まえがき超伝導単一磁束量子（Single Flux Quantum: SFQ）回路は、特定の物質において電気抵抗がある温度（超伝導転移温度）以下でゼロになる超伝導現象を利用したディジタル回路である。100 GHzに達する超高速クロック、かつ1ゲート当たり1 µWを下回る超低消費電力で動作するディジタル回路を構成することが可能となる。SFQ回路はこれまでにネットワークスイッチ[1]、マイクロプロセッサ[2]、アクセラレータ[3]といった様々な計算機の高速化への応用が進められてきており、現在でも更なる省エネルギーコンピューティングを目指した研究開発が進められている[4]。計算機応用以外にもアナログ／ディジタル混在回路への応用も進められており、高速なクロックで動作するという特長を生かした無線通信応用の広帯域アナログ／ディジタル変換器 [5][6]をはじめとして様々な超伝導検出器の後段信号処理回路[7]–[9]への応用研究が進められている。我々のプロジェクトでは超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（Superconducting Nanowire Single Pho-ton Detector: SSPD or SNSPD）[10]システムへの応用としてSFQ回路に基づく後段信号処理回路の研究開発に取り組んでいる。我々のプロジェクトでは複数チャンネルのSSPDを機械式冷凍機に実装したマルチチャンネルSSPDシステムの開発に既に成功しており、通信波長帯（1550nm）の光波長において、80%を超えるシステム検出効率を達成している[11]。既に量子情報通信分野での応用を中心に数々の研究開発現場で利用されており、今中長期計画では宇宙通信、バイオ・医療等、更1超伝導単一磁束量子（SFQ）回路は極低温環境下において動作する高速・低消費電力ディジタル回路である。我々はSFQディジタル回路を超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SSPD）の後段信号処理に適用し、シングルピクセルのSSPDでは実現不可能な大面積・高速なSSPD、あるいは光子数識別や空間識別（イメージング）が可能なSSPDの実現を目指した研究開発を進めている。また、我々のプロジェクトでは、これまでSFQ回路の超伝導電極として広く用いられてきたNbに替わり、超伝導転移温度が更に高い窒化ニオブ（NbN）を用いた集積回路作製プロセスについても研究開発を進めている。これにより、Nb集積回路では不可能な10 Kでの動作や、20 mKという極低温で動作する量子ビットの制御・読出し回路の高密度集積化が可能となる。本稿では、我々のこれまでの研究活動を紹介するとともに、今後の研究の方向性について述べたい。Superconducting single flux quantum (SFQ) circuits are high-speed and low-power digital cir-cuits operating at a cryogenic environment. We have applied SFQ digital circuits to the post signal processor for superconducting nanowire single-photon detectors (SSPDs) to realize high-speed SSPD system with large detection area and/or SSPD system with photon-number or spatial resolu-tion (imaging) that cannot be realized by single-pixel SSPD. Although SFQ circuits have been fab-ricated using niobium (Nb) as a superconducting electrode, we have developed fabrication process of SFQ circuits based on niobium nitride (NbN) with a higher critical temperature. The NbN inte-grated circuit enables the operation at 10 K that is never achievable by Nb and also dense integra-tion of SFQ circuit operating at 20 mK for the control and readout of superconducting quantum bits. In this paper, we introduce our research activity so far and describe the future prospect of this technology.2-4 単一磁束量子回路を用いた極低温信号処理システムの開発2-4Development of Cryogenic Signal Processor by Using Single Flux Quantum Circuits宮嶋茂之MIYAJIMA Shigeyuki372 光制御・ナノICT基盤技術 —基盤から応用まで—
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