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、なるべく量子ビット近傍で動作する量子ビット制御、読出しのエレクトロニクスを開発し、集積化に向けた配線のボトルネックを打破することを目的としています。
この開発においては、限られた冷凍機のスペースや冷却能力の中で、如何にして量子誤り訂正を効率的に実行する制御システムを実現するかが課題です。本研究開発テーマでは数十GHzでの動作が可能かつ超低消費電力回路である単一磁束量子回路、柔軟性に優れ高度な処理が可能かつ低消費電力な原子スイッチFPGAを軸に、それらが協調動作する低温エレクトロニクスシステムの開発を行います。

①低臨界電流密度プロセスによる単一磁束量子回路で信号分配回路の動作実証に成功

単一磁束量子（SFQ）回路は、これまで主に液体ヘリウム温度の4.2 Kでの動作を想定して設計されてきました。しかし本研究開発では量子ビットと同じ10 mKでの動作が必要であり、従来のSFQ回路をさらに低消費電力化する必要があります。より低温でのデバイス特性の変化も考慮しつつ、SFQ回路に用いるジョセフソン接合の臨界電流値を1/10以下に低減すると同時に駆動電圧を下げることで、消費電力を1/50～1/250に低減するための回路設計指針を昨年度までに明らかにしました。開発したSFQ回路の回路要素（配線や論理ゲートなど）は順次「セル」として設計用のライブラリに登録し、セルを組み合わせて様々なSFQ回路を設計できるように構築していきます。今年度は、オンチップテストにより開発したSFQ回路が約10 GHzの高周波動作が可能であることを確かめるとともに、複数の量子ビットを制御するためのマイルストーンとなる、信号分配回路の動作実証を0.3 Kの測定環境で行いました。