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。

①クライオイオントラップの開発

低振動型冷凍機を用いて、クライオイオントラップを開発しました。イオントラップのための電極を極低温環境下に置くことで、イオンに対する電場雑音を低減することができます。さらに超伝導技術を導入し、捕獲のための大振幅RFを超伝導共振器によって実現しました。高いQ値を持つ超伝導共振器を使って増幅することで、小さなRF入力でイオンを捕獲することができます。これは、低温環境への熱負荷を減らすことや、大規模なイオントラップ系を低温環境下で実現するための重要な技術となります。この技術により、これまでにくらべて１桁から２桁程度小さなRF強度でイオンを捕獲することができました。図２にこの技術によって捕獲されたイオンの蛍光画像を示します。

②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。この回路の高強度特性と数値シミュレーションにより、既存の方法に比べて数倍高速な量子ゲートを500分の1のMW強度で可能であることがわかりました。