ムーンショット型研究開発事業 目標６「2050年までに、経済・産業・安全保障を飛躍的に発展させる誤り耐性型汎用量子コンピュータを実現」

公開シンポジウム2024
2024年3月27日

量子計算網構築のための量子インターフェース開発
PM：小坂英男
横浜国立大学 量子情報研究センター・センター長

横浜国立大学、東京大学、東京医歯大、産業技術総合研究所、物質・材料研究機構、量子科学技術研究開発機構、情報通信研究機構 他

体制・目標

研究概要
研究計画
研究進捗

量子ネットワーク小坂プロジェクト

JPMJMS2062

ダイヤモンドナノ加工

設計・評価

ダイヤモンドフォトニック結晶
ダイヤモンドフォノニック結晶

PI 9名
ダイヤモンド結晶成長

小坂英男

牧野俊晴

岩本敏

加藤宙光

ダイヤモンド

光結合回路

野村政宏

光結合回路
寺地徳之
小野田忍

ダイヤモンド
イオン注入

馬場俊彦
寺井弘高

マイクロ波共振器/制御回路
三木茂人

3次元ハイブリッド実装

藤井智

マイクロ波共振器

吉川信行
越野 和樹
井上史大

菊地 克弥

島津佳弘

(R6参加予定)

光子検出器
Tim Taminiau
蘭 デルフト大
2024年度より参加

ダイヤモンドSAW

マイクロ波制御回路
理論３次元実装3

JPMJMS2062

ムーンショット目標６【ネットワーク小坂Pj】
3年目マイルストーン

量子光源・検出器

量子ネットワーク接続で量子コンピュータの分散処理を可能に

量子メモリ

5年目マイルストーン

量子インターフェース
量子光源・検出器
量子メモリ
量子インターフェース
量子ネットワーク

10年目マイルストーン

量子ネットワーク

超伝導量子ビット

小坂

連携：山本剛MS（超伝導量子ビット）、小芦MS（要求性能見積もり）、永山MS（デバイス設計）、山本俊MS（検出器）43年目（２０２３），5年目（２０２５）及び10年目（２０３０）のマイルストーン
3年目マイルストーン：多数の量子ビットを接続させるためのハイブリッド量子インターフェースの要素技術を開発
目 量子ビットとして超伝導量子、シリコン、イオン、光量子を含む異種物理量子
標 ビット間での量子接続が可能なダイヤモンド量子光源、誤り耐性万能量子ゲー
値 ト操作と測定技術の開発
5年目マイルストーン：誤り訂正に必要な規模まで量子ビット数の拡張が可能であること示すため、ハイブリッド量子インターフェースによる量子接続を実現

ダイヤモンドOMC

目 １．通信用光子を介した量子メモリ同士の量子的な結合を実現
標 ２．フォトニック／フォノニック結晶（オプトメカニカル結晶）共振器による光子／音子と量子メモリの結合の増強
値
10年目マイルストーン：ハイブリッド量子インターフェースと大容量量子メモリの実現により、分散処理型量子コンピュータを可能とする光接続技術を確立
目
１．量子インターフェースによる多数の量子コンピュータ間の光接続技術を確立
標。
２．量子メモリによる広帯域な量子もつれ交換技術を確立
値55

JPMJMS2062

量子コンピュータ間の光接続

スーパーコンピューター
光接続
分散処理
極低温中のマイクロ波ケーブル
Wallraff ETH
P. Magnard et. al., Phys Rev. Lett. 125, 260502 (2020)

富士通「富岳」
理研HP: www.riken.jp/pr/news/2021/20210309_2/index.html

超伝導量子コンピューター(IBM, Microsoft, AWS：光接続)
光接続
分散処理

室温中の光ファイバーに置き換え

柔軟かつ高速な光接続を実現
超伝導量子ビット(1論理量子ビット)

量子インター光ファイバー
フェース

IBM HP: newsroom.ibm.com/2023-05-21-IBM-Launches100-Million-Partnership-with-Global-Universities-toDevelop-Novel-Technologies-Towards-a-100,000-Qubit- 希釈冷凍機（～10mK）
Quantum-Centric-Supercomputer

マイクロ波制御回路
Copyright; RIKEN Center for Quantum Computing
https://rqc.riken.jp/photolibrary/

希釈冷凍機（～10mK）
6

JPMJMS2062

分散処理型量子コンピュータ

光接続することで分散処理された誤り耐性型汎用量子コンピュータを実現

量子インターフェース

量子光接続

量子もつれ交換7

量子もつれ交換用の量子ビット
長寿命も量子交換器には遅い
動作速度 10~100kHz
量子ビット集積度 20~50
量子メモリー時間 ~ 1min
99.999%イオン

忠実度99.99%

動作速度 10~100MHz
量子ビット集積度 100~1000
量子メモリー時間 0.1~1ms

1000倍速読み出しも早く正確で、バランスが良い！

超伝導量子~100ms

99.9%

原子~1min

99%
90%

高速・高集積で量子交換器に最適

シリコン

気体

1kHz

固体
10kHz

100kHz

1MHz

10MHz

100MHz1GHz

動作速度8量子インターフェース原理 = 量子メディア変換
小坂プロジェクト

• 様々な量子メディアの間で量子変換• 本Pjの目的：
光子と超伝導量子を量子接続• 電子だけでなく励起子・スピン・音子が重要な役割を果たす

光子
励起子

イオン

原子（色中心）

電子

スピン音子

マグノン
超伝導量子（機械振動）9量子インターフェースの進化
マイクロ波帯（～10GHz）光子から可視帯（～500THz）光子への量子周波数変換器

EO（電気光学）変調器

光波

光波
Gooch&Housego社
HPより引用https://gandh.com/
products/acoustooptics/modulators

iXlbue社HPより引用
https://www.ixblue.com/photon
ics-space/intensity-modulators/

マイクロ波

既存のEO・AO変調器は強いポンプ光で熱雑音が発生

マクロな共振器(EO/AO共振器)でポンプ光を低減し熱雑音抑制

AO （音響光学）変調器

マイクロ波𝒄† 𝒃𝒂
熱雑音発生

EO共振器

AO共振器

ISTA

Heterodyne
detection

JILA

6mm
LN bulk

ポンプ光低減A. Rueda, npj Quantum
Information, 5, 108 (2019)

Carrier freq.
0.5mm
w ~1MHzSiN membrane 0A. P. Higginbotham et. al.,Nature Physics, 14, 1038 (2018)

音波（機械振動）と光波の微小共振器

オプトメカニカル結晶でポンプ光をさらに低減

オプトメカニカル結晶（OMC）
マイクロ波光子

Mechanical / Optical wave

1mm

光学帯光子

10ダイヤモンドオプトメカニカル結晶
量子変換効率のキャリア周波数依存性

ダイヤモンドベースとすることで熱雑音を抑制し高忠実化

1

MOC EfficiencyConversion
efficiency hC

シリコンベースのオプトメカニカル結晶は熱雑音で忠実度が劣化

0.01

高効率

1E-4
1E-6

Stanford

LN/Si
QphoX

高忠実ダイヤモンド(Groblacher)(Naeini)

Delft

OMC

AlN/Si Si-based
Caltech Hetero(Painter) structure

1E-8 (Groblacher)Chicago

1E-10

色中心の導入によりさらなる高効率化が可能

色中心

1E-12(Cleland)(Groblacher)

Delft

2

EPFL

Homostructure(Kippenberg)

AlN
LN
Si+AlN
GaAs
GaP

468
Carrier
Carrierfrequency
frequencyw
w00 (GHz)(GHz)

10Frequency (GHz)11ダイヤモンドの優位性
Siはキャリア周波数5GHzで熱雑音が1光子程度
ダイヤモンドは誘電損失（電場振動が減衰）
熱弾性（機械振動が減衰）が低く高周波で動作

熱雑音光子の温度依存性
シリコン 5GHz
高周波で動作

熱雑音を抑制放熱性10GHzが高い

ダイヤモンド放熱性が高い（高音速）

色中心でポンプ光が低減

熱雑音を抑制12

ダイヤモンドオプトメカニカル結晶の先行例
さらに、Loncar(Harvard)

色中心は10GHz, 500THz
で二重の電気双極子を有する
振動量子~10GHz

B. J. M. Hausmann et al. Nano Lett. (2013)
M. J. Burek et al., Optica 3, 1404 (2016)

散乱光~500THz~500THz

Loncar(Harvard) SiV,SnV G. Joe et al., CLEO (2021) rectangle

Triangle cross-section nanobeam

Optical Q = 176,000 @ 1,529 nm
Mechanical Q = 4,100 @ 5.5 GHz @RT

S. Naeini
J. Vuckvic NV-,SnV(Stanford)

A. Sipahigil et al., Science (2016) triangleRectangular cross-section nanobeam(Quasi-isotropic undercut etching)

NVΔ

ポンプ光NV-J. Cady et al., Quantum
Science and Technology
4, 024009 (2019).

Optical mode
Mechanical mode
Optical Q = 15,000 @ 1,544 nm
Mechanical Q = 440,000 @ 6 GHz @50 mK
D. Englund NV-, SiV, GeV(MIT)S. Mouradian et al., APL,111, 021103 (2017)

NV- ensesmble

Wan et al., Nature(2020)

SiliconPhotonic
Integrated
Circuit

Rectangular (undercut)

Diamond
Theoretical
S. Krastanov, PRL (2021)
T. Neuman, npjQI (2021)
H. Raniwala, Arxiv(2022)

small optical(1550nm) andOptical Q = 14,000 @ 637 nm (NV) Ulara
mechanical(5GHz) mode volume

Rectangular cross-section nanobeam (etched down method)

高効率量子変換

Optical Q = 42,000 @ 1,542 nm
Mechanical Q = 118 @ 5.9 GHz @RT

Hanson/Groblacher

Rectangular(undercut)(QuTech/QphoX)
APS meeting (2023)

SnV

737 nm13

研究開発計画
プロジェクト年次

11月

実証

2021(R3)

量子メモリ要素機能
原理実証

素子技術

12月

素子設計
シミュレーション装置開発

2022(R4)

2023(R5)2024(R6)

2025(R7)5年

ピエゾ効果を利用した
音子-スピン-光子
超伝導量子ビット 超伝導量子ビット
スピン操作
量子メディア変換
接続準備
接続テスト
光結合回路設計
光結合回路試作
光結合回路作製
フォトニック結晶試作 フォトニック/フォノニックダイヤモンド結晶同一構造試作
フォノニック結晶設計
オプトメカニカル結晶
3次元
ピエゾ弾性波ピエゾマイクロ波
共振器試作
ハイブリッド共振器試作
共振器試作
実装
マイクロ波共振器
マイクロ波共振器
マイクロ波共振器
ダイヤモンド試作作製(調整機能付)
作製(高周波化)
光結合回路
マイクロ波制御回路 マイクロ波制御回路 マイクロ波制御回路
マイクロ波共振器
設計
試作(20mK動作)
作製(20mK動作)
マイクロ波制御回路
転写プリンティングテスト

基盤技術

3年

転写プリンティング技術開発

ダイヤモンド精密微細加工技術開発

ダイヤモンド微細加工均一化・低ダメージ化

ダイヤモンド精密イオン注入技術開発

ダイヤモンド単一イオン注入・低ダメージ化

ダイヤモンド高純度結晶成長技術開発

ダイヤモンド量子結晶高機能化・低ダメージ化

量子インターフェース基礎理論開発

量子インターフェース高効率化・高機能化理論開発 14３年目（2023年度）の各項目の進捗状況• 項目１ ダイヤモンド量子メモリ【マイルストーン】量子もつれ光源、誤り耐性万能量子ゲート操作、量子もつれ測定技術の開発、レーザー照射ダイヤモンド色中心生成【目標設定の理由】
MS6NW目標に掲げられ【検証方法・評価方法】量子もつれ光源90%以上の忠実度→達成(98%)量子ゲート操作99.7%以上の忠実度→達成(99.97%) た量子光源・検出器、量子メモリの開発。量子イ
完全ベル測定90%以上の忠実度→達成(90%)
ンターフェースの構成要
レーザー照射による単一NV中心生成 →達成素として不可欠。
ピエゾ効果を利用したNVスピン操作 →達成• 項目２ オプトメカニカル結晶共振器
MS6NW目標に掲げられ【マイルストーン】オプトメカニカル結晶の構造詳細設計、試作・評価【検証方法・評価方法】フォトニック／フォノニック結晶試作→達成 た量子インターフェース
NV中心劣化が顕著でないことを確認する評価→達成 のコア技術となるダイヤ
ダイヤモンドOMCと光ファイバー結合回路試作 →達成 モンドオプトメカニカル
転写プリンティングの基盤技術開発→開始 結晶の開発。

• 項目３ ピエゾマイクロ波共振器【マイルストーン】ピエゾマイクロ波共振器構造詳細設計、試作・評価【検証方法・評価方法】ピエゾマイクロ波共振器の試作・評価→達成
音子－スピン－光子間の量子メディア変換→達成５Ｋ動作量子制御電子集積回路設計→達成MS6NW目標に掲げられた量子インターフェースのコア技術となるピエゾマイクロ波共振の開発。

15

ダイヤモンドNV中心による量子もつれ交換
ゼロ磁場における誤り耐性のある幾何学的スピン量子ビット
|A2

|A2

|s + photon|+1|s + photon|s -electron

|+1

|-1

Physical Review Letters, 114, 053603 (2015)

量子状態転写|s -electron|-1Nature Communications, 7, 11668 (2016) Communications Physics, 4, 264 (2021)

誤り耐性型量子ゲート

94%

99.97%

量子もつれ発光98%e
量子インターフェース

量子インターフェース
13C

13C

超伝導量子ビット

初期化と読み出し

99.7%

Appl. Phys. Lett. 120, 194002 (2022)

完全ベル測定DiamondAir90%

NV 120, 194002 (2022)
Appl. Phys. Lett.

10mm
npj Quantum Information,
9, 101 (2023)

量子もつれ交換～70%(Preliminary)

超伝導量子ビット

量子誤り訂正83%

Communications Physics, 5, 102 (2022)16量子インターフェース開発の全体進捗概要
マイクロ波制御回路

超伝導 マイクロ波
量子音波

色中心

光量子光波

3次元実装
光結合回路
ダイヤモンド制御回路 MW波共振器

TrasmonSFQ AWG ~ 5GHz

マイクロ波共振器
NbTiN(100nm)

Si

周波数調整機能付~500mm

QMW = 80,000 @8GHz(5%可変),15mK

Si基板

光ファイバー

ダイヤモンドオプトメカニカル結晶

光結合回路

DiamondNano-bridge
1mm

SiN導波路SiNV

W:320nm, t:170nm, hole:~100nm

Qopt = 200 @RT

Ishida et. al., 15p-A501-2, Oubutsu 2023S

光ファイバー~1mm

Coupling Loss < 1dB（評価中）17マイクロ波共振器✓ NbTiNナノワイヤーでマイクロ波共振器作製

ラダー構造✓ 高インダクタンスLでOMCに高電圧を印加
𝑉zpf ∝ 𝑍 ∝Transmission (dB)

0100 um

𝐿~𝟐𝟎 𝝁𝐕
𝐶NbTiNTc ~ 7 K
薄膜 <10 nm
細線 120 nm✓ 機械Q値7.5万を15mKで実現

7.0-4015 mK-2024

Frequency (MHz) + 7.936 GHz

APL 114, 192601 (2019)

ラダー構造あり
ラダー型

4%

8

ラダー構造なし
ラダーなし

7.4
7.2-30-4

1.5mT
1

作製誤差を許容10B⊥ (mT)Qi (´104)

fc (GHz)✓ 4％(0.3GHz)の周波数可変かつQ値2万以上を1.5mTの低磁場で実現-20107.8
7.6-10-508.0✓ ラダー構造への磁束侵入で電流増加

Qmw = 75,00064210000.0

Qmw > 20,000
0.5

1.5mT

1.0B⊥ (mT)

1.518

ダイヤモンドオプトメカニカル結晶
ダイヤモンドオプトメカニカル結晶の試作に成功

SEM

Confocal PL
NV

中央部のNVからの発光を観測

1μm

光共振器のQ値
400を実現

光Q値400を実現
PL Intensity (a. u.)

NV発光を10倍増強

8000
6000

NV中心からの発光10倍増強
PL

PL

PLE

Qopt = 200
幅0.28mm

30MHz

4000

裏面エッチング前はNV発光の線幅劣化は顕著でない

2000

裏面エッチング前はNV発光
線幅劣化はない

幅0.25mm

500nm

X10(w/o pump)

0600 620 640 660 680 700
Wavelength (nm)NV波長合わせ必要

NV位置・偏光合わせ必要

裏面エッチングの工夫必要

19

ダイヤモンドピエゾ共振器
ダイヤモンド機械共振器
マイクロ波(5GHz)

圧電材料（AlN）でマイクロ波電場をAl櫛電極(IDT)機械振動（音波）に変換 AlN (700 nm)
ダイヤモンド機械共振器をダイヤモンドで作製

機械振動

ダイヤモンド

5Kで機械Q値2万を実現

DBR反射器

IDT櫛電極Quality factor

機械共振器のQ値20,000実現

Qm = 20,000

５K
Temperature (K)M. Yamamoto, H. Kurokawa, S. Fujii, T. Makino, H. Kato, and H. Kosaka,
J. Appl. Phys. 134, 215104 (2023).

20

ピエゾ効果を利用したNV量子操作
AlN (700 nm)

ダイヤモンド
DBR

100mm

DBR

✓ 機械振動（5GHzの音波）でNV-を駆動しフォノンサイドバンドラビ振動を観測✓ 機械振動の位相変調で干渉を観測

ピエゾ効果を利用したマイクロ波帯(5GHz)の機械振動によるNVスピンのコヒーレントな量子操作を実現

PL intensity(a.u.)
Normalizedcounts(a.u.)

NVAl櫛電極(IDT)（レッド）フォノンサイドバンドラビ振動
1.0120 MHz

0.80.60.40.20.001020Time (ns)3040

フォノンサイドバンド発光の位相依存
counts (a.u.)
PLPLintensity(a.u.)

ダイヤモンド機械共振器

7006005004000100200300
Phase (degree) フォノン（SAW）の位相

M. Yamamoto, H. Kurokawa, S. Fujii, T. Makino, H. Kato, and H. Kosaka, J. Appl. Phys. 134, 215104 (2023).

21

新規NV中心（中性電荷NV0）の量子操作

別の電荷状態

Photon(~500THz)(~500THz)

基底状態(T1~5ms)MW𝜴𝐫𝐚𝐛𝐢 ~ 90 MHz@5K(~10GHz)✓ NV0の電場による軌道操作に成功 (磁場より3桁低パワー)✓ ハーンエコーによりT2*より30倍長いT2を実現✓ 希釈冷凍機温度（15mK）
でT1~5μsを実現

PL intensity (a.u.)

Photon(T1~10ns)

PL intensity (a.u.)(~5GHz)

励起状態

ラムゼー干渉（T2*）測定

ラビ振動（電場で量子制御）

T2* = 31ns @5K
縦緩和（T1）測定

ハーンエコー（T2）測定
PL intensity (a.u.)

MW

NV0

T1

𝑇1 =1/T1(ms-1)

NV-𝑻𝒆𝒄𝒉𝒐= 931 ns @5K
𝟐1
𝐴Δ3 (2𝑛 Δ, 𝑇 + 1)

Δ : Gap between |0⟩ and 1
𝑛 Δ, 𝑇 : Bose distribution

T1 = 4.7 μs @15mK

H. Kurokawa & H. Kosaka et al., arXiv:2307.07198, Nature Communications 22量子インターフェースの効率見積もり
量子IFの変換効率が従来より2桁以上向上し~50%が可能

変換効率
T1 = 4.7 μs

46%

T2 = 1 μs

Qmw = 20,000

Qm = 20,000

Qopt ~ 2,000（現状400）

Conversion efficiency

NV0（ZPLの取り出し効率～1を仮定）

H. Kurokawa, M. Yamamoto, Y. Sekiguchi, and H. Kosaka, Phys. Rev. Applied, 18, 064039 (2022)
B. Kim, H. Kurokawa, K. Sakai, K. Koshino, H. Kosaka, and M. Nomura, Phys. Rev. Applied, 20, 044037 (2023)

23

レーザー照射による単一NV中心生成
レーザー照射による単一NV中心生成
Laser annealing

レーザー生成したNVの位置精度
面内精度 < 0.1 μm、奥行き精度 < 0.3 μmElectron-beamirradiation

Surface

1 μm

PL @5K

1 μm
Diamond

Before

3 µm

NV-After

HBT @RT

PLE @5K

g(2)(0) = 0.23

86 MHz

単一

劣化小窒素イオン注入＋レーザー照射
Ion implantation

15N (Spin-1/2) originated

選択的243次元ハイブリッドチップレット実装量子インターフェース
ダイヤモンドOMC薄膜（～0.2mm）
ダイヤモンドOMCマイクロチップレットを光結合回路チップレットに実装

転写プリンティング（Pick and Place法）～100mm～30mm

フリップ

マイクロ波周波数変換器~5GHz~15GHz

光結合回路

Yale 2013

超伝導
量子ビット

マイクロ波共振器チップレット上に実装

光導波路(SiN/Si)
マイクロ波共振器～2.5mmマイクロ波共振器
マイクロ波制御回路
超伝導ー光量子インターフェースチップ（~5x1mm）

光ファイバー25

野村PI（東大）

馬場PI（横国大）

B. Kim, HK et al., PRApplied 20, 044037 (2023).

ダイヤモンドオプトメカの設計→効率15%

フォトニック結晶実装用SiN導波路基板の試作

小野田PI（QST）

吉川PI（横国大）レーザ冷却イオンビームの開発

極低温動作マイクロ波パルス生成回路の試作

26

量子情報研究センター（QIC）
センター長

非常勤教員

非常勤教員

Anton Myalitsin Volders Annelies

准教授

准教授

客員教授

客員准教授

客員教授

客員准教授

馬場俊彦

吉川信行

山梨裕希

井上史大

岩本敏

小野田忍

寺地徳之

鯨岡真美子

准教授

IAS准教授IAS准教授

准教授

助教

IAS助教

竹内 尚輝

島津佳弘

IAS助教

IAS助教

関口雄平

黒川穂高

上牧瑛

IAS助教

IAS助教

IAS助教

海外大学
招聘教授

招聘教授

Finley Jonathan Mueller Kai

東芝
客員教授

客員教授

客員教授

客員教授

野村政宏

加藤宙光

牧野俊晴

味村裕

知財戦略

産学官連携
客員研究員
コーディネーター

川崎恭正

民間企業教授西島 喜明 Ayala Christopher

産学官連携

国立研究所

教授

小坂英男
国際連携

国内外の大学、国研、民間企業が集合した国際的研究組織

国内大学

運営

PM補佐

日本最強のナノテク集団が結集！

客員准教授

客員教授

客員教授

客員研究員

越野和樹

三木茂人

寺井弘高

佐々木遼

招聘教授

招聘教授

Jelezko Fedor Becher Christophアドバイザリーボードとしての機能Abdul Nasir

熊澤金也
Alban LafuenteJowesh Avisheik Michael Johnston

27

国際連携
量⼦情報研究センター（YNU国際ネットワークハブ認定）
招聘

共同研究契約

連携協定
（協議中）

招聘

招聘

MIC連携

連携協定

リサーチフェロー
連携交渉中

MIC連携
MS6連携

連携協定

連携協定
（協議中）

連携交渉中

共同研究契約

MS6連携

MS6連携

共同研究
連携交渉予定連携交渉中共同研究契約
連携交渉中

共同研究

連携交渉予定28
28