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• 量子コンピュータの実现には、量子状态を破壊するノイズの起源を解明する必要がある。
• 超伝导ジョセフソン接合(※1)内に存在する水素が、超伝导体中の準粒子による干渉を诱起し、超伝导电流に対するノイズになることを初めて観测
• 量子コンピュータを実现する上で键を握る高性能の超伝导量子素子の开発につながると期待

　量子コンピュータの开発に世界中がしのぎを削っていますが、この実用化に向けた最重要课题の1つは、演算过程において量子状态をできるだけ长时间维持することにあります。何らかの原因で量子状态が破壊されると素子のエラー频出、プログラムの复雑化など様々な问题が起こります。この量子状态を破壊する要因として素子に付着あるいは侵入した水素が诱起するノイズが指摘されていました。水素は最も存在比の高い元素である上に强い反応性や量子性を示すため、素子製造工程で混入した水素が金属表面で原子に解离、原子状水素として表面に吸着あるいは内部へ侵入し、その量子状态を破壊するノイズの要因となると考えられています。一方、その具体的なノイズ発生机构については、水素原子の持つ磁気的性质や周囲の原子と结合してできる水素化物の二準位状态に起因するノイズなどが提案されていますが、はっきりしていません。
　九州大学大学院工学研究院の河江达也准教授とサイフル?イスラム元博士课程大学院生、高田弘树元博士课程大学院生、稲垣祐次元工学研究院助教(现冈山理科大学准教授)の研究グループは同大学院総理工研究院の桥爪健一准教授らと共同で、超伝导ジョセフソン接合に微量の水素不纯物を添加した试料を用いて电流－电圧特性を详细に调べました。その结果、ジョセフソン接合中の準粒子の干渉効果によって超伝导ジョセフソン素子を流れる电流にノイズ构造が発生することを初めて明らかにしました。
　具体的な実験内容として研究グループは、まず水素を微量添加したバナジウム金属试料からブレークジャンクション法(※2)と呼ばれる方法を用いて超伝导ジョセフソン接合を作製しました。そして、その试料の电流－电圧特性を测定し、超伝导ギャップ(※3)より大きな电圧领域でもジョセフソン电流にスパイク状のノイズが复数出现することを明らかにしました。さらに水素不纯物浓度変化、温度変化、ジョセフソン接合のサイズ変化、水素位置の変化などを调べることで、このスパイク状ノイズが超伝导中の準粒子の干渉により発生していると结论付けました。この结果は素子内に不纯物や欠陥が存在することでも準粒子の干渉が诱起され超伝导电流に対するノイズ源になることを示しています。现在の量子コンピュータ素子は超伝导ジョセフソン接合を有するものが主流であるため、本研究成果は素子内の量子状态を破壊するノイズ起源の解明につながると予想され、高性能の超伝导量子素子実现に向けた大きな一歩になることが期待されます。
　本研究成果は米国化学会発行の学術誌ACS Nanoのオンライン版に2022年8月26日付で公開されました。

　超伝导ジョセフソン接合は量子コンピュータに利用する量子素子以外にも、量子情报処理技术や高感度计测技术など様々な応用が提案されており、今后の量子工学発展のカギを握る技术です。今回の成果はジョセフソン电流のノイズ起源解明に役立ち、より高性能の超伝导量子素子の実现につながると期待されます。

※1 ジョセフソン接合
超伝导体间に常伝导体からできたエネルギー障壁があり、その接合距离がきわめて薄いとき超伝导体间には超伝导电流が流れます。このような接合をジョセフソン接合と呼びます。
※2 ブレークジャンクション法
金属の细线(本研究では直径0.25尘尘のバナジウム线)を基板に设置し、基板を押し曲げワイヤを引き延ばすことでナノサイズの接合を作製する方法を、ブレークジャンクション法と呼びます。これを低温、高真空中で行うことで清浄な表面を持つナノ接合を作製することが出来ます。
※3 超伝導ギャップ
超伝导体ではフェルミ面付近の电子の状态密度が抑制されエネルギーギャップが生じるため、これを超伝导ギャップと呼びます。また、この超伝导ギャップは超伝导転移温度以下で现れ、温度低下とともに大きくなります。またギャップの温度変化はギャップ関数と呼ばれる関数で记述されます。

• 本研究の详细についてはこちら

掲載誌：ACS Nano
タイトル：
著者名：Md. Saiful Islam, Hiroki Takata, Yuji Inagaki, Kenichi Hashizume, and Tatsuya Kawae
D O I：10.1021/acsnano.2c04195