準二次元アモルファス運動インダクタを備えたフラックソニウムにおける局在準粒子

なぜ超伝導体の微小欠陥が重要なのか

超伝導回路は量子コンピュータや超高感度検出器の有力な候補ですが、エネルギーを奪う微小な摂動に弱いという問題があります。本論文は有望な材料であるタングステンシリサイド（WSi）が最先端の量子回路内でどのように振る舞うかを調べ、超伝導体内部の微視的な「迷い込んだ粒子」が主要な損失源であることを示します。これらの目に見えない厄介者を理解・制御することが、より信頼性の高い量子技術を構築する上で重要です。

ばねのように振る舞う配線を作る

通常の電子工学ではインダクタは磁場にエネルギーを蓄えるコイルですが、特別な超伝導材料では抵抗なく流れる電子対の慣性にエネルギーが蓄えられ、これが運動インダクタンスとして寄与します。無秩序な超伝導体であるWSiは非常に小さな面積で極めて大きな運動インダクタンスを実現できるため、コンパクトで強い非線形性を持つ量子回路に適しています。WSiはまたアモルファスで構造的に均一なため、現代のチップ製造に適合し、高性能単一光子検出器や超伝導量子ビットの両方にとって魅力的な材料です。

超薄膜WSiから試験回路をつくる

研究者らはサファイア基板上に厚さ数ナノメートルの非常に薄いWSi膜を堆積し、それを長く狭い配線にパターニングしました。これらの配線は二種類のマイクロ波回路、すなわち量子ハードウェアで広く使われる小さな“鳴る”構造である共振器と、ジョセフソン接合と大きなインダクタを組み合わせた量子ビットの一種であるフラックソニウムの誘導要素として機能しました。WSiの組成は固定し、膜厚と幾何学だけを変えることで、運動インダクタンスと無秩序の度合いを系統的に変化させ、回路のエネルギー損失を測定しました。

エネルギー損失を閉じ込められた準粒子にたどる

チームが極低温かつ低出力で共振器を測定したところ、内部品質因子は約一万〜十万の範囲で、量子デバイスに使われる他の無秩序超伝導体と同程度でした。いくつかの手がかりは、絶縁層の欠陥ではなくWSiそのものの励起に原因があることを示していました。WSi表面が電界にさらされる度合いが大きく異なるデバイスでも類似の損失を示し、膜を薄く（より無秩序に）すると明らかに性能が悪化しました。さらに、損失は共振周波数が上がるにつれて着実に減少し、これは準粒子（超伝導体中の切れたクーパー対）が支配的な場合に期待される特徴です。

マイクロ波出力を変えることで、共振器の損失は循環する光子数の増加に伴い最初は改善し、その後非線形挙動の始まりに近づくと再び悪化することが観察されました。この非単調な傾向は、無秩序膜に生じる超伝導ギャップの空間的変動によって浅い“ポケット”に多数の準粒子が閉じ込められるという図に一致します。穏やかなマイクロ波駆動はこれらの準粒子を一部振るい落とし、再結合を促して数を減らし損失を低下させます。より強い駆動では電流が追加のクーパー対を壊すほど大きくなり、準粒子が増えて再び散逸が増加します。

動作する量子ビット内でWSiを試す

同じ物理現象が実際の量子ビットでも現れるかを確かめるため、チームは長いWSi配線を二台のフラックソニウム装置のインダクタとして組み込みました。膜厚は異なるが公称インダクタンスは同等のデバイスです。各キュービットのエネルギーレベルを磁束の関数としてマッピングし、さまざまなキュービット周波数で第一励起状態がどれくらい生き残るか（緩和時間T1）を測定しました。両デバイスとも高いキュービット周波数ほど寿命が長く、より薄くより無秩序なWSi膜から作ったキュービットは全体的に速く減衰しました。複数の候補となる損失機構を詳しくモデル化した結果、WSi配線中の準粒子による誘導性損失が周波数依存性と観測された寿命の大きさの両方を説明でき、準粒子密度は共振器から推定された値と類似していました。

今後の量子ハードウェアにとっての意義

共振器とキュービットの測定結果を合わせると一貫した絵が描かれます：超薄膜の無秩序なWSiでは、局在した準粒子がマイクロ波エネルギー損失の主要因です。これは第一世代のWSiベース量子回路の性能を制限しますが、改善のための明確な道筋も示しています。専用の準粒子トラップを追加する、損失の大きい誘導要素への回路の依存度を下げる、膜の組成や厚さを調整するなどの対策により、より長寿命のキュービットが実現できる可能性があります。WSiは既に単一光子検出器の主要材料であるため、フラックソニウム量子ビットとの統合が示されたことは、検出器と量子プロセッサが同一材料プラットフォームを共有するハイブリッドチップへの道を開きます。

引用: Larson, T.F.Q., Jones, S.G., Kalmár, T. et al. Localized quasiparticles in a fluxonium with quasi-two-dimensional amorphous kinetic inductors. Nat Commun 17, 3022 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69709-1

キーワード: 超伝導量子ビット, 運動インダクタンス, 準粒子, タングステンシリサイド, フラックソニウム