ATC，アイソレータの超小型化の実証に成功

国立天文台先端技術センター（ATC）は，将来の量子コンピュータに必須となるマイクロ波アイソレータの超小型化を可能にする基礎原理を世界で初めて実証した（ニュースリリース）。

身のまわりのさまざまな機械の中にある電子回路では，信号が正しい方向に伝わらなければ正常に機能しない。信号の向きを制御する部品のひとつが「アイソレータ」で，天文学の分野でも使われている。

例えば国立天文台で開発している電波観測装置では，極低温部に設置されて電波をとらえる超伝導センサと，センサからの信号を読み出す増幅器の間にアイソレータを入れることで，センサへ信号が逆流することを防いでいる。

また，昨今盛んに開発が進んでいる超伝導量子コンピュータでも，極低温部に設置された量子ビットと，その状態を読み出す増幅器の間にアイソレータを挿入し，信号の逆流によって量子ビットの量子状態が壊れるのを防いでいる。

アイソレータはさまざまな装置で使われているが，現在広く使われている磁性体を利用したアイソレータは，原理的にその大きさをセンチメートルサイズ（典型的には3cmx3cmx1cmくらい）より小さくすることが難しい。

この問題は，100万量子ビットを擁する本格的な量子コンピュータの実現のための大きな課題となっている。現在実現している量子コンピュータの量子ビット数はおよそ100に過ぎず，これを1万倍にするためにはアイソレータを含む様々な部品も多数必要となるため，部品の超小型化を行なわなければならない。電波を受信する超伝導センサを多数並べた多素子カメラの開発にも，同じ課題がある。

今回研究グループは，2つの周波数ミキサと2つの位相制御回路を使った極めて単純な回路構成でアイソレータが実現できることを発案し，その原理を理論的・実験的の双方で実証することに成功した。このアイソレータは，従来の磁性体を用いたアイソレータとは原理的にまったく異なるもの。

また，今回実証したアイソレータは基板上の平面回路内ですべて構成できることから，集積回路によってミリメートルサイズまで超小型化できる可能性がある。これは，従来の仕組みのアイソレータに比べて体積比で3桁以上小型化できることを意味する。

さらに，一般的なアイソレータは機能する信号の周波数に制限があるが，今回開発したアイソレータは，原理的にはGHzオーダーの非常に広い周波数帯域で動作し，かつ従来のアイソレータと同等の性能を実現できる可能性がある。

研究グループは，量子コンピュータや多素子電波カメラの大規模化を飛躍的に発展させることが可能になると期待している。