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。本研究開発項目では、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。本研究開発項目では数十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ナノブリッジ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単一磁束量子回路による信号分配回路の14 mK動作を実証し、量子ビットモノリシックチップを完成

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希釈冷凍機内の約10 mK環境での動作を目指しており、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。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策定し、これまでにSFQ回路の回路要素（配線や論理ゲートなど）を順次「セル」として設計用のライブラリに登録することを行ってきました。今年度は、開発したこの超低消費電力SFQセルライブラリを組み合わせて設計した信号分配回路を希釈冷凍機内で動作することを実証しました。また、この信号分配回路を複数の超伝導量子ビットに接続したモノリシックチップを完成させました。