現在の超伝導量子ビット回路の典型的なセットアップでは、極低温に置かれた量子ビットチップと室温で動作するマイクロ波エレクトロニクスが、量子ビット一つ当たり1本以上の同軸ケーブルにより配線されています。しかし冷凍機のスペースや冷却能力の限界から、この方法では量子ビット数万個以上のスケールアップに対応できません。本研究開発テーマでは、この問題を解決するために、希釈冷凍機の高性能化と共に、コネクタレスの高密度配線や、読み出し用増幅器の低消費電力化といった量子チップ周辺ハードウェア技術を開発し、集積化に向けたボトルネックを打破することを目指しています。
この開発では、如何にして量子ビット近傍で制御・信号処理を行い、異なる温度ステージ間の配線を削減出来るかが鍵になります。そのために、量子ビットの制御・読み出しを行う信号処理回路と量子ビットチップがハイブリッド集積された“縦方向の集積化”量子ビットモジュールの開発を行っています。また量子ビット読み出し用の低雑音増幅器として、従来比3桁以上低い消費電力で動作する超伝導SISミキサを用いた増幅器の開発を行っています。

②導波管モジュールによる増幅器動作の実証

従来の半導体増幅器と同等の雑音性能を示すマイクロ波増幅器をSISミキサを用いて動作実証することを目指し、導波管部品等で構成した回路により評価実験を進めました。100 GHz帯SISミキサモジュール2個を導波管アイソレータ等を挟んで縦続接続し、4ケルビンに冷却して評価したところ、従来の半導体増幅器と同程度である雑音温度10 ケルビン程度を達成し、周波数5 GHz以下の入力信号に対して5～8　dB（3～6倍）の増幅利得の実証に成功しました。また、4ケルビンステージでの消費電力は、10マイクロワット以下と見積もられ、半導体増幅器より3桁以上小さい消費電力となり得ることも示すことができました。