野口 篤史 Atsushi Noguchi

[概要]
誤り耐性量子計算に向け、以下の研究に取り組んだ。2次元集積化された共振器による量子誤り訂正のため、シリコンの損失限界に到達した２次元回路を作製し、その基本的な量子制御をおこなった。また、１秒以上の寿命を持つ量子メモリが可能な機械振動子を作製した。さらに、国内の従来型超伝導量子コンピュータで問題となっている２量子ビットゲートの精度向上のため、この量子チップに適応可能な新しい量子ゲートを発見・実装し、２量子ゲートの精度として世界最高峰の約99.9%を実現することに成功した。他には、これまでの量子系の性能を大きく凌駕しうる電子トラップの研究に取り組み、室温で電子を捕獲し、その冷却と鏡像電流検出に成功した。

[詳細]
１．超伝導量子ビット
　１．１　世界最高性能２次元共振器
　複数の量子ビットを用いる代わりに、一つの共振器の中に論理量子ビットを埋め込んで量子誤り訂正をおこなうボソニック符号が実装されてきた。これまで、真空中に電磁波を蓄える３次元空洞が主な舞台となっていた。しかしながら、そのサイズの大きさや様々な量子回路を集積することの難しさのため、２量子ビット化や、より拡張性のあるボソニック符号量子コンピュータを実現するには、２次元回路にすべてを集積することが必要となる。こうした課題に取り組むべく、本研究では２次元超伝導回路の性能向上に取り組んだ。従来の私たちの研究で高性能な超伝導量子ビットが実現している、シリコン基板上の窒化チタン膜を活用し、さらに表面の損失を回避するデザインを見つけることで、これまでの標準的な回路より１０倍程度損失の少ない２次元共振器の実現に成功した。また、この回路を超伝導量子ビットと量子カプラーと合わせて集積化し、ボソニック符号の予備実験として、２次元共振器内のマイクロ波光子を量子制御する実験をおこなった。引き続き、ボソニック符号の実装に取り組んでいるところである。

　１．２　周波数固定型超伝導量子コンピュータのおける超高性能量子ゲート
　標準的な超伝導量子ビットであるトランズモンを用いた量子コンピュータには、大きくわけて二つの実装方法がある。１つ目の方法が、SQUIDと呼ばれる素子を用いて、回路パラメータを極低温環境において磁場で制御する周波数可変方式である。この方式では、作製ばらつきを補償することができ、また量子ビット間のクロストークを大きく逓減することができるため、非常に高性能なゲートが実現可能であり、集積系においても99.9%程度の精度が実現されてきた。２つ目の方法は、回路パラメータを後から調整することができない周波数固定方式である。１つ目の方式に比べると、量子ゲートの高性能化が難しいという欠点がある一方で、高い拡張性と安定度が実現可能である。周波数固定方式では、量子ビットを調整する磁場用の配線が必要ないため、量子ビットあたりの最小配線数を達成できる。また制御性の高さは外部ノイズに対する敏感さを伴うため、周波数固定方式ではより高安定な量子ビットを実現することができる。こうした特徴のため、周波数固定方式での実装が現在の技術で最も集積化された量子コンピュータを実現すると言える。
　周波数固定方式は拡張性が高い一方で、量子ゲートの性能に問題があった。これは、周波数固定方式では、ゲートの高速性とクロストークの大きさとがトレードオフ関係にあり、従来の方法ではこれらを両立することができなかったためである。そこで、３年目までの研究において、周波数固定方式に量子カプラーと呼ばれる回路を追加することで、このトレードオフを解決した。しかしながら、このゲート手法は小規模な回路ではうまくいくものの、回路パラメータに大きな制約を要求し、大規模な回路では実装が不可能であることが明らかになった。そこで、今回、この量子カプラー方式をさらに発展させ、より自由な回路パラメータで動作する新しい量子ゲート（TIPゲート）を開発した。TIPゲートは、高速な動作が可能であり、周波数可変方式に引けをとらない、誤り訂正閾値を大きく超える約99.9%という超高性能な量子ゲートを周波数固定方式で実現することに成功した。また、このゲートには、エラーが起きたことを確認可能な機能が組み込まれており、誤り訂正と非常に相性が良い。現在、TIPゲートは特許出願中である。

　１．３　超高性能薄膜振動子
１．１節で述べたように、現在の最先端の超伝導量子回路は、すでにシリコン基板による損失に性能が律速されており、さらなる性能向上は難しい。そのため、誤り訂正の研究が広くおこなわれている。一方で、さらに高寿命な物理系に量子状態を変換し、そちらで量子状態を保持する量子メモリを考えることができる。その量子メモリとして動作可能な物理系の例としては、機械振動子と呼ばれる物理系が挙げられる。機械振動子はその動作周波数が超伝導量子回路より非常に低いため、超伝導回路の寿命を凌駕する高性能な機械振動子がこれまでに実現されている。本研究では、超伝導回路と結合可能な機械振動子の開発を目指して研究をおこなった。私たちの高性能超伝導回路はシリコン基板上の結晶性の窒化チタンを材料とした回路である。そこで、この超伝導膜を使って機械振動子を作ることができれば、超伝導回路に集積可能な薄膜振動子量子メモリが実現する。また、窒化チタンは機械振動子の高性能化という面でも魅力的な材料であることが言える。薄膜振動子のようなMEMSでは、物体に引っ張り応力を印加することで性能が向上することが知られており、高応力膜として窒化シリコンを用いたMEMSが詳細に研究されている。今回、私たちは結晶性窒化チタンがシリコン基板とのあいだに非常に大きな応力をもち、その大きさが従来の窒化シリコンを凌駕していることを発見した。また、実際にこの高応力窒化チタン膜を薄膜化し、２Ｋ環境で評価することで、1秒以上の寿命を持つ超高性能な薄膜振動子を開発することに成功した。

２．　電子トラップ
２．１　室温での電子トラップと抵抗冷却・鏡像電流検出
　３年目までの研究に引き続き、電子トラップの基礎的な技術を開発するべく、室温での電子トラップ実験に取り組んだ。室温で高Ｑ値で動作する同軸共振器にトラップ電極を内蔵させ、電子の捕獲・冷却・検出が同時におこなえる装置を開発した。電子が電極の近くで運動することにより、電極内には鏡像電流が発生する。この鏡像電流を共振器内に蓄え、外部の同軸線路に放出することで、電子の運動を減衰させながら電気信号に変化することができる。世界で初めてPaulトラップ中に捕獲された電子を冷却し、その信号を検出することができた。測定感度は熱雑音に律速され、電子数百個程度であると見積もられた。

２．２　希釈冷凍機内での電子トラップ量子技術に向けて
　前節のように、真空中に浮いた電子の冷却には、マイクロ波共振器を用いた非接触型の冷却が必要になる。その際の冷却限界は、共振器が置かれた環境温度になるため、量子状態の制御が可能なまでに電子を冷やすには、希釈冷凍機内での電子トラップが必要になる。また、より複数の電子トラップを形成し、それらを電気配線によって接続した大規模なシステムを実現するため、微細加工によって作られた電極で集積化されたトラップアレイを作る必要がある。現在、こうした実験を立ち上げながら、量子コンピュータとして動作させるときの性能とfeasibilityを評価している。

[主な発表論文]
2025:
1. High-fidelity all-microwave CZ gate with partial erasure-error detection via a transmon coupler, Shotaro Shirai, Shinichi Inoue, Shuhei Tamate, Rui Li, Yasunobu Nakamura, and Atsushi Noguchi, arXiv:2511.01260 (2025).
2. Trapping an atomic ion using time-division multiplexed digital-to-analog converters Ryutaro Ohira, Masanari Miyamoto, Shinichi Morisaka, Ippei Nakamura, Atsushi Noguchi, Utako Tanaka, Takefumi Miyoshi
Appl. Phys. Lett. 127, 234001 (2025)
3. High-Q membrane resonators using ultra-high-stress crystalline TiN films
Yuki Matsuyama, Shotaro Shirai, Ippei Nakamura, Masao Tokunari, Hirotaka Terai, Yuji Hishida, Ryo Sasaki, Yusuke Tominaga, Atsushi Noguchi,
Appl. Phys. Lett. 127, 222202 (2025).
4. Numerical Investigations of Electron Dynamics in a Linear Paul Trap
Andris Huang, Edith Hausten, Qian Yu, Kento Taniguchi, Neha Yadav, Isabel Sacksteder, Atsushi Noguchi, Ralf Schneider, Hartmut Haeffner,
arXiv:2503.12379 (2025).
5. Enhancing Intrinsic Quality Factors Approaching 10 Million in Superconducting Planar Resonators via Spiral Geometry
Yusuke Tominaga, Shotaro Shirai, Yuji Hishida, Hirotaka Terai, Atsushi Noguchi
EPJ Quantum Technology 12, 60 (2025).
6. Semi-analytical Engineering of Strongly Driven Nonlinear Systems Beyond Floquet and Perturbation Theory
Kento Taniguchi, Atsushi Noguchi, Takashi Oka
arXiv:2502.17200 (2025).
7. Image Current Detection of Electrons in a Room-Temperature Paul Trap
Kento Taniguchi, Atsushi Noguchi
Phys. Rev. A 112, 022420 (2025).
8. Quantum Logic Spectroscopy of an Electron and Positron for Precise Tests of the Standard Model
Xing Fan, Atsushi Noguchi, Kento Taniguchi
Physical Review A 111, 042806 (2025).
2024:
9. Superconducting surface trap chips for microwave-driven trapped ions
Yuta Tsuchimoto, Ippei Nakamura, Shotaro Shirai & Atsushi Noguchi
EPJ Quantum Technology 11, 56 (2024).
10. News & Views: A long lifetime floating on neon
Atsushi Noguchi
Nature Physics 20, 16 (2024).
2023:
11. Compact atom source using fiber-based pulsed laser ablation
Alto Osada, Ryuta Tamaki, Wenbo Lin, Ippei Nakamura, and Atsushi Noguchi
Appl. Phys. Lett. 122, 184002 (2023).
12. All-microwave manipulation of superconducting qubits with a fixed-frequency transmon coupler
Shotaro Shirai, Yuta Okubo, Kohei Matsuura, Alto Osada, Yasunobu Nakamura, and Atsushi Noguchi
Phys. Rev. Lett. 130, 260601 (2023).
13. Efficient low-energy single-electron detection using a large-area superconducting microstrip
Masato Shigefuji, Alto Osada, Masahiro Yabuno, Shigehito Miki, Hirotaka Terai, and Atsushi Noguchi
arXiv:2301.11212 (2023).

超伝導量子回路を用いた研究について、窒化チタンを用いた高性能な超伝導量子回路の作製、新しいゲート手法の開発、拡張性のある回路提案を行った。作製された超伝導量子ビットのエネルギー緩和時間は最大で450 usであり、世界最高レベルの値が実現した。また、量子ビットをカプラーに用いた量子ビット間の新しい共鳴を発見し、高性能な量子ゲートを行うことに成功した。この手法により超伝導量子コンピュータの配線数を逓減することができる。また、より高性能な量子系を目指した電子トラップ量子系のため、極低温で低エネルギーの電子を検出する方法を開発した。また、極低温で捕獲された電子の振る舞いをシミュレーションにより解析した。

１．超伝導量子ビット
　１．１　高性能超伝導量子ビット
　トランズモンと呼ばれる超伝導量子ビットはその回路の単純さから世界中の超伝導量子コンピュータで用いられている。その性能向上は直接量子ゲートの高忠実度化につながるため、多くの研究がなされている。今回、シリコン基板上にエピタキシャル成長されたTiN薄膜に着目し、長いコヒーレンスを持つ超伝導量子回路の作製に成功した。T1と呼ばれるエネルギー緩和時間は最大450 us程度、T2と呼ばれるコヒーレンス時間は最大150 us程度がそれぞれ実現された。これは近年高性能な回路が作製可能な薄膜として着目されているTa薄膜と同程度の性能であり、世界でも最高レベルの性能である。Ta薄膜はサファイア基板上で実装されており、加工がより容易なシリコン基板上で高性能なTiN薄膜には非常に大きな可能性があると言える。

　１．２　カプラーを用いた高性能量子ゲートの実装と集積化
　超伝導量子コンピュータの2量子ビットゲートを実装する方法として、主に「周波数可変量子ビットを使った共鳴」「周波数固定量子ビットを用いた交差共鳴」「SQUIDへの磁場変調によるパラメトリック共鳴」という3種類の共鳴を利用する方法がそれぞれ実装されてきた。順に、google, IBM, Rigettiの超伝導量子コンピュータの実装方式である。多くの大学の手法もどれかに属す。これらの手法は互いに一長一短があるが、今回我々は、これらのゲート方法における短所を克服するものとして周波数固定量子ビットを用いた新しい共鳴を利用するゲートを提案・実現した。この手法は、エラーの原因となるアイドル時の残留相互作用が除去可能であり、またゲートに必要なマイクロ波強度が少なく、さらに量子ビットへの配線数を減らした拡張が可能である。NCAR(Nonlinear Coupler Assisted Rabi) transitionと名付けたこの新しい共鳴は、量子ビット間にもう一つカプラーとなる量子ビットを追加し、そのカプラー量子ビッドをマイクロ波で駆動することによって発現する。実際にサンプルを作製し、この方式による2量子ビットゲートの動作を確かめた。また、この新しいゲート手法を用いることで大規模な超伝導量子回路を少配線で実現することができる。
れたイオンを冷媒として用いることで冷却を実現する。とくに超伝導回路、イオン・電子間のクーロン相互作用それぞれの非線形性により、外場駆動により電子の振動状態とその他の量子系を結合し、ハイブリッド量子系を構成することで冷却する手法について議論した。どの方法でも量子基底状態までの冷却が可能であり、また超伝導量子ビットやイオントラップと組み合わせた方法では電子の振動量子の検出が可能であることを数値的に解明した。

２．電子トラップ量子系
　２．１　電子トラップ系における基底状態までの冷却の実行可能性
　イオントラップと異なり、電子トラップではレーザー冷却手法が適用できないため、量子系として電子トラップ系を実現する手法は未開拓である。そこで、宙にいた電子を振動基底状態にまで冷却し、その振動量子を検出する方法の実行可能性について議論した。その方法として、「高Q値超伝導共振器」「超伝導量子ビット」「レーザー冷却イオンとの協働冷却」という3種類の方法を提案した。前者二つは極低温で電子を捕獲することで、最後の方法はレーザー冷却されたイオンを冷媒として用いることで冷却を実現する。とくに超伝導回路、イオン・電子間のクーロン相互作用それぞれの非線形性により、外場駆動により電子の振動状態とその他の量子系を結合し、ハイブリッド量子系を構成することで冷却する手法について議論した。どの方法でも量子基底状態までの冷却が可能であり、また超伝導量子ビットやイオントラップと組み合わせた方法では電子の振動量子の検出が可能であることを数値的に解明した。


２．２　極低温での低エネルギー単一電子検出
　前項で述べたように、電子トラップ量子系の実現の一つの方法として、極低温での電子トラップ技術が挙げられる。捕獲された電子のように真空中にある電子の検出方法として、室温においては電子増倍管やマイクロチャネルプレートと呼ばれる高効率の電子検出器が存在する。しかしこれらの手法は、高エネルギーの電子による2次電子発生に立脚しており、低エネルギーの電子を検出することができない。さらに微小な加熱が問題となる極低温では高電圧の印加が難しく、電子の加速にも課題がある。そこで、電子トラップ量子系の実現を目指し、極低温において低エネルギー電子を検出可能な新しい電子検出器を開発した。この検出器は、超伝導細線で構成されており、電子の衝突で超伝導が壊される現象を通じ、単一電子を検出する。実際に300 mK環境下でこのデバイスを操作させ、15 eVという非常に低エネルギーの単一電子を検出することに成功した。現在、この結果を論文にまとめて、投稿準備中である。

　２．３　極低温で捕獲された電子のシミュレーション
　ここまでに述べたように、電子トラップ量子系では極低温で電子を捕獲する。このような電子トラップ内に複数の電子が捕獲された場合の振る舞いをシミュレーションによって評価した。クーロン反発する電子が高密度低温になると、プラズマ状態からウィグナー結晶と呼ばれる状態に相転移することが知られている。イオントラップ量子コンピュータでも、このように結晶化した複数のイオンの集団振動を利用することで2量子ビットゲートを実装している。そこで、トラップ電子に対し、本研究で設計している電子トラップのパラメータを用い、ランジュバン方程式を解くことで、複数電子がどのような相状態になるかを解析した。この解析により、約2 Kという温度で複数の電子はウィグナー結晶に相転移し、個々の電子を量子ビットとした多数量子ビット系が実現することがわかった。

20世紀の初頭に誕生した量子力学は過去100年のあいだに著しい発展を遂げ、科学の広汎な分野にわたり、我々の世界に対する認識に大きな影響を与えてきた。素粒子から宇宙全体までのあらゆるスケールで量子力学の予言が検証され、物理学の基礎理論としての存在を確固たるものにしている。同時に量子力学は、集積電子回路技術や光通信技術をはじめとする、現代情報社会の根幹をなす技術の礎となり、日常的に意識されることは少ないながらも、すでに我々の生活に欠かせないものとなっている。

その一方で、状態重ね合わせなどの量子力学の基本原理を情報処理の研究開発へ応用する量子情報科学の考え方が議論されるようになったのは比較的新しく、今世紀初めから世界中で研究が加速されてきた。すでに小規模の量子計算ユニットの動作が試験され、最近では既存のスーパーコンピュータを凌ぐ量子超越性の実証が話題となっている。しかしながら量子コンピュータの本来の性能を引き出すためには、より高精度の量子制御を用いてエラーに強いアーキテクチャを実装する誤り耐性量子計算の実現が不可欠と考えられている。

野口氏の研究提案はこの課題に正面から取り組むものとなっている。いかに量子の自由度の制御を高精度に行うかという問題を追求し、より多くの自由度を持つ系における高度な量子制御の実現を目指して、量子計算・量子センシングに代表される量子情報技術の未来を切り拓こうとする野心的なものである。多自由度系の高精度量子制御をもって初めて可能となる誤り耐性量子計算の実現は、量子情報科学の大きなマイルストーンとなる重要な目標であると同時に、量子力学に支配される世界における人類の科学技術の到達点のひとつとなる。 野口氏はこれまでに、レーザー冷却され真空中にトラップされたイオンのような原子スケールの量子系から、超伝導回路の上で実現する量子ビット素子や半導体ナノメカニカル素子の機械的振動などのミリメートルスケールの量子系に至るまで、多様な物理系の実験に取り組み、次々と独創的な成果を挙げてきた。ラジオ波・マイクロ波から赤外光・可視光まで、幅広い周波数・エネルギースケールにわたる様々な量子制御技術を縦横無尽に駆使する、世界的に見ても稀有な若手研究者である。今回の提案においても、野口氏は超伝導回路を利用した新たな量子制御技術の実現を目指すだけでなく、真空中に電場でトラップされた電子などの新たな量子系を構築し、その上で高精度な量子状態制御手法を確立することを計画している。

野口氏は量子計算のための量子制御技術研究に関する有望なリーダーであり、InaRISフェローシップの支援により、今後10年という研究期間の中でこれまでにも増して次々と、斬新な発想に基づいた精緻な研究が展開されることが期待される。