High-speed measurement of silicon spin qubits using a Josephson parametric amplifier

シリコン(Si)スピン量子ビットは、量子情報保持時間を持つことと既存の生産向け製造技術を活用できることから、大規模な量子コンピュータの実現に有力な候補である。本研究課題では、量子誤り訂正符号の実現に求められる量子ビットの高速測定をSiスピン量子ビットで実現するために、極低ノイズのジョセフソン・パラメトリック増幅器(JPA)の応用を試みる。JPAはこれまで超伝導量子ビットの測定に用いられているが、測定周波数・電力の違いからSiスピン量子ビットの測定に用いるには、専用の設計が必要である。そこで、本年度は(1)JPAの設計と特性評価、(2)JPAの製作、(3)JPAの性能評価に取り組んだ。また、研究を進める中でSiスピン量子ビット側の測定技術向上も重要であることが明らかとなったため、(4)Siスピン量子ビットの測定を行い、高速QND測定の実装への知見を蓄積した。(1)JPAの設計と特性評価においては、JPAの特性の解析モデルを構築し、Siスピン量子ビット測定で用いられる周波数500 MHz程度、電力-100 dBm程度の信号を増幅できるようなデバイスの設計を行う。またそれをもとに、JPAデバイスの設計を行う。(2)JPAの製作においては、(1)で設計したJPAデバイスを作製する。このデバイスでは陽極酸化した臨界電流密度を低くした接合と自然酸化による接合を別工程で実装する必要がある。そのため専用のプロセスを構築する必要があり、その開発を行う。(3)JPAの性能評価においては、希釈冷凍機温度で製作したデバイスの特性を調べる。また測定結果を元に、JPAの設計を見直し特性の向上を図る。(4) Siスピン量子ビットの測定では、従来の測定方法でQND測定を行い、高速QND測定を行う上での問題の抽出を行う。またJPAとSiスピン量子ビットの間で動作条件の擦り合わせを検討する。

シリコン(Si)スピン量子ビットは、量子情報保持時間を持つことと既存の生産向け製造技術を活用できることから、大規模な量子コンピュータの実現に有力な候補である。本研究課題では、量子誤り訂正符号の実現に求められる量子ビットの高速測定をSiスピン量子ビットで実現するために、極低ノイズのジョセフソン・パラメトリック増幅器(JPA)の応用を試みる。JPAはこれまで超伝導量子ビットの測定に用いられているが、測定周波数・電力の違いからSiスピン量子ビットの測定に用いるには、専用の設計が必要である。そこで、本年度は(1)JPAの設計と特性評価、(2)JPAの製作、(3)JPAの性能評価に取り組んだ。また、研究を進める中でSiスピン量子ビット側の測定技術向上も重要であることが明らかとなったため、(4)Siスピン量子ビットの測定を行い、高速QND測定の実装への知見を蓄積した。(1)JPAの設計と特性評価においては、JPAの特性の解析モデルを構築し、Siスピン量子ビット測定で用いられる周波数500 MHz程度、電力-100 dBm程度の信号を増幅できるようなデバイスの設計を行う。またそれをもとに、JPAデバイスの設計を行う。(2)JPAの製作においては、(1)で設計したJPAデバイスを作製する。このデバイスでは陽極酸化した臨界電流密度を低くした接合と自然酸化による接合を別工程で実装する必要がある。そのため専用のプロセスを構築する必要があり、その開発を行う。(3)JPAの性能評価においては、希釈冷凍機温度で製作したデバイスの特性を調べる。また測定結果を元に、JPAの設計を見直し特性の向上を図る。(4) Siスピン量子ビットの測定では、従来の測定方法でQND測定を行い、高速QND測定を行う上での問題の抽出を行う。またJPAとSiスピン量子ビットの間で動作条件の擦り合わせを検討する。