国立大学法人東海国立大学機構 黑料网大学院工学研究科の山下 太郎 准教授は、国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT）と、国立研究開発法人産業技術総合研究所と共同で、超伝导材料にアルミニウムを使用しない超伝导量子ビット*1として、シリコン基板上のエピタキシャル成长*2を用いた窒化物超伝导量子ビットの開発に世界で初めて成功しました。この量子ビットは、超伝导体として超伝导転移温度が16 K（-257 ℃）の窒化ニオブ（NbN）*3を电极材料とし、ジョセフソン接合*4の絶縁层に窒化アルミニウム（础濒狈）を使用しエピタキシャル成长させた全窒化物の素子であり、ノイズ源である非晶质*5の酸化物を一切含まない新しい超伝导材料から成る新型量子ビットです。今回、この新材料量子ビットをシリコン基板上に実現することで、平均値としてのエネルギー緩和時間（T1）*6が16マイクロ秒と位相缓和时间（罢2）*6が22マイクロ秒のコヒーレンス时间*7が得られました。これは、従来の酸化マグネシウム基板上の窒化物超伝导量子ビットの場合と比べてT1は約32倍、T2は約44倍に相当します。
超伝导体として窒化ニオブを使うことで、より安定に動作する超伝导量子回路の構築が可能となり、量子演算の基本素子として、量子コンピュータや量子ノード*8の开発への贡献が期待されます。今后、回路构造や作製プロセスの最适化に取り组み、更なるコヒーレンス时间の延伸、大规模集积化の実现に向けて研究开発を进めていく予定です。
なお、本成果は、2021年9月20日（月）18:00（日本時間）に、世界的に権威のあるNature Research出版社の専門誌「Communications Materials」に掲載されました。
■ 超伝导転移温度16 Kの窒化ニオブを用いて、シリコン基板上に窒化物超伝导量子ビットを実現
■ 低损失なシリコン基板上への作製技术を开発し、コヒーレンス时间が大きく改善
■ 大规模量子コンピュータや量子ノードへの応用に期待
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*1 超伝导量子ビット
量子ビット（量子コンピュータで使われる量子情報の最小単位）の一種で、0と1の重ね合わせの状態を、超伝导体で構成される量子回路で実現する量子ビットが超伝导量子ビットである。
*2 エピタキシャル成長
エピタキシャル成長（Epitaxial growth）は、薄膜結晶成長技術の一つで、基板上に結晶面をそろえて配列する成膜法である。NbNのエピタキシャル成長には、格子定数がほぼ等しいMgO単結晶の基板を使うのが一般的だが、MgO基板はマイクロ波転送の際に誘電損失が大きいため、量子ビット作製に使うのは望ましくない。参考としてMgOの格子定数は0.421 nm、NbNの場合は0.446 nmである。高抵抗のSi基板の場合は誘電損失が一桁小さく量子ビット作製に向いているが、その格子定数（0.542 nm）がNbNとは大きく違うため、Si基板上でのエピタキシャル成長には難点があった。しかし、NICTではSi基板とNbN薄膜の間にMgO基板と格子定数がほぼ同じであるTiN（格子定数0.424 nm）をバッファ層として使うことで、Si基板上でのNbNのエピタキシャル成長技術を開発し、量子ビットに応用できるようになった。
*3 窒化ニオブ（NbN）
超伝导転移温度以下の温度において、電気抵抗がゼロとなる超伝导状態を発現する材料の一つ。ニオブ（Nb）と窒化ニオブ（NbN）の超伝导転移温度は、それぞれ約9 K（-264 ℃）と16 K（-257 ℃）である。超伝导転移温度が高い窒化ニオブの方が、冷却に必要な電力が小さくて済むという利点がある。
*4 ジョセフソン接合
二つの超伝导電極を極薄の絶縁体あるいは常伝導金属薄膜で隔てた構造を持つ素子をジョセフソン素子と呼び、超伝导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）が流れる。このジョセフソン電流の大きさは、両超伝导電極の巨視的位相の差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导電極間の巨視的位相を制御することができる。超伝导量子ビットをはじ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視的位相制御を基本動作原理としている。
*5 非晶質
结晶质でないこと。固体の原子?分子などの配列に规则性が认められないもので、无定形物质、アモルファスとも呼ばれる。
*6エネルギー缓和时间（罢1）と位相缓和时间（罢2）
量子ビットのコヒーレンス时间には、エネルギー缓和时间（罢1）と位相缓和时间（罢2）と呼ばれる量子ビットのダイナミックスを特徴付ける2种类の时间が知られている。エネルギー缓和时间罢1は、基底状态（触0&驳迟;）にある量子ビットに&辫颈;パルスと呼ばれるマイクロ波パルスを照射して得られる励起状态（触1&驳迟;）が、エネルギーを放出して基底状态触0&驳迟;に缓和する过程を表す时间である。量子ビットが励起状态触1&驳迟;に见いだされる确率は、时间に対して指数関数的に减衰し、その时定数が罢1である。罢2は、位相缓和时间又は横缓和时间と呼ばれるもので、&辫颈;/2パルスと呼ばれるマイクロ波パルスで触0&驳迟;状态と触1&驳迟;状态の重ね合わせ状态を作り、その位相が缓和して量子ビットが量子コヒーレンスを失うまでの时间のことである。
*7 コヒーレンス時間
量子重ね合わせ状态の寿命のこと。量子的に重ね合わせられた二つの状态の间で干渉が続く时间のことであり、干渉が消えると量子重ね合わせ状态は失われ、粒子の状态は一つに确定する。
*8 量子ノード
量子情报の长距离通信は、光ファイバの光通信技术で可能になり、これにより、量子ネットワークを构筑することができる。しかし、通信距离が长くなると光信号が弱くなり、量子雑音などにより通信速度に制限がかかることが课题である。その问题を解决するため、このネットワークの中継点（ノード）に光信号の量子的な性质を自由に计测?制御?保存できるようにするのが量子ノードである。量子ノードは、使用目的によって一つの量子ビットから多くの量子ビットで构成される量子プロセッサが必要である。
掲載誌: Communicationｓ Materials
DOI: 10.1038/s43246-021-00204-4
URL:
論文名: Enhanced coherence of all-nitride superconducting qubit epitaxially grown on silicon substrate
著者: Sunmi Kim, Hirotaka Terai, Taro Yamashita, Wei Qiu, Tomoko Fuse, Fumiki Yoshihara, Sahel Ashhab, Kunihiro Inomata, Kouichi Semba
