2023年7月27日，日本产业技术综合研究所（AIST）正式成立了量子人工智能融合技术业务发展全球研究中心（G-QuAT）。近日，该中心开发了一种用于评估低温环境下高频基板材料电气性能的新技术。
世界各地正在开发的量子计算机，尤其是那些使用超导电路的计算机，都在极低的温度下试图控制和读取量子比特，这就需要在极低温和室温之间传输高频信号。因此，要实现大规模量子计算机，必须实现低温环境下工作的高频电路的高密度化。在这种情况下，用于安装高频元件的基板材料的电气性能对整个电路的高频特性影响很大。然而，此前并没有在低温环境下评估这些特性的技术。
在这项研究中，G-QuAT开发了一种技术，将平衡型圆盘谐振器法加以改进，以便能够通过精确评估最终确定4K至300K温度范围内三种材料的电性能参数（包括介电常数、耗散因数和电导率），该方法用于在室温下高精度评估高频基板材料。这种技术将加速用于低温领域高频元件的集成化以及高密度扁平电缆的开发，为实现量子计算机大规模的应用做出贡献。
世界各国的企业和研究机构都在致力于量子计算机的大规模应用，尤其是使用超导电路的方式，已经制造出了集成数百个量子比特的量子处理器。然而，要进一步增加量子比特的数量并实现实用级别的量子计算机，仍面临一些挑战。其中之一是在极低温下将量子比特与室温测量设备连接所需的低温高频电路的高密度化。因此，使用高频基板材料实现各高频部件（放大器、衰减器、滤波器等）的集成化以及高密度扁平电缆的开发被认为是当务之急。
用于安装高频元件的基板由电介质片和金属箔的层压结构组成。此外，用于形成扁平电缆的基板也是由类似的层压结构组成。目前还没有在极低温环境下确定这些层压结构在高频区域的电气特性的技术，这阻碍了用于量子计算机的低温高频元件的开发。
AIST为了推动量子相关技术以及下一代无线通信技术的发展，一直致力于开发高频段的设备评估和材料评估的测量技术，并为相关行业提供了测量解决方案。作为这项工作的一部分，AIST正在开发一种平衡圆盘腔方法，用于确定室温下高频电路设计所需的介电片的复介电常数以及介电/金属界面的电导率（2019年1月17日产综研新闻稿，2020年6月21日产综研新闻稿）。此外，AIST还在开发用于评估高频元件在低温环境中的反射和传输特性的技术（2023年9月21日产综研新闻稿）。在这项研究中，为了加速大规模超导量子计算机不可或缺的低温高频电路的开发，AIST将这些测量技术结合起来，开发了低温环境下的材料评估新技术。
这项研究和开发得到了科学研究补助金（JSPS Grant-in-Aid for Scientific Research）“使用圆极化微波的二维电子系统复杂电导率测量方法的开发和应用（2022~2024 财年）”（JP22H01964）和“自旋波自旋电流极性控制和器件应用（2022~2024 财年）”（JP22H01936 年）的支持。
该技术将部署在全球量子与AI融合技术业务发展中心的量子硬件测试平台上，并将为相关行业提供测量服务。此外，AIST还将进一步开发用于量子计算机低温高频电路的磁性和超导材料的评估技术。
该技术的详细信息已于2025年1月15日发表在《Applied Physics Letters》期刊中。（DOI: 10.1063/5.0242356）
