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～

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～

2024年10月15日 14:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇大学院工学研究科　教授　山下太郎

【発表のポイント】

コイルなどの补助回路を必要とせず、ゼロ磁场で最适动作できる新型の超伝导磁束量子ビットを开発
强磁性ジョセフソンπ接合を持つ超伝导量子ビットとしては最も优れたコヒーレンス时间を达成
量子コンピュータの小型化を実现する量子素子への応用に期待

【概要】

国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT(エヌアイシーティー)、理事長: 徳田英幸）は、日本電信電話株式会社（NTT、代表取締役社長: 島田明）、国立大学法人东北大学大学院工学研究科（工学研究科長: 伊藤彰則）、国立大学法人東海国立大学機構名古屋大学（総長: 杉山直）と共同で、ゼロ磁場で動作する新型超伝導磁束量子ビット^*1の开発に成功しました。

超伝导磁束量子ビットには、従来、コイル等の补助回路で発生させた外部磁场が必须でした。今回开発した强磁性体を使ったジョセフソンπ接合^*2による超伝导磁束量子ビットは、コイル等を必要とせず、外部磁场印加と同等な超伝导の位相を反転させる机能を确认しました。さらに、π接合を组み込んだ量子ビットの中では最长クラスのコヒーレンス时间を达成しました。量子ビットの寿命はマイクロ秒の范囲ですが、今后、π接合の材料を更に改良することで、このπ接合やゼロ磁场で动作可能な磁束量子ビットは、量子コンピュータに欠かせない高机能な量子素子の必须要素となる可能性があります。

本成果は、2024年10月11日（金）に、英国科学雑誌「Communications Materials」に掲载されました。

図1 従来型と新型の超伝導磁束量子ビット回路の概念図: (a) 従来型磁束量子ビットは、三つのジョセフソン接合（JJ、×、黒色）を含む超伝導ループで構成され、基底状態|0>と励起状態|1>の重ね合わせ状態で最適動作させるためには、外部磁場の印加が必要である。 (b) 一方、π接合（π-JJ、＊、赤色）を用いた新型磁束量子ビットでは、外部磁場なしで自発的に最適動作点に達する。

【用语解説】

*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报を扱う基本素子）の一种で、ジョセフソン接合*3を含む超伝导ループから构成される。0と1の重ね合わせの状态は、磁束で诱导される超伝导ループ内の永久电流（例えば、右回りの电流を0状态としたら、左回りの电流は1状态を表す。）によって実现される。

*2 π接合
π接合は超伝导体（厂）间に强磁性体（贵）を挟んだ构造を持つ特殊なジョセフソン接合^*3で、ジョセフソン电流バイアスがゼロの时、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、超伝导回路や量子ビットに半磁束量子に相当する磁场印加と同じ効果をもたらす。

*3 ジョセフソン接合
二つの超伝导电极（厂）を极薄の絶縁体（滨）あるいは常伝导金属薄膜で隔てた构造の接合（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、超伝导电极间のトンネル効果によって电気抵抗ゼロ（ゼロ电圧）の电流（ジョセフソン电流滨_S）が流れる。このジョセフソン电流の大きさは、両超伝导电极の巨视的位相の差（?）によって决まるため（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电流を流すかで超伝导电极间の巨视的位相を制御することができる。超伝导量子ビットを始めとする多くの超伝导デバイスは、このジョセフソン素子による巨视的位相制御を基本动作原理としている。

【论文情报】

タイトル：Superconducting flux qubit with ferromagnetic Josephson ?-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
掲載誌：Communications Materials
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