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2025.12.09
【研究成果】800万回以上振動が続く超伝導の「太鼓」の作製に成功 ──量子センシングや量子メモリへの応用に期待──
2025年12月09日
東京大学
理化学研究所
発表のポイント
- 高品質な窒化チタン薄膜をシリコン枠に張ることで、長時間振動が続く「太鼓」（薄膜振動子）の作製に成功しました。
- エピタキシャル成長した窒化チタン薄膜が持つ高い引っ張り応力と、シリコン基板に設けた周期構造によるノイズ低減技術を組み合わせることで、振動子のエネルギーの損失を防ぎました。
- 窒化チタンは高性能な超伝導量子回路を構成する材料であるため、この薄膜振動子を量子回路によって制御することができます。この技術によって量子センシングや量子メモリといった量子技術の基盤となることが期待されます。
概要
東京大学大学院総合文化研究科の松山勇喜大学院生、中村一平特任助教、野口篤史准教授、理化学研究所量子コンピュータ研究センターの白井菖太郎特別研究員、佐々木遼基礎科学特別研究員、冨永雄介特別研究員、IBM東京基礎研究所の徳成正雄氏、情報通信研究機構の菱田有二研究技術員、寺井弘高上席研究員らの研究グループは、エピタキシャル成長（注1）した高品質な窒化チタン薄膜を用いて、損失の少ない高性能な薄膜振動子を作製することに成功しました。本研究では、薄膜の応力が振動子としての性能を向上させることに着目し、非常に大きな応力を持つ窒化チタン薄膜を用いて薄膜振動子を作製しました。窒化チタン薄膜は応力が高いことに加えて、超伝導材料として電気的な損失が少ないという特徴もあります。超伝導量子ビットをはじめとした超伝導量子回路（注2）と、本研究の薄膜振動子を接続することで、量子センシング（注3）や量子メモリ（注4）といった量子技術の基盤となることが期待されます。
(b) (a)のサンプルを裏返し、薄膜振動子を顕微鏡で見たようす。一辺の長さは420 マイクロメートル（µm、1 µmは100万分の1メートル）で、厚さは100 ナノメートル（nm、1 nmは10億分の1メートル）である。
発表内容
微細加工技術によって作製された機械振動子は、光やマイクロ波を用いてその振動を高精度に測定・制御することができます。近年、その精度は量子ゆらぎが観測できるほど高くなってきており、機械振動子の量子制御に関する研究が進められています。量子状態は、それぞれ特徴的な寿命を持っており、ある時間で壊れてしまうことが知られています。機械振動子の大きな特徴の一つに、非常に長い寿命を持つということが挙げられます。この長い寿命を利用することで、量子センシングや量子メモリといった量子技術の性能を大きく向上することが期待されています。
こうした応用に向けて、薄い膜を太鼓のように張った構造を持つ薄膜振動子が着目されています。その理由は、高い応力を持つ薄膜を用いることで、長い間振動が維持される薄膜振動子を作製することができるからです。これまでは高応力な窒化シリコンが主に用いられていましたが、極低温では窒化シリコンがアモルファス（注5）であることに由来した損失が問題視されており、損失の少ない結晶性の材料を用いることが求められていました。加えて、窒化シリコンを用いて電気的な測定・制御を行うためには、導電性の電極を薄膜の上に追加で用意する必要があり、それが振動子のエネルギーの損失を増やしてしまうという問題もありました。
本研究では、シリコン基板上に製膜された高品質な結晶性窒化チタン薄膜により薄膜振動子を作製しました。この膜は非常に大きな応力を持っているのに加えて、低温で超伝導体となることから、超伝導回路を用いた量子マイクロ波技術との相性が良いと言えます。さらなる高性能化のために、窒化チタン薄膜振動子の周囲にシリコンで作られたフォノニック結晶（注6）を設けることにより、薄膜振動子のエネルギーが周囲に緩和することを防ぎました。
作製した薄膜振動子の性能を評価するため、低温下（約2ケルビン）で光干渉計を用いた測定を行い、その結果、振動が800万回以上続く非常に長い寿命を持つことがわかりました。薄膜の応力と寿命の温度依存性についても測定し、いずれも温度が低くなるほど高くなることがわかりました。
本成果は、薄膜振動子の量子技術への応用に向けて、新たな高性能材料の可能性を提案するものです。超伝導量子ビットをはじめとした超伝導量子回路と組み合わせることで、マイクロ波を用いた量子センシングや量子メモリとして応用されることが期待されます。
(b) Q値の温度依存性。Q値は寿命に比例する性能指標であり、薄膜の振動が何回続くかを示す。温度が下がるほどQ値は向上し、最大で800万程度まで大きくなることがわかった。すなわち一度振動が起こると、800万回も振動が続くということである。
発表者・研究者等情報
東京大学大学院総合文化研究科
松山 勇喜（大学院生）
中村 一平（特任助教）
野口 篤史（准教授）
兼：理化学研究所量子コンピュータ研究センターハイブリッド量子回路研究チーム チームリーダー
理化学研究所 量子コンピュータ研究センター
白井 菖太郎（特別研究員）
兼：東京大学大学院総合文化研究科 特任研究員
佐々木 遼（基礎科学特別研究員）
冨永 雄介（特別研究員）
IBM東京基礎研究所
徳成 正雄（スタッフ・リサーチ・サイエンティスト）
情報通信研究機構
菱田 有二（研究技術員）
寺井 弘高（上席研究員）
論文情報
雑誌名：Applied Physics Letters
題名：High-Q membrane resonators using ultra-high-stress crystalline TiN films
著者名：Yuki Matsuyama, Shotaro Shirai, Ippei Nakamura, Masao Tokunari, Hirotaka Terai, Yuji Hishida, Ryo Sasaki, Yusuke Tominaga, and Atsushi Noguchi
DOI：10.1063/5.0300550
研究助成
本研究は、CREST「超伝導・磁性・機械の融合によるスケーラブル量子計算機（課題番号：JPMJCR24I5）」とIBM-UTokyo labからの助成により実施されました。
用語解説
（注1）エピタキシャル成長：
基板の結晶構造に沿って結晶性の薄膜を成長させる技術。結晶の乱れや欠陥が少ない薄膜を形成できることに加えて、薄膜の応力を生む要因にもなる。
（注2）超伝導量子回路：
超伝導薄膜と超伝導接合から構成される電気回路。超伝導量子コンピュータの量子演算ユニットを構成する。
（注3）量子センシング：
量子制御技術によって磁場や電流などを高精度に測定する技術
（注4）量子メモリ：
量子コンピュータや量子ネットワークにおいて、量子情報を長時間保持する素子
（注5）アモルファス：
構成する原子の配列が規則的でない物質のこと。配列が規則的である結晶と対比されることが多く、非結晶と呼ばれることもある。
（注6）フォノニック結晶：
特定の構造を繰り返し配置することで、弾性波の伝播を制御する構造。本研究のフォノニック結晶は、薄膜振動子の振動周波数付近の弾性波の伝播を抑制するように設計されており、振動の寿命を長くする効果がある
