シリコン基板上に窒化物超伝導量子ビットを実現することにNICTなどが成功

情報通信研究機構(NICT)、産業技術総合研究所(産総研)、名古屋大学(名大)、科学技術振興機構(JST)の4者は9月20日、超伝導材料にアルミニウムを使用しない超伝導量子ビットとして、シリコン基板上のエピタキシャル成長を用いた「窒化物超伝導量子ビット」の開発に成功したと発表した。

同成果は、NICT 未来ICT研究所小金井フロンティア研究センター量子ICT研究室の金鮮美主任研究員、NICT 未来ICT研究所神戸フロンティア研究センター超伝導 ICT研究室の寺井弘高室長、名大大学院工学研究科電子工学専攻量子システム工学の山下太郎准教授、NICT 未来ICT研究所神戸フロンティア研究センター超伝導ICT研究室のWei Qiu主任研究員、NICT 未来ICT研究所小金井フロンティア研究センターフロンティア創造総合研究室の布施智子主任研究員、同・吉原文樹主任研究員、同・Sahel Ashhab上席研究員、産総研ナノエレクトロニクス研究部門超伝導計測信号処理グループの猪股邦宏主任研究員、東京大学大学院理学系研究科附属フォトンサイエンス研究機構の仙場浩一特任教授(JST CREST「超伝導量子メタマテリアルの創成と制御」研究代表者/NICT 未来ICT研究所小金井フロンティア研究センターフロンティア創造総合研究室プロジェクトリーダー兼務)らの共同研究チームによるもの。詳細は、英科学誌「Nature」系の材料科学が題材のオープンアクセスジャーナル「Communications Materials」に掲載された。

量子コンピュータで使用される量子情報の最小単位である量子ビットのうち、0と1の重ね合わせの状態を、超伝導体で構成される量子回路で実現するタイプは「超伝導量子ビット」と呼ばれるが、量子重ね合わせ状態の寿命である「コヒーレンス時間」をいかにして延伸するかが、実用化の課題となっており、世界中でさまざまな取り組みがなされている。その大半において超伝導量子ビットの材料には、アルミニウム(Al)と「アルミニウム酸化膜」(AlOx)が用いられているが、絶縁層として多く使われている非晶質の酸化アルミニウムは、ノイズ源としても懸念されており、この問題を解決できる別の材料の検討が必要不可欠とされていた。

超伝導転移温度が1K(約-272℃)のアルミニウムおよび非晶質酸化アルミニウムに替わるものとして、これまでNICTにおいて着目されてきたのが、16K(約-257℃)の超伝導転移温度を持つ「窒化ニオブ」(NbN)と、エピタキシャル成長法で結晶化された「窒化アルミニウム」(AlN)で、NbNを電極材料とし、ジョセフソン接合の絶縁層にAlNを使用した全窒化物の「NbN/AlN/NbN接合」を用いた超伝導量子ビットの研究開発が進められてきたという。

また、これまでは上部電極まで結晶配向がそろったNbN/AlN/NbN接合を実現するために、NbNと結晶の格子定数が比較的近い酸化マグネシウム(MgO)基板を用いる必要があったというが、MgOは誘電損失が大きく、MgO基板上のNbN/AlN/NbN接合を用いた超伝導量子ビットのコヒーレンス時間は0.5μs程度に留まっていたという。

そこで、NICTが新たに開発したのが、MgOよりも誘電損失が小さいシリコン基板上に窒化チタン(TiN)をバッファ層とするNbN/AlN/NbNエピタキシャル接合で、今回の研究では、それを用いた量子ビット回路の設計・作製、ならびに評価が行われた。