日本電信電話（NTT）と産業技術総合研究所は2022年12月22日、超伝導磁束量子ビットを用いて、量子ビットの寿命を制限する2準位欠陥の検出、識別に成功したと発表した。研究の成果を試料作製にフィードバックし、欠陥のない長寿命な超伝導量子ビットの実現を目指す。
量子コンピューターの基本要素である量子ビットは、さまざまな物理系が研究されているが、超伝導量子ビットは最も有力な候補の一つとなっている。しかし、超伝導量子ビットは、誤り耐性量子計算が困難で、その理由の一つに寿命の短さが挙げられる。この量子ビットの寿命を制限している大きなノイズ源が2準位欠陥であるため、その特性を理解し、低減することが、誤り耐性量子計算の実現に向けた一つの課題となっている。
研究では、超伝導量子ビット中に存在する異なるタイプの2準位欠陥 （電荷型と臨界電流型）を検出、識別する方法を提案。実証実験を実施した。2準位欠陥は、これまでもいくつかの方法で検出されており、異なるタイプの存在も理論的に予想されていたが、今回初めて実験で検出、識別された。
超伝導量子ビットの寿命を制限する2準位(TLS)欠陥の識別実験
超伝導量子ビットと2準位欠陥の結合には、主に電荷型と臨界電流型の2種類のタイプが存在する。電荷型は、2準位欠陥の電荷揺らぎがジョセフソン接合の電荷の変位を引き起こし、2準位欠陥と量子ビットが結合。臨界電流型は、2準位欠陥の電荷揺らぎがジョセフソン接合の臨界電流の変化を引き起こし、2準位欠陥と量子ビットが結合する。
電荷型の2準位欠陥は、量子ビットの1励起と2準位欠陥の1励起が共鳴し、検出される。ここで、両者の周波数の差|ωqb－ωTLS|は、マイクロ波ドライブによる量子ビットの周波数シフトΩRで補われる。一方、臨界電流型の2準位欠陥は、量子ビットの2励起と2準位欠陥の 1励起が共鳴し、検出される。この検出条件の違いを見出し、異なるタイプの結合の識別ができるようになった。
a.電荷型の2準位欠陥、b.臨界電流型の2準位欠陥、c.電荷型の2準位欠陥の検出条件、d.臨界電流型の2準位欠陥の検出条件
検出条件の違いは、2準位欠陥のスペクトルの測定で可視化できる。超伝導量子ビットの遷移周波数を制御しながら、2準位欠陥のスペクトルを測定。これにより、スペクトル上で、量子ビットと2準位欠陥の結合タイプの違いを可視化した。
a.磁束量子ビットのマイクロ波吸収スペクトル、b.2準位欠陥のスペクトル 実験、c.2準位欠陥のスペクトル 実験＋フィッティング
研究の結果、量子ビットの周波数を掃引すると、異なるタイプの2準位欠陥を識別できるようになった。研究を進めることで、大幅に欠陥の特性の解明が促進される。さらに、試料作製にその結果をフィードバックし、作製プロセスや材料の最適化により、欠陥のない長寿命な超伝導量子ビットの実現を目指す。また、誤り耐性型量子コンピューターの実現も目指す。
