Ultra-high precision control of bosonic states in superconducting resonators with second-order nonlinear effects

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本研究はボゾニック符号により保護された高精度制御可能な量子ビットを超伝導回路により実現することを目指すものである。この目標達成のため取り組んだ結果これまでに得られた研究実績を以下の通り報告する。まず、化学的に安定な超伝導薄膜として知られるシリコン基板上に高温製膜した窒化チタン(TiN)薄膜を用いて超伝導２次元共振器及びトランズモン型量子ビットの作製を行った。作製の際には電極パターンを形成する際のドライエッチング条件について、表面粗さを測定しながら最適化を行った。その後の基板洗浄プロセスについてもアッシング(有機物除去)とフッ酸溶液による洗浄(酸化物除去)を取り入れることで両素子のエネルギー緩和時間として100μsを超える値を達成した。この結果は超伝導回路の分野において、世界的にみても最も性能が高いグループに属する結果である。次に、上記で最適化を行ったTiN薄膜を用いたプロセスにより、2次元共振器と2次の非線形性を持つ超伝導量子ビットの結合系を作製した。この結合系を用い、2次の非線形性に特有な共振器と量子ビットの間1光子交換及び、共振器と量子ビットが同時に励起する2種類の遷移を観測し、量子ビットの状態に応じた共振器状態の制御を行うことができた。以上の結果については日本物理学会の春・秋それぞれの大会において口頭発表を行った。さらに、上記の研究過程において超伝導量子ビット間や超伝導共振器間の結合を磁場の自由度(=SQUID)を用いずに制御する手法を開発し、論文として公開した。