成果概要
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ネットワーク型量子コンピュータによる量子サイバースペース[4] 超伝導ネットワーク型技術
2025年度までの進捗状況
1. 概要
本研究開発項目では、超伝導方式量子コンピュータのネットワーク化および分散による大規模化に必要不可欠な「量子トランスデューサー」の実現を目指して取り組んでいます。量子ビットの量子情報を担うマイクロ波光子を、極低温環境において光波長の光子に変換するための基盤技術として、ダイヤモンド中の窒素空孔中心（NV中心）の電子スピンを媒介としたトランスデューサーの開発を進めてきました。
この達成に向けて、バルクダイヤモンド結晶を含んだ光共振器の実装、極低温における光共振器の安定動作、およびマイクロ波共振器との複合化等の挑戦的課題に取り組んでいます。これらの課題を達成するために、振動が非常に低レベルで特殊な仕様の冷凍機を考案・設計して使用しています。
2. これまでの主な成果
- ① 無冷媒希釈冷凍機中に設置した光共振器を極低温においても安定的に動作させることに成功しました。
- ② 反射防止膜および高反射膜を施したバルクダイヤモンド結晶が共振器中に置かれた状態でも光共振器を極低温において安定させることに成功しました。
- ③ マイクロ波―光複合共振器デバイスを設計・試作し、極低温において特性を評価しました。
- ④ 本研究開発で取り組んでいる量子トランスデューサーのシミュレーションを行いました。
- ⑤ コヒーレント状態でのマイクロ波-光変換を原理実証しました。
- ⑥ 本研究で培った極低温スピン量子デバイス技術を応用し、スピンメーザーを用いて量子限界に近い超低雑音マイクロ波増幅器を原理実証しました。
上記において、①は超伝導や半導体方式の量子コンピュータに必須な無冷媒希釈冷凍機内で光共振器を安定的に動作させることに成功しました。無冷媒希釈冷凍機内は振動するため、光共振器を安定的に動作させることは困難とされていました。②はバルクのダイヤモンドが内部に置かれた光共振器が安定的に動作することを実証し、本研究で提案する量子トランスデューサー方式の実現可能性を示しました。③は本研究開発で取り組んでいる量子トランスデューサーデバイスそのものです。ダイヤモンド結晶をマイクロ波共振器と光共振器の両方のモード内に配置する必要があるため、これを実現する複合共振器デバイスを設計・試作・評価しました（図2）。また、極低温においてこの複合共振器デバイスを用いた電子スピン共鳴実験を行い、スピン集団との強結合や緩和時間測定に成功しました。④は本研究開発で取り組んでいる量子トランスデューサーのマイクロ波―光変換理論を構築し、変換効率のシミュレーションを行いました。⑤はコヒーレント状態のマイクロ波を光へアップコンバージョンすることに成功しました。⑥はダイヤモンド中のスピン集団を用いたメーザー増幅器において、量子限界雑音に近い超低雑音マイクロ波増幅を実証しました。超伝導を用いた既存技術に比べて飽和パワーが桁違いに大きいので、量子コンピュータをスケールアップする際の新しい部品として有用になり得ます。
3. 今後の展開
変換効率のさらなる向上を進める予定です。その上で、超伝導量子ビットを用いて生成される非古典的なマイクロ波量子状態（猫状態、重ね合わせ状態など）の光への変換実証を目指します。加えて、マイクロ波および光の量子メモリ動作の高効率化やメーザーを用いた超低雑音マイクロ波増幅技術の更なる高度化も進めます。これにより、量子ネットワーク化や大規模量子コンピュータに必要な量子インターフェース技術への応用展開を目指します。これらの成果を基に、超伝導量子コンピュータプロジェクトの山本剛PMや、Q-LEAP「超伝導量子コンピュータの研究開発」の中村泰信チームリーダー、野口篤史PIらと連携して社会実装に向けた研究開発を推進します。