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

使用约瑟夫森参量放大器高速测量硅自旋量子位

• 批准号: 22H01160
• 负责人: 小林 嵩
• 金额: $ 11.65万
• 依托单位: Institute of Physical and Chemical Research
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01160/
• 关键词: 実験; 量子情報; シリコンスピン量子ビット; ジョセフソンパラメトリック増幅器; 高速測定; 超伝導増幅器; 半導体スピン量子ビット; シリコン; フィードバック; ジョセフソン接合

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。

硅（SI）旋转量子位是实现大型量子计算机的有前途的候选人，因为它们有时间持有量子信息并可以利用现有的制造技术。在本研究主题中，我们将尝试应用极低的噪声Josephson参数放大器（JPA），以实现使用Si Spin Qubits实现量子误差校正代码所需的高速测量。到目前为止，JPA一直用于测量超导量子台，但是由于测量频率和功率的差异，需要使用特殊设计来测量SI自旋Qubits。因此，今年我们研究了JPA的设计和表征，（2）JPA的制造以及（3）JPA的性能评估。此外，随着研究的进行，很明显，改进SI自旋量子量量子方面的测量技术也很重要，因此（4）进行了SI自旋Qubits的测量，并积累了有关实施高速QND测量的知识。 （1）在JPA设计和表征中，构建了JPA特性的分析模型，并且可以用大约500 MHz的频率放大信号的设备，并且在SI自旋量子量值测量中使用的-100 dbm的功率为-100 dbm。基于此，将设计JPA设备。 （2）在JPA的制造中，制造了（1）中设计的JPA设备。在此设备中，有必要在单独的过程中实现具有阳极氧化的临界电流密度和本机氧化交界的连接点。因此，需要专门的过程并进行开发。 （3）在对JPA的性能评估中，检查了在稀释的冰箱温度下生产的设备的特性。此外，根据测量结果，将修改JPA设计以提高特征。 （4）在测量Si自旋Qubits时，使用常规测量方法进行QND测量，并提取进行高速QND测量时的问题。我们还将考虑调整JPA和SI自旋量子位之间的工作条件。

项目成果

Proof-of-Concept Experiment on a Wideband Microwave Gyrator with Two Superconductor-Insulator-Superconductor-Based Mixers

具有两个基于超导体-绝缘体-超导体的混频器的宽带微波回转器的概念验证实验

• DOI: 10.1109/tasc.2023.3258368
• 发表时间: 2023
• 期刊: IEEE Transactions on Applied Superconductivity
• 影响因子: 1.8
• 作者: Masui Sho;Kojima Takafumi;Uzawa Yoshinori;Makise Kazumasa;Ogawa Hideo;Onishi Toshikazu
• 通讯作者: Onishi Toshikazu

2030年代のミリ波サブミリ波電波天文学に向けたSISデバイスの研究と高感度受信機の開発

2030年代毫米波和亚毫米波射电天文SIS装置的研究和高灵敏度接收机的开发

• 发表时间: 2023
• 作者: 小嶋 崇文，牧瀬 圭正，江崎 翔平;田村 友範;宮地 晃平;単 文磊，金子 慶子;坂井 了;今田 大皓;上水 和典;増井 翔;鵜澤 佳徳
• 通讯作者: 鵜澤 佳徳

Development of an SIS Mixer-Based Low-Noise Amplifier Amenable to Josephson Oscillator Pumping

开发基于 SIS 混频器的低噪声放大器，适合约瑟夫森振荡器泵浦

• DOI: 10.1109/tasc.2023.3254496
• 发表时间: 2023
• 期刊: IEEE Transactions on Applied Superconductivity
• 影响因子: 1.8
• 作者: Uzawa Yoshinori;Kojima Takafumi;Makise Kazumasa;Kawakami Akira;Kozuki Yuto;Masui Sho;Shan Wenlei
• 通讯作者: Shan Wenlei