超伝導量子コンピュータは原子・イオンに比べて3桁高速な利点を有しますが、膨大な配線数など集積化には限界があります。本プロジェクトでは、超伝導量子ビットを光量子で接続する量子インターフェースを開発し、大規模な光超伝導ハイブリッド量子コンピュータの実現を目指します。本研究開発テーマでは、その構成部品となるピエゾマイクロ波共振器の開発を行います（図１）。これまでに、ダイヤモンド表面弾性波素子による音子（弾性波）生成、その音子によるNV中心量子メモリの量子操作に成功しました。また、マイクロ波光子を効率的に音子に変換するのに必要十分な性能のマイクロ波共振器も開発しました。

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を、ピエゾ効果を介して高効率で音子に変換するためにはQ値が1万以上かつ周波数可変のマイクロ波共振器が必要となります。更に力学的インダクタンスという超伝導体固有のインダクタンスを活用すること、また共振器へのラダー構造の導入により、高インピーダンスかつ低磁場（~1 mT）で周波数を4%調整可能という理想的な特性をもつマイクロ波共振器の開発に成功しました（図２）。並行して弾性波と量子メモリがコヒーレントに相互作用することの検証や、マイクロ波―光変換効率を10倍以上向上させる可能性のある新規色中心NV0の量子操作の研究も大きく進展しました。

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100 GHzの密度変調されたSFQパルス列を発生し、超伝導フィルタで5 GHzのマイクロ波パルスを生成します（図３）。これまでに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

超伝導量子ビットから光子量子ビットへの量子メディア変換について、変換効率の向上という観点から理論研究を行いました。マイクロ波信号を共振器が完全吸収するための理論を見直し、改良することで、当初の想定よりもはるかに短い導波路で超伝導量子ビット－インターフェース間をつないで（図４）、信号を高効率変換させる手法を示しました。そして、インターフェースがマイクロ波信号を完全吸収できれば、効率が10%を超え得ることを確認しました。また、導波路の短縮が可能になったことで、将来的なインターフェースの集積性を向上させることができました。