超伝導トランスモン量子ビット表面の二準位系の位置を写像化する

量子チップの隠れた欠陥を探す

超伝導量子コンピュータは現在の機械では手に負えない問題に取り組む可能性を秘めていますが、性能を静かに奪う微小な欠陥によって妨げられています。本研究は、二準位系と呼ばれるそれらの原因を人気のあるタイプの量子ビット表面上で特定する方法を示し、どのチップ部分が信頼性に最も悪影響を与えているかをエンジニアが正確に把握できるようにします。

なぜ微小な欠陥が重要なのか

量子プロセッサを構成する固体材料の中には、ある原子が一箇所に留まらず、近くの二つの位置の間をトンネルするものがあります。そのような欠陥は、それぞれが二つの状態を持つ小さなスイッチ、すなわち二準位系のように振る舞います。これらのスイッチに電荷が載ると、超伝導量子ビットに情報を格納する繊細な電界と強く相互作用します。量子ビットのエネルギーが近くの欠陥に流れ込めば、量子状態はより速く消えてしまい、ビットの有用な寿命が短くなります。

量子ビットを局所センサーに変える

研究チームはトランスモン量子ビットを用いています。これは十字型の金属島が一対のジョセフソン接合を介して周囲のグラウンドプレーンに接続された、広く使われる設計です。この構造の周りに4つの追加金属パッドをゲート電極としてパターン化しました。各パッドに慎重に選んだ静的電圧を印加することで、近傍の欠陥の固有周波数を穏やかにずらす局所電界を作り出します。各欠陥は各ゲートに対して異なる応答を示すため、量子ビットとその周囲は個々の欠陥の位置を感知できる小さなセンサーアレイのように機能します。

電気的な足跡による欠陥のマッピング

欠陥を見つけるために、チームはまずスワップ分光と呼ばれるタイミング実験を使います。量子ビットを励起し、その周波数を短時間チューニングしてから残留エネルギーを測定します。量子ビットの周波数が欠陥のそれと一致すると、エネルギーが間で入れ替わり、量子ビットの緩和が速くなって寿命にディップとして現れます。これを各ゲート電極の電圧を掃引しながら繰り返すと、各パッドをバイアスしたときにその欠陥がどれだけ周波数をシフトするかが分かります。これらのシフトのパターンを量子ビット周囲の電界を詳細に計算したシミュレーションと比較することで、チームはチップ表面上の各欠陥の最もありそうな位置を三角測量することができます。

欠陥が実際に存在する場所

この方法を用いて、研究者たちは単一のトランスモン量子ビット上に55個の個々の表面欠陥をマッピングしました。驚くべきことに、問題を引き起こす欠陥のほぼ60%がジョセフソン接合の狭いリードの近傍に集まっており、チップの面積や電界エネルギーの大部分が大きなコンデンサパッドやグラウンドプレーンにあるにもかかわらず集中していました。解析は、欠陥密度が接合リード付近で広い金属面に比べておおむね2倍程度高いことを示唆しています。これは、接合配線をパターン化する際に用いるリフトオフ技術などのチップ製造プロセス自体が、残留物や粗さといった追加の無秩序を生み出し、欠陥形成を促している有力な原因であることを示しています。

より良い量子ハードウェアへの指針

どのくらいの数の欠陥が量子ビットに結合しているかだけでなく、それらがどこに最も多く存在するかを示すことで、本研究はチップ設計者が対策を集中させるための新たな道具を提供します。結果は、接合リード付近でよりクリーンで穏やかな加工を行うこと、電界を広げるようなワイヤ形状の工夫、そしてオンチップ電極を使って最も有害な欠陥を量子ビット周波数から押しのけることを支持しています。簡潔に言えば、本研究は量子チップ上の最も問題となるスポットの地図を示し、より安定で寿命の長い量子ビットへの実践的な道筋を提案しています。

引用: Lisenfeld, J., Händel, A.K., Daum, E. et al. Mapping the positions of Two-Level-Systems on the surface of a superconducting transmon qubit. npj Quantum Inf 12, 80 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-026-01272-5

キーワード: 超伝導量子ビット, 二準位系, 量子デコヒーレンス, ジョセフソン接合, 量子ハードウェア製造