Development of filter circuit for suppressing residual interaction between superconducting qubits

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極低温環境で量子化した超伝導回路からなる超伝導量子ビットは、高い設計自由度から現在最も有望な量子情報処理デバイスの一つとされる。近年、量子計算機の実現に向け、高品質な量子制御が可能な超伝導量子ビット集積回路の開発が希求されている。しかし一方で、ノイズ源となりうる外部磁束入力線を用いた制御自由度を伴わない場合、量子ビット間もつれゲート実行速度ともつれゲート非実行時の残留相互作用強度との間にトレードオフ関係があることが知られている。そこで本研究課題では、超伝導量子ビット集積系において、外部磁束入力線を用いずに、もつれゲートの実行速度を担保しつつ、もつれゲート非実行時の量子ビット間における残留相互作用を抑制することを目指す。残留相互作用の抑制方としては、超伝導量子ビット間のもつれゲートを駆動するマイクロ波パルスの実装方式を工夫するものと、超伝導量子ビット間の結合を仲介する回路素子の構造を工夫するものとに分け、個別に取り組むこととした。前者の方式については、残留相互作用抑制法として近年提案されたRotary tone法、SiZZle法を国内で初めて実機上で追実装し、性能の比較検討を行った。いずれの手法においても実装に成功し、64量子ビット集積回路上において量子ビット間残留相互作用 (~ -180 kHz) を完全に相殺することに成功し、忠実度0.99を超えるもつれゲートの実装に成功した。後者の方式については、intrinsic Purcell filter と呼ばれる回路素子を量子ビットと制御線の間に構築することで、超伝導量子ビットの外部環境への結合レートに強い周波数依存性を持たせることで、量子ビット間残留相互作用を生み出す不要な遷移に選択的に強い緩和を加えることで、量子ゼノ効果で残留相互作用を抑制する回路構造について、設計の検討を行い、数値計算上で動作を確認した。