フェルミ国立加速器研究所超伝導量子材料・システムセンター (SQMS)が超伝導トランスモン間の量子ビット性能ばらつきの微視的起源を特定

2026年10月2日・2分間の読了

フェルミ国立加速器研究所が主導する超伝導量子材料・システムセンター (SQMS)の研究者らは、Rigetti Computing、米国立標準技術研究所 (NIST)、エイムズ国立研究所、ノースウェスタン大学、英国国立物理学研究所 (NPL)と協力し、超伝導トランスモン量子ビットにおけるデバイス間の性能ばらつきの原因となる微視的材料欠陥を特定した包括的な多機関共同研究を発表した。Applied Physics Reviewsに掲載されたこの研究成果は、ナノスケールの製造形状、表面酸化物、およびエネルギー緩和時間 (T1) の間に直接的な相関関係を確立している。

フォールトトレラントな超伝導量子処理ユニット (QPU) をスケールアップする上での主要なボトルネックは、同一基板上に同時製造された同一設計の量子ビット間の性能ばらつきである。観察者バイアスを排除するため、この研究では二重盲検プロトコルを用いて22個のトランスモンデバイスを評価した。特性評価チームは、量子ビットのコヒーレンス指標を知らない状態で、7種類の非破壊的および侵襲的分光法・顕微鏡法を用いて構造的・化学的特徴をカタログ化した。SQMS Quantum Garageで実施されたコヒーレンス測定は、特性評価が完了した後にのみ材料データと関連付けられた。

[ SQMS材料特性評価ドライバーと量子ビットコヒーレンスへの影響 ]
材料／形状の特徴	物理的測定と製造指標	コヒーレンスへの影響と工学的指針
• エッチング側壁角度	• 鋭い10°〜15°の角度 vs. 広い30°のテーパーエッチング勾配	• 10°〜15°の角度は、損失性表面酸化物中の電界蓄積を低減し、T1の20%〜30%改善を予測
• 基板トレンチ深さ	• 金属電極に隣接するエッチングされた基板凹部の垂直深さ（20nm未満）	• 20nm未満の変動は急激な性能変動を引き起こす。より深いトレンチ形状では効果は飽和する
• 表面酸化物厚	• 周囲環境での表面酸化物層の単一ナノメートル規模の変動	• 誘電体損失正接を支配。単一nmの変動がT1緩和時間の最大2倍の変動に直接つながる
• 巨視的不完全性	• 目に見える表面傷、ダスト粒子、巨視的欠陥	• T1ばらつきとの統計的相関は示されず。ナノスケール界面がコヒーレンスのばらつきを決定づける

この分析により、表面酸化物厚の単一ナノメートル規模の変動、20ナノメートル未満の基板トレンチ深さ、および側壁エッチング形状が、同一チップ上の隣接する量子ビット間でのT1寿命の最大2倍のばらつきの原因であることが実証された。逆に、巨視的表面欠陥は性能劣化との明確な統計的相関を示さなかった。産業パートナーであるRigetti Computingは、これらの経験的パラメータを活用してリソグラフィックエッチングと表面パッシベーションプロトコルを最適化し、マルチ量子ビットプロセッサ全体の歩留まり均一性を確保するための予測フレームワークを提供している。

完全な研究所発表はフェルミラボのニュースルームこちらで確認でき、査読済み研究論文はApplied Physics Reviewsこちらで閲覧できる。

2026年10月1日

GQIポータルにて

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