シリコン基板を用いた窒化物超伝導量子ビットの開発に成功

超伝導量子ビットの大規模集積化に向けた新しい材料プラットフォームを提案

2021年9月20日
国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT）
国立研究開発法人産業技術総合研究所
国立大学法人東海国立大学機構名古屋大学
国立研究開発法人科学技術振興機構

ポイント
■　超伝導転移温度16 Kの窒化ニオブを用いて、シリコン基板上に窒化物超伝導量子ビットを実現
■　低損失なシリコン基板上への作製技術を開発し、コヒーレンス時間が大きく改善
■　大規模量子コンピュータや量子ノードへの応用に期待

　国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT、理事長: 徳田 英幸）は、国立研究開発法人産業技術総合研究所（理事長: 石村 和彦）、国立大学法人東海国立大学機構名古屋大学（総長: 松尾 清一）と共同で、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世界で初めて成功しました。この量子ビットは、超伝導体として超伝導転移温度が16 K（-257 ℃）の窒化ニオブ（NbN）を電極材料とし、ジョセフソン接合の絶縁層に窒化アルミニウム（AlN）を使用しエピタキシャル成長させた全窒化物の素子であり、ノイズ源である非晶質の酸化物を一切含まない新しい超伝導材料から成る新型量子ビットです。今回、この新材料量子ビットをシリコン基板上に実現することで、平均値としてのエネルギー緩和時間（T1）が16マイクロ秒と位相緩和時間（T2）が22マイクロ秒のコヒーレンス時間が得られました。これは、従来の酸化マグネシウム基板上の窒化物超伝導量子ビットの場合と比べてT1は約32倍、T2は約44倍に相当します。
　超伝導体として窒化ニオブを使うことで、より安定に動作する超伝導量子回路の構築が可能となり、量子演算の基本素子として、量子コンピュータや量子ノードの開発への貢献が期待されます。今後、回路構造や作製プロセスの最適化に取り組み、更なるコヒーレンス時間の延伸、大規模集積化の実現に向けて研究開発を進めていく予定です。
　なお、本成果は、2021年9月20日（月）18:00（日本時間）に、世界的に権威のあるNature Research出版社の専門誌「Communications Materials」に掲載されました。

背景
　来る未来社会Society 5.0に向けて、これまでの情報社会を支えてきた半導体回路の性能向上に限界が見え始めており、そのような限界を打破する新しい情報処理パラダイムとして、「量子コンピュータ」への期待が高まっています。しかし、量子コンピュータの動作に不可欠な量子重ね合わせ状態は、様々な外乱（ノイズ）により容易に壊れてしまうため、それらの影響を適切に排除する必要があります。
　超伝導量子ビットは固体素子であるため、設計自由度や集積性、拡張性に優れている反面、超伝導量子ビットを取り巻く様々な外乱の影響を受けやすく、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課題となっています。この課題の克服に向けて、世界中の研究機関で様々な取組がなされていますが、そのほとんどで超伝導量子ビット材料としてアルミニウム（Al）とアルミニウム酸化膜（AlOx）が用いられています。しかし、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、ノイズ源として懸念されており、この問題を解決できる材料の検討が必要不可欠でした。   
　NICTは、超伝導転移温度が1 K（-272 ℃）のアルミニウム及び非晶質酸化アルミニウムに替わるものとして、16 K（-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）絶縁膜に着目し、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開発を進めてきました。
　上部電極まで結晶配向がそろったNbN/AlN/NbN接合（エピタキシャル接合）を実現するには、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りましたが、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0.5マイクロ秒程度にとどまっていました。

【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202109109917-O3-B3YnSD0O】

図1 (a) マイクロ波共振器と量子ビットの概念図
(b)窒化物超伝導量子ビット回路の光学顕微鏡写真
(c)窒化物超伝導量子ビット（一部）の電子顕微鏡写真と素子の断面図
(d)エピタキシャル成長させた窒化物ジョセフソン接合の透過型電子顕微鏡写真

今回の成果
　NICTは、これまで、より誘電損失が小さいシリコン（Si）基板上に窒化チタン（TiN）をバッファ層としてNbN/AlN/NbNエピタキシャル接合を実現することに成功していました。今回、シリコン基板上に作製したNbN/AlN/NbN接合を用いた量子ビット回路（図1参照）を設計・作製・評価しました。
　超伝導量子ビットは、マイクロ波を介してその状態制御と読出しを行うため、実験で用いる基本回路は、図1(a)に示すように、量子ビットがマイクロ波共振器と結合した構造となります。このような基本回路を図1(b)のようにSi基板上にエピタキシャル成長させた窒化物超伝導体で作製しました。窒化物超伝導量子ビット（一部）の電子顕微鏡写真と素子の断面図を図1(c)に、エピタキシャル成長させた窒化物ジョセフソン接合の透過型電子顕微鏡写真を図1(d)に示します。
　熱揺らぎが小さな10 mKの極低温で、量子ビットと弱く結合した共振器のマイクロ波伝送特性を測定した結果、図2のように、量子ビットのコヒーレンス時間の指標となるエネルギー緩和時間（T1）、位相緩和時間（T2）について、それぞれ18マイクロ秒、23マイクロ秒が得られ、さらに100回測定の平均値としては、T1＝16マイクロ秒、T2＝22マイクロ秒を達成しました。これは、MgO基板上の超伝導量子ビットに比べて、T1で約32倍、T2で約44倍もの改善です。

【画像：https://kyodonewsprwire.jp/img/202109109917-O4-Iebo1sA9】
    (a)エネルギー緩和時間T1＝18.25マイクロ秒と(b)位相緩和時間T2＝23.20マイクロ秒が得られた。

　今回の結果は、超伝導量子ビットの心臓部であるジョセフソン接合に従来のアルミニウムとアルミニウム酸化膜を使用せず、それよりも超伝導転移温度が高く、エピタキシャル成長で結晶性が優れている窒化物超伝導量子ビットの開発に成功したことに大きな意味があります。特に、Si基板上にエピタキシャル成長させることで誘電損失を減らし、窒化物超伝導量子ビットから数十マイクロ秒台のコヒーレンス時間観測に成功したのは、世界で初めてです。この窒化物の超伝導量子ビットはまだ開発初期段階で、量子ビットのデザインや作製プロセスの最適化により、コヒーレンス時間の更なる改善が可能と考えています。
　窒化物量子ビットは、従来のアルミニウムに置き換わる新しい材料プラットフォームとして、量子情報処理の研究開発を加速し、より省電力な情報処理の実現、安心・安全な量子ネットワークの構築に必要な量子ノードの実現に貢献することが期待されます。

今後の展望
　今後、コヒーレンス時間の更なる延伸、将来的な大規模集積化を見据えた素子特性の均一性の向上を目指して、回路構造や作製プロセスの最適化に取り組み、従来のアルミニウムベース量子ビットの性能を上回る量子ハードウェアの新しいプラットフォームの構築を目指します。

各機関の役割分担
・情報通信研究機構: Si基板上窒化物超伝導体を用いたエピタキシャルジョセフソン接合の開発、超伝導量子ビットの設計、作製、測定・評価技術の開発
・産業技術総合研究所: 超伝導量子ビットの測定・評価
・名古屋大学: 超伝導量子ビット作製プロセスの開発

論文情報
掲載誌: Communications Materials
DOI: 10.1038/s43246-021-00204-4
URL: https://doi.org/10.1038/s43246-021-00204-4
論文名: Enhanced coherence of all-nitride superconducting qubit epitaxially grown on silicon substrate
著者: Sunmi Kim, Hirotaka Terai, Taro Yamashita, Wei Qiu, Tomoko Fuse, Fumiki Yoshihara, Sahel Ashhab, Kunihiro Inomata, Kouichi Semba