Josephson quasi-travelling-wave parametric amplifiers based on coupled resonators

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超伝導量子ビットに基づく量子コンピュータの研究開発が近年活発に行われている。今後、量子誤り訂正機能を実装した量子コンピュータを実現するためには、量子ビットの読み出し技術が重要となる。その鍵を握るのが、ジョセフソンパラメトリック増幅器（JPA）とよばれる、極低温環境で動作する低雑音の超伝導増幅器である。JPAは量子限界の低雑音で微弱な信号を増幅することができる。将来的に量子ビットを集積していく上で、量子ビットだけでなくJPAの集積化も重要な課題となる。本研究では、そうした集積化に適したJPAとして、回路素子数を抑えつつ、量子ビットの周波数多重化読み出しに十分な増幅特性を有するJPAの実現を目指す。具体的には、ジョセフソン接合を含む非線形結合共振器列にパラメトリックポンプを印可した「擬進行波型JPA」を提案し、その特性を理論的に解析するとともに、実際にデバイスを作製し、その動作を極低温環境下で実験的に実証する。2022年度は目標に向けて、以下の作業を行った：（１）増幅器作製プロセスの検討と従来型デバイス設計デバイスの作製は産業技術総合研究所のQufabで行う。本年度はQufabの装置を使った増幅器作製プロセスの具体的検討を行い、そのプロセスに適合したデバイスの設計を行った。これは比較的特性のよく分かった従来型のJPAであり、ジョセフソン接合やキャパシタといった回路素子の作製技術を確認することが目的である。（２）電磁界シミュレーション環境の整備マイクロ波デバイスを設計する上では、回路設計だけでなく、数値電磁界シミュレーションによって実際のデバイス構造を検証する必要がある。そのために有限要素法に基づく数値電磁界シミュレータであるCOMSOL Multiphysicsの導入を行った。これによりデバイスの設計環境が整った。