【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.01】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24UT1178
利用課題名 / Title
高感度マイクロ波光子検出のための超伝導量子デバイス開発
利用した実施機関 / Support Institute
東京大学 / Tokyo Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
ダイシング/ Dicing,量子コンピューター/ Quantum computer,超伝導/ Superconductivity,ボンディング/ Bonding
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
陳 詩遠
所属名 / Affiliation
京都大学理学研究科物理学 宇宙物理専攻
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
鈴木惇也,三野裕哉
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
水島彩子
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
UT-900：ステルスダイサー
UT-906：ブレードダイサー
UT-902：マニュアルウエッジボンダ―
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
量子コンビューターに使用される量子ビットは一般にノイズに非常に弱いが、これ はセンサーとして優秀であることも意味している。特に近年の超伝導量子コンピュー ター技術の進展によって、超伝導量子ビットを一般的なノイズから遮蔽するノウハウは成熟してきており、宇宙線や環境放射線といった一般的でないエキゾチックなノイズが観測され始めている。本課題では超伝導量子ビットの量子コンピューターの文脈から外れた新しいデザインを追求し、センサーとしてのポテンシャルを高める開発を行う。特に今期は積層した2層の超伝導薄膜を用いて高い超伝導転移温度 (Tc) を持つジョセフソン接合素子を製作し、それに基づいて高周波 (>10GHz) で駆動する量子ビットの製作を行った。製作は所属する京都大学のナノハブ拠点で進行したが、測定は東京大学の共同利用装置をベースに行った関係で、パッケージングを東京大学武田先端知スーパークリーンルームの装置群で行った。
実験 / Experimental
2層薄膜として今回はNb (Tc=9.3K) の上にAl (Tc=1.2K) を載せたものを考えた。最初に2 層薄膜の転移温度を理解すべく、スイス連邦工科大学ローザンヌ校の蒸着装置で様々な厚みの組み合わせで製作したサンプルのTcの測定を行った。薄膜はSi基板の上にNb100-150nm、その上にAlを15-150nm蒸着したものを、京大ナノハブのフォトリソグラフィとエッチングで加工し、京都大学化学研究所および東京大学低温科学研究センターの物性評価装置 (PPMS) を用いて測定した。まだ完全に理解ができていない部分もあるが、近接効果によってNb単体の時に比べTcが最大で0.5Kほど 低下していること、また理論で想定される厚みと転移温度の関係を確認した (図1)。次にNb+Al+AlOx+Al+Nbという5層からなるジョセフソン接合を製作し、そのIV特 性を同様にPPMSを用いて測定した。サンプルのマスクを京大ナノハブでリソグラフィ装置を用いて準備し、沖縄科学技術大学院大学の装置を用いて斜め蒸着を行っ て製作した。測定したIV特性から概算したTcの値により、接合全体で近接効果が起こっていることが確認できた (図2)。また一連の試作の中で、従来電子線リソグラフィーで作っていた2層レジストのマスクを、従来電子線リソグラフィが主流なところフォトリソグラフィのみで製作することにも成功した。最後にこのジョセフソン接合を用いて量子ビットを製作し、マイクロ波共振器と結合させて希釈冷凍機で50mKまで冷やして分光測定を行った。結果量子ビットとしては11.5GHz程度の周波数を持つことが確認され、Nb+Al薄膜からなるジョセフソン接合によって確かに周波数が持ち上がったことを確認した (図3)。
結果と考察 / Results and Discussion
概ね想定していた通りの結果を得ることができた。しかしマスクの厚みや斜め蒸着の角度などで自明でない依存性も見えており、今後試作を増やして系統的な理解を積み立てていくことが必要である。また今後はさらに20GHzを超える高周波の量子ビットの製作も目指していく。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1: (上) 超伝導薄膜で作った平面導波路 (線幅10μm, 長さ10mm) の抵抗値を物性評価システム（Quantum Design社）で4端子法で測定を行った。(下) Nb単体のとき, Nb 100nmの上にAl 20nmまたは100nm蒸着したサンプルの抵抗曲線。2層薄膜ではNb単体のときに比べてTcが下がっていることが確認できる。
図2: (左) Nb+Al多層薄膜によるジョセフソン接合サンプルの概要 (右) 物性評価システム（Quantum Design社）を使ったIV測定の結果。4端子法を用いた。
図3: 量子ビットを封入したマイクロ波共振器の透過率測定。 (左) 量子ビットに11.52GHzのマイクロ波を当てて励起したとき (オレンジ) と当ててないとき (青) の共振器透過率の共鳴曲線。(右) 量子ビットに当てるマイクロ波周波数を掃印したときの、共鳴周波数における共振器透過率の変動。
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 中川徹郎, 笠井優太郎, 鈴木惇也, 竹内広樹, 田島治, 陳詩遠, 中園寛, 中田嘉信, 新田龍海, 三野裕哉, 渡邉香凜, "波状ダークマター探索のためのミリ波超伝導量子ビットセンサーの開発" (オンライン), 令和7年3月21日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件