イオントラップ量子コンピュータは、均一な量子ビットを環境から孤立して準備し、世界で最も高い精度で制御された量子コンピュータです。しかしながら、少ないイオン数で効率的に誤り耐性操作を実現するには、さらなる高精度制御を実現しなければなりません。そのため、本テーマでは、クライオイオントラップ技術とさらにその応用として超伝導マイクロ波回路を用いた超伝導回路イオントラップの開発を行います。極低温下でのイオントラップは、電気ノイズや真空度の改善により高性能イオントラップの舞台として研究がなされてきました。さらに超伝導マイクロ波回路技術を取り入れることで、低消費電力・高精度動作を両立する高性能イオントラップシステムを構築します。

②レーザーアブレーションによる安定原子源の開発

低温環境では、レーザーアブレーションと呼ばれる手法による低加熱の原子源が利用されています。しかし、レーザーアブレーションでは安定した原子フラックスを実現することが難しいという課題がありました。そこで、他の原子種で実績のある誘電体を用いたアブレーションに着目し、ナノ秒紫外レーザーと酸化ベリリウムを用いたベリリウムの安定原子源を作製しました。図２にはこの原子源によって生成されたベリリウムイオンのスペクトルを示します。

③イオン制御用超伝導回路の開発

トラップイオンの量子ビットをマイクロ波で制御するための小型超伝導回路を開発しました。低消費電力で大きなマイクロ波磁場を実現するため、

• 大きな静電容量を持つ低インピーダンス共振器
• トラップ電極に集積化できる低フットプリント
• ４－６Kでの高いQ値

を合わせ持つニオブ製櫛型超伝導回路を図３に示します。さらにマイクロ波印加による特性の評価から、超伝導表面の波磁場が性能を律速していることを明らかにしました。

④フリップチップ実装技術の開発

超伝導回路はシリコン基板上に2次元に集積化されています。2次元回路でイオンへの強い閉じ込めと強いマイクロ波磁場を実現するため、フリップチップと呼ばれる方法による3次元実装を用います。そのための基板加工技術や組み立て技術を開発しました。図４ではフリップチップ実装された超伝導回路を示します。