外部磁場を必要としない新型超伝導磁束量子ビットを世界で初めて実現
～量子コンピュータの小型化に貢献する素子応用を拓く～

【ポイント】

【背景】

表1 代表的な超伝導量子ビットの特性

【今回の成果】

今回、我々はシリコン基板上に結晶成長させた窒化ニオブを用いた窒化物超伝導量子ビットの技術（2021年9月20日NICT報道発表）と、π接合の技術（2017年11月15日NICT報道発表）を組み合わせ、π接合を持つ磁束量子ビットを作製し、世界で初めてゼロ磁場で最適動作することを実証し、そのコヒーレンス時間の測定に成功しました。
　これまでの研究では、カールスルーエ工科大学（ドイツ）のUstinov教授研究チームのFeofanovらがNb/AlOx/Nbジョセフソン接合とNb/CuNi/Nbπ接合により構成された位相量子ビット^*6において4ナノ秒のコヒーレンス時間を報告[4]しているほか、同チームのShcherbakovaらが磁束量子ビットへのπ接合導入を試みましたが、量子ビット動作は確認されず、コヒーレンス時間の測定には至りませんでした[5]。
　我々は、CuNiよりも安定したπ状態を維持できるPdNiを採用し、NbN電極上にπ接合を形成しました。さらに、NICTが開発したNbN/AlN/NbNジョセフソン接合とNTTが開発した3次元共振器用の磁束量子ビットの最適デザインを組み合わせ、ゼロ磁場で最適動作する新型超伝導磁束量子ビットを作製しました（図2参照）。NTTの長寿命量子ビット測定系を用いた測定の結果、ゼロ磁場が最適動作点であることを確認し、1.45マイクロ秒のコヒーレンス時間を観測しました（図3参照）。これは、従来のπ接合を組み込んだ位相量子ビットと比べて360倍のコヒーレンス時間の改善となります。一方で、π接合を持たない従来の磁束量子ビットでは16マイクロ秒のエネルギー緩和時間が得られており（2021年9月20日NICT報道発表を参照）、現状のNbN/PdNi/NbN積層構造によるπ接合はコヒーレンス時間の改善という課題があることも世界で初めて明らかにしました。
　今回の成果は、外部磁場が不要で、マイクロ秒オーダーのコヒーレンス時間を持つ磁束量子ビットを世界で初めて実現したもので、量子ビットを含む様々な量子回路の微細化・集積化に重要な技術であり、外部磁場が不要になることで、回路の簡素化や省エネ、コスト削減に貢献するものです。

図2 (a) 開発された新型超伝導磁束量子ビットの光学顕微鏡写真。ジョセフソン接合（JJ）、π接合、ビアホール部分が紫、黄、青の擬似カラーで示され、右の回路構成図には、三つのジョセフソン接合（×、紫色）とπ接合（＊、黄色）が表示されている。
(b) 全窒化物超伝導体で構成されたジョセフソン接合の構造
(c) 窒化ニオブ（NbN）ベース電極上に形成されたπ接合の構造

図3 (a) 新型超伝導磁束量子ビットの基底状態から励起状態への遷移周波数の磁場依存性を表すマイクロ波分光スペクトラム。矢印は遷移周波数の最低点でもある磁束量子ビットの最適動作点を表す。従来の磁束量子ビットは最適動作点が0.5Φ₀で現れるが、新型超伝導磁束量子ビットはゼロ磁場（0Φ₀）で現れるのが特徴である。
(b) エネルギー緩和時間T₁＝1.45µsを示すコヒーレンス時間の測定結果

【今後の展望】

今後、コヒーレンス時間の更なる延伸、将来的な大規模集積化を見据えた素子特性の均一性の向上を目指して、回路構造や作製プロセスの最適化に取り組み、従来のアルミニウムベース量子ビットの性能を凌駕する量子ハードウェアの新しいプラットフォームの構築を目指します。π接合の材料、構造を改良することで、より長いコヒーレンス時間を持ちながらゼロ磁場で動作可能なπ接合磁束量子ビットを開発することができれば、量子コンピュータチップを含む様々な量子において必須の構成要素となる可能性があります。

＜各機関の役割分担＞

＜論文情報＞

掲載誌: Communications Materials
DOI: 10.1038/s43246-024-00659-1
URL: https://doi.org/10.1038/s43246-024-00659-1
論文名: Superconducting flux qubit with ferromagnetic Josephson π-junction operating at zero magnetic field
著者: Sunmi Kim, Leonid V. Abdurakhimov, Duong Pham, Wei Qiu, Hirotaka Terai, Sahel Ashhab, Shiro Saito, Taro Yamashita, and Kouichi Semba

＜関連する過去の報道発表＞

なお、本研究の一部は、科学技術振興機構 JST-CREST 「超伝導量子メタマテリアルの創成と制御」（研究課題番号: JPMJCR1775、研究代表者: 仙場 浩一）、科研費（JP19H05615）、JST ERATO（JPMJER1601）と一部MEXT Quantum Leap Flagship Programs（JPMXS0120319794とJPMXS 0118068682）の助成を受けて行われました。

＜用語解説＞

^*1超伝導磁束量子ビット
量子ビット（量子コンピュータで使われる量子情報を扱う基本素子）の一種で、ジョセフソン接合^*3を含む超伝導ループから構成される。0と1の重ね合わせの状態は、磁束で誘導される超伝導ループ内の永久電流（例えば、右回りの電流を0状態としたら、左回りの電流は1状態を表す。）によって実現される。

^*2π接合
π接合は超伝導体（S）間に強磁性体（F）を挟んだ構造を持つ特殊なジョセフソン接合^*3で、ジョセフソン電流バイアスがゼロの時、位相差が通常のジョセフソン接合の0ではなく、180度（π）になることが特徴である。この位相のシフトにより、ジョセフソンπ接合は、超伝導回路や量子ビットに半磁束量子に相当する磁場印加と同じ効果をもたらす。

^*3ジョセフソン接合
二つの超伝導電極（S）を極薄の絶縁体（I）あるいは常伝導金属薄膜で隔てた構造の接合（ジョセフソン接合）を持つ素子をジョセフソン素子と呼び、超伝導電極間のトンネル効果によって電気抵抗ゼロ（ゼロ電圧）の電流（ジョセフソン電流I_S）が流れる。このジョセフソン電流の大きさは、両超伝導電極の巨視的位相の差（Φ）によって決まるため（直流ジョセフソン効果）、逆に、ジョセフソン素子にどれだけ電流を流すかで超伝導電極間の巨視的位相を制御することができる。超伝導量子ビットを始めとする多くの超伝導デバイスは、このジョセフソン素子による巨視的位相制御を基本動作原理としている。

^*4非調和性
超伝導量子ビットの基底状態と励起状態のエネルギー差が次のエネルギー準位と異なるという性質のこと。基底状態|0>と第一励起状態|1>のエネルギー差（E₀₁）と次のエネルギー準位|2>間のエネルギー差（E₁₂）の違い（E₁₂-E₀₁）を表す。

^*5トランズモン量子ビット
超伝導量子ビットの一種で、一つもしくは二つのジョセフソン接合で構成される量子ビットに大きなキャパシタンスを持つコンデンサ（シャントキャパシタとも呼ばれる。）を結合させた回路構造で、帯電エネルギーを小さくすることで電荷ノイズに耐性を持ち、コヒーレンス時間を改善させた量子ビットである。

^*6位相量子ビット
超伝導量子ビットの一種で、比較的大きいジョセフソン接合で構成され、帯電エネルギー（E_c）に対するジョセフソンエネルギー（E_j）の比を10⁶程度に大きくした回路設計が特徴であり、ジョセフソン接合の電圧と電流の位相差を利用して、量子ビットの状態を操作する量子ビットである。

＜参考文献＞

^[1]C. Wang et al., "Towards practical quantum computers: transmon qubit with a lifetime approaching 0.5 milliseconds", npj Quantum Inf. 8, 3 (2022).

^[2]S. Kim et al., "Enhanced-coherence all-nitride superconducting qubit epitaxially grown on Si substrate", Commun. Mater. 2, 98 (2021).

^[3]L. V. Abdurakhimov et al., "A long-lived capacitively shunted flux qubit embedded in a 3D cavity", Appl. Phys. Lett. 115, 262601 (2019).

^[4]A. K. Feofanov et al., "Implementation of superconductor/ferromagnet/superconductor π-shifters in superconducting digital and quantum circuits", Nat. Phys. 6, 593-597 (2010).

^[5]A. V. Shcherbakova et al., "Fabrication and measurements of hybrid Nb/Al Josephson junctions and flux qubits with π-shifters", Supercond. Sci. Technol. 28, 025009 (2015).