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）。本研究開発項目では、ダイヤモンド表面弾性波素子に単一窒素空孔（NV）中心を組み込んだピエゾマイクロ波共振器の作製に成功し、マイクロ波から通信用光子への量子変換に成功しました。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。最終的なデバイスへ到達するための前段階として、AlN/ダイヤモンド基板上に形成した微小モード体積表面弾性波デバイス（図２）を利用し、モード体積の縮小に伴う音子とNV中心との相互作用効率の増大に成功しました。さらに、マイクロ波共振器や光共振器と音共振器を統合することで、高いマイクロ波―光変換効率を実現する3次元ハイブリッド実装光ファイバーアレイモジュールを作製し、10mKの極低温動作に向けた評価を行いました（図２）。

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が見込まれる「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への通信波長帯でのドライブ光照射が必須ですが、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５つのマイクロ波帯線形振動子の結合系に対応させることができます。この５振動子結合系に入出力理論を適用することにより，コヒーレント変換効率を見積りました。デバイスの内部ロスが無い理想系では効率96％、内部ロスありの場合には効率25％と見積られました（図４）。