Large-scale superconducting spintronics quantum computing circuits toward the realization of quantum supremacy

大规模超导自旋电子学量子计算电路实现量子霸权

• 批准号: 19H05615
• 负责人: 山下 太郎
• 金额: $ 130.29万
• 依托单位: Tohoku University (2022-2023)Nagoya University (2019-2021)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-06-26 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19H05615/
• 关键词: 超伝導; 量子回路; ジョセフソン接合; スピントロニクス; モノリシック

本年度は、π接合量子回路及びモノリシック回路、低消費電力な制御回路の全ての研究項目について、数々の重要な進展が得られた。まずπ接合量子ビット・量子回路について、材料・プロセス面からの検討を進めていたが、従来よりも素子作製マージンや均一性の観点から優れたNbN/PdNi/NbN接合（本年度論文発表）をπ量子ビットに導入し、昨年度判明したCuNi接合のプロセス困難性を克服した結果、世界で初めて全窒化物型のπ量子ビットの動作実証に成功し、これまで報告されていたNb系π量子ビットに対し、250倍の改善となる約1マイクロ秒の量子寿命を達成した。素子作製のやや遅延のため、年度当初の目標だった2量子ビットゲート実証には至っていないものの、既にビット間結合を備え、量子アルゴリズムSimultaneous Quantum Messages Protocolsを実装した多量子ビット（4-20量子ビット）量子回路の作製が完了しており評価を進めている。また、制御回路用グラウンドプレーン層を有するモノリシックプロセスの構築を完了し、π量子ビットと制御回路をオンチップ実装したモノリシックチップを作製しπシフト動作実証まで成功した。構築したプロセスを用い、低消費電力な制御回路として、低臨界電流密度を有する量子ビット制御回路を開発し、希釈冷凍機内でのミリケルビン温度下での正常動作に成功、安定した信号出力を確認した。さらに、究極的な低消費電力性を示す半磁束量子（HFQ）回路についても、窒化物ベースHFQ回路において世界に先駆けて明瞭な半磁束量子動作を実証した他、NbN/AlN/PdNi/NbN構造π接合によるトグルフリップフロップ回路の作製も行い、正常な分周動作実証にも成功した。以上のように、最終年度における目的達成に向け重要となる各基盤技術について多数の研究成果が得られた。

今年，π结量子电路、单片电路、低功耗控制电路等所有研究课题都取得了多项重要进展。首先，我们一直在研究π结量子位和量子电路，从材料和工艺方面介绍了量子位和去年的成果。由于克服了上述CuNi键合的工艺困难，我们在世界上首次成功演示了全氮化物型π量子位的运行，这比之前报道的铌基量子位提高了250倍π-量子位的量子寿命达到了约 1 微秒。由于器件制造略有延迟，我们未能展示 2 量子位门，这是我们在 2018 财年的最初目标。不过，我们已经实现了多量子位（4-20 量子位）的制造量子电路已经完成，评估正在进行中。此外，我们还完成了用于控制电路的具有接地平面层的单片工艺的构建，制造了片上安装π量子位和控制电路的单片芯片，并成功演示了π移位操作。利用所开发的工艺，我们开发了一种具有低临界电流密度的量子位控制电路作为低功耗控制电路，并在稀释制冷机中成功地在毫开尔文温度下正常工作，并确认了稳定的信号输出。此外，对于具有终极低功耗的半通量量子（HFQ）电路，我们在世界上首次在氮化物基HFQ电路中演示了清晰的半通量量子操作，并且我们还演示了NbN/AlN/PdNi /NbN 结构。我们还使用 π 结制作了切换触发器电路，并成功演示了正常的分频操作。如上所述，对于实现最后一年的目标至关重要的每一项基础技术都取得了大量的研究成果。

项目成果

Hexagonal boron nitride as a low-loss dielectric for superconducting quantum circuits and qubits

六方氮化硼作为超导量子电路和量子位的低损耗电介质

• DOI: 10.1038/s41563-021-01187-w
• 发表时间: 2021-08-31
• 期刊: Nature Materials
• 影响因子: 41.2
• 作者: J. Wang;M. Yamoah;Qing Li;Amir H. Karamlou;T. Dinh;B. Kannan;Jochen Braumueller;David K. Kim;A. Melville;Sarah E. Muschinske;B. Niedzielski;K. Serniak;Youngkyu Sung;R. Winik;J. Yoder;M. Schwartz;Kenji Watanabe;T. Taniguchi;T. Orl;o;o;S. Gustavsson;P. Jarillo;W. Oliver
• 通讯作者: W. Oliver

Fabrication Process for Monolithic Integration of a Nitride Superconductor-Based Superconducting Qubit with a Single Flux Quantum Control Circuit

具有单通量量子控制电路的基于氮化物超导体的超导量子位的单片集成制造工艺

• DOI: 10.1109/tasc.2023.3241270
• 发表时间: 2023
• 影响因子: 1.8
• 作者: Miyajima Shigeyuki;Yamashita Taro;Tanaka Masamitsu;Takeuchi Naoki;Inomata Kunihiro;Terai Hirotaka
• 通讯作者: Terai Hirotaka

Low-power high-speed half-flux-quantum circuits driven by low bias voltages

由低偏置电压驱动的低功耗高速半通量量子电路

• DOI: 10.1088/1361-6668/abcaac
• 发表时间: 2021
• 影响因子: 3.6
• 作者: Feng Li; Yuto Takeshita; Daiki Hasegawa; Masamitsu Tanaka; Taro Yamashita;Akira Fujimaki
• 通讯作者: Akira Fujimaki

新規量子デバイス創出に向けた超伝導スピントロニクス技術

用于创建新量子器件的超导自旋电子学技术

• 发表时间: 2022
• 作者: 山下太郎

Fabrication Process for Monolithic Integration of Nitride Superconductor-Based Superconducting Qubit with Single Flux Quantum Control Circuit

具有单通量量子控制电路的基于氮化物超导的超导量子位的单片集成制造工艺

• 发表时间: 2022
• 作者: Shigeyuki Miyajima; Taro Yamashita; Masamitsu Tanaka; Naoki Takeuchi; Kunihiro Inomata;Hirotaka Terai
• 通讯作者: Hirotaka Terai