たな初期化手法を開発―光子吸収技術により高忠実度・高速な初期化を実現：産業技術総合研究所ほか
(2023年10月31日発表)
（国）産業技術総合研究所と東京理科大学の共同研究グループは10月31日、量子コンピューターの超伝導量子ビットを高い忠実度で高速初期化する新しい手法を開発したと発表した。量子コンピューターの実用化研究の進展が期待されるという。
近年提案されている量子誤り訂正を用いた大規模な量子コンピューターでは、量子ビットを任意のタイミングで高速かつ高い忠実度で初期化する必要がある。
量子ビットを超伝導回路によって実現したものを超伝導量子ビットというが、研究グループは今回、この超伝導量子ビットの励起状態を光子の状態に変換し、変換した光子をナノ加工によって作製した超伝導・常伝導接合で吸収することにより、超伝導量子ビットを初期化するという手法を開発した。
超伝導･常伝導接合を利用すると超伝導量子ビットの初期化が加速されることは理論的に示されていたが、超伝導･常伝導接合を利用するこの手法には半面、超伝導量子ビット自体の性能を低下させるという欠点があり、その解決が待たれていた。
東京理科大の研究チームは、超伝導･常伝導接合と量子ビットとを超伝導共振器を介して接続すると、超伝導量子ビットの性能を低下させることなく高速に初期化できることを理論的に解明、一方、産総研のチームは世界最高品質の接合作成技術を保有しており、両者は3年前より協調して研究を進めていた。
研究では、超伝導･常伝導接合と超伝導量子ビットとを超伝導共振器を介して接合した素子を作製し、初期化の実験を行った。
まず、100ナノ秒程度のマイクロ波信号を量子ビットに照射することで超伝導量子ビットを励起状態に遷移させた。続いて別のマイクロ波信号を超伝導ビットに照射することで超伝導量子ビットの励起状態を超伝導共振器中の光子に変換した。この際、量子ビットは基底状態へと緩和する。さらに、励起状態を光子へと変換するマイクロ波と同期させて、超伝導･常伝導接合に電圧を印加することで接合によって光子吸収を行い、超伝導量子ビットの初期化を完了した。
この初期化プロセスを繰り返し実施、180ナノ秒で99％以上の忠実度で初期化が完了していることが分かった。また、この研究で行った超伝導量子ビットの初期化が、超伝導･常伝導接合の光子吸収によって加速されていることが確認できたという。今後の大規模な量子コンピューターの実現に貢献する成果が得られたとしている。
