本プロジェクトでは、超伝導量子などから放出されるマイクロ波光子を通信用の光量子に変換する量子インターフェースを開発しています（図１）。特に本研究開発項目では、ダイヤモンドNV中心と音・光共振器との相互作用効果の観測、ダイヤモンド光共振器の光導波路回路チップへの集積と単一モード光ファイバへの低温下での取り出しに成功しました（図2）。また、量子コンピュータの大規模化に不可欠な膨大な数の配線を削減すべく、量子インターフェース（量子IF）を含む量子集積回路を極低温において量子制御するための単一磁束量子（SFQ）回路の開発に成功しました。さらに、入出力理論に基づく量子IFの量子変換効率の詳細設計に成功しました。

研究開発課題１：ピエゾマイクロ波共振器の研究開発

超伝導量子ビットから放出されたマイクロ波光子はピエゾ効果を介して音子に変換されます。得られた音子とダイヤモンド色中心を高効率で相互作用させるためには、音子を1波長程度もしくはそれ以下の、極めて小さい領域に閉じ込める微小モード体積共振器が必要になります。本研究では、ダイヤモンドを微細加工して作製した波長程度（~1 μm）の大きさのナノビーム構造に振動を励振し、NV中心と音子の間の相互作用の観測に成功しました。更に、量子IFの実現に向けてダイヤモンド光共振器の光導波路回路チップへの集積に成功しました（図2）。このデバイスを用いて、低温で、NV中心と光共振器の相互作用効果のファイバを介した観測に成功しましたが、これは量子IFの実証に向けた重要な一歩となる成果です。

研究開発課題２：量子制御電子集積回路の研究開発

量子回路を極低温において高速かつ高忠実に量子制御するために、任意振幅のマイクロ波を発生することができる超伝導マイクロ波パルス発信器を開発しました。単一磁束量子（SFQ）回路を用いて5 GHzのSFQパルス列を発生し、超伝導フィルタで振幅が可変な5 GHzのマイクロ波パルスを生成しました（図３）。また、SFQマイクロ波パルス発生器の極低温動作のための低電力SFQセルライブラリを構築しました。

研究開発課題３：量子インターフェースの理論研究

本プロジェクトで作製している「マイクロ波共振器、フォノン共振器、ダイヤモンドNV中心、光共振器」の４量子結合デバイスを用いて、超伝導量子ビットから放出されるマイクロ波帯光子を、長距離伝搬に適した通信波長帯光子へとコヒーレントに変換する過程について、理論解析を行いました。本デバイスでは光共振器に対し通信波長帯でのドライブ光を照射しますが、ドライブ周波数での回転座標系へと移行することにより、本デバイスを現象論に記述する５振動子結合モデル（図４）を導出し，最適ドライブ強度の解析的表式を導出しました。また、４量子結合デバイスに入出力理論を適用して全量子的な解析を行うことにより、本デバイスの性能指標を見積もり次の値を得ました：全変換効率30.0%，コヒーレント変換効率（干渉性を失わない変換効率）27.5%，暗計数確率1.24%。