【公開日:2025.06.10】【最終更新日:2025.03.24】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24KT2537
利用課題名 / Title
超伝導量子ビットを用いたデバイス開発
利用した実施機関 / Support Institute
京都大学 / Kyoto Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用(ARIM事業参画者以外)/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】(主 / Main)加工・デバイスプロセス/Nanofabrication(副 / Sub)-
【重要技術領域 / Important Technology Area】(主 / Main)量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions(副 / Sub)マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials
キーワード / Keywords
リソグラフィ/ Lithography,光リソグラフィ/ Photolithgraphy,電子線リソグラフィ/ EB lithography,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,ダイシング/ Dicing,ボンディング/ Bonding,ワイヤーボンディング/ Wire Bonding,量子コンピューター/ Quantum computer,超伝導/ Superconductivity
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名(課題申請者)/ User Name (Project Applicant)
陳 詩遠
所属名 / Affiliation
京都大学 大学院理学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators Excluding Supporters in the Hub and Spoke Institutes
三野裕哉,中川徹郎,鈴木惇也,笠井優太郎
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Supporters in the Hub and Spoke Institutes
沖川満,木元信余,江崎裕子
利用形態 / Support Type
(主 / Main)機器利用/Equipment Utilization(副 / Sub)-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
KT-121:マスクレス露光装置
KT-115:大面積超高速電子ビーム描画装置
KT-210:ドライエッチング装置
KT-219:ダイシングソー
KT-108:レジスト塗布装置
報告書データ / Report
概要(目的・用途・実施内容)/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
量子コンピューターに使用される量子ビットは一般にノイズに非常に弱いが、これはセンサーとして優秀であることも意味している。特に近年の超伝導量子コンピューター技術の伸長によって、超伝導量子ビットを一般的なノイズから遮蔽するノウハウは成熟してきており、宇宙線や環境放射線といった一般的でないエキゾチックなノイズが観測され始めている。本課題では超伝導量子ビットの量子コンピューターの文脈から外れた新しいデザインを追求し、センサーとしてのポテンシャルを高める開発を行う。特に今期は積層した2層の超伝導薄膜を用いて高い超伝導転移温度 (Tc) を持つジョセフソン接合素子を製作し、それに基づいて高周波 (>10GHz) で駆動する量子ビットの製作を行った。
実験 / Experimental
2層薄膜としてNb (Tc=9.3K) の上にAl (Tc=1.2K) を載せたものを考えた。最初に2層薄膜の転移温度を理解すべく、スイス連邦工科大学ローザンヌ校の蒸着装置で様々な厚みの組み合わせで製作したサンプルのTcの測定を行った。薄膜はSi基板の上にNb 100-150nm、その上にAlを15-150nm蒸着したものを、京大ナノハブのフォトリソグラフィ(KT-121)とエッチング(KT-210)で加工し、京都大学化学研究所および東京大学低温科学研究センターの物性評価装置 (PPMS) を用いて測定した。まだ完全に理解ができていない部分もあるが、近接効果によってNb単体の時に比べTcが最大で0.5Kほど低下していること、また理論で想定される厚みと転移温度の関係を確認した (図1)。
次にNb+Al+AlOx+Al+Nbという5層からなるジョセフソン接合を製作し、そのIV特性を同様にPPMSを用いて測定した。サンプルのマスクを京大ナノハブでリソグラフィ装置を用いて準備し、沖縄科学技術大学院大学の装置を用いて斜め蒸着を行って製作した。測定したIV特性から概算したTcの値により、接合全体で近接効果が起こっていることが確認できた (図2)。また一連の試作の中で、従来電子線リソグラフィー(KT-115)で作っていた2層レジストのマスクを、フォトリソグラフィ(KT-121)で製作することにも成功した。
最後にこのジョセフソン接合を用いて量子ビットを製作し、マイクロ波共振器と結合させて希釈冷凍機で50mKまで冷やして分光測定を行った。結果量子ビットとしては11GHz程度の周波数を持つことが確認され、Nb+Al薄膜からなるジョセフソン接合によって確かに周波数が持ち上がったことを確認した (図3)。
結果と考察 / Results and Discussion
上の実験欄で述べたように、概ね想定していた通りの結果を得ることができた。しかしマスクの厚みや斜め蒸着の角度などで自明でない依存性も見えており、今後試作を増やして系統的な理解を積み立てていくことが必要である。また今後はさらに高周波量子ビットの製作も目指していく。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1: 薄膜で作った平面導波路 (線幅10µm, 長さ10mm) の抵抗値の温度依存性。(左) Nb単体のとき (右) Nb 100nmの上にAl 20nm蒸着したサンプルのとき。
図2: (左) Nb+Al多層薄膜によるジョセフソン接合サンプルの概要 (右) PPMSを使ったIV測定結果。
図3: 量子ビットを封入したマイクロ波共振器の透過率測定。 左: 量子ビットに11.52GHzのマイクロ波を当てて励起したとき (オレンジ) と当ててないとき (青) の共振器透過率の共鳴曲線。右: 量子ビットに当てるマイクロ波周波数を掃印したときの、共鳴周波数における共振器透過率の変動。
その他・特記事項(参考文献・謝辞等) / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング(DOIのあるもの) / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 中川徹郎, 笠井優太郎, 鈴木惇也, 竹内広樹, 田島治, 陳詩遠, 中園寛, 中田嘉信, 新田龍海, 三野裕哉, 渡邉香凜, "波状ダークマター探索のためのミリ波超伝導量子ビットセンサーの開発" 日本物理学会2025年春季大会 (オンライン), 令和7年3月21日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications:0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents:0件