極低温下で動作する量子ビット制御用集積回路のノイズ発生源を特定産総研

産業技術総合研究所（産総研）は2023年6月12日、極低温下で動作する量子ビット制御用集積回路で発生するノイズの原因を特定したと発表した。

量子コンピューターの性能向上に向けて量子ビット数を増やすには、多数の量子ビットを制御するための制御機能を集積回路化して、極低温下で動作させる必要がある。また同様に、1回の処理で実施できる演算回数増加のためには、量子情報の保持時間であるコヒーレンス時間を延ばす必要がある。しかし、コヒーレンス時間は電気的ノイズによって劣化するため、量子ビットに発生するノイズに加えて、制御用集積回路で発生するノイズも低減させる必要がある。

これらを実現するためには、極低温下で動作するトランジスタのノイズを低減させる必要があるが、これまでそのノイズ発生のメカニズムが分からなかった。

今回の研究では、多数のトランジスタの極低温下におけるノイズ発生現象を統計的に実験評価。原子サイズの欠陥に付随して生じる微小な原子位置変位が、極低温下で動作するトランジスタのノイズ発生原因であることを突き止めた。

産総研では、これまでは大型のトランジスタを用いて多数のノイズ発生起源から平均したノイズを観測していたため、ノイズ発生の原因となる位置は特定できてもその原因そのものは解明できなかった。しかし今回、ノイズの発生起源が少数しか含まれない微細なトランジスタを用いることで、1つの起源ごとに生じているノイズを個別に観察することに成功。それらを測定することで、極低温下において原子サイズの欠陥に付随する微小な原子位置の乱れが主なノイズ発生の起源になっていることを明らかにした。

今回の研究成果により、ノイズ低減による制御用集積回路の高性能化や、さらに量子コンピューターの高性能化につながる研究が加速するという。産総研では今後、ノイズ発生起源削減技術を用いた制御用集積回路や、シリコン量子ビット素子を用いた大規模集積量子コンピューターの実現を目指す。

極低温下で動作する量子ビット制御用集積回路のノイズ発生源を特定　産総研