米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）量子与人工智能融合技术业务发展全球研究中心（G-QuAT）物理测量标准研究部计量标准中心高级研究员荒川智树（Tomoki Arakawa）高级研究员加藤佑人（Yuto Kato）和研究组组长今森太郎（Moritaro Kon）开发了一种评估低温环境下高频基板材料电特性的技术。
世界各地都在进行开发量子计算机，特别是在极低温度下使用超导电路的系统量子位，在低温和室温之间传输高频信号。因此，为了实现大规模量子计算机，提高在低温环境下运行的高频电路的密度至关重要。此时，用于安装高频元件的板材料的电气特性极大地影响整个电路的高频特性。然而，没有技术可以在低温环境下对其进行评估。
本次将用于评估接近室温的高精度高频基板材料平衡盘谐振器方法，我们开发了一种技术，可以精确评估决定4K至300K温度范围内电性能的三个材料参数（相对介电常数、介电损耗角正切和电导率）。该技术将加速低温地区使用的高频元件的集成和高密度扁平电缆的开发，为大规模量子计算机的实现做出贡献。
有关此技术的更多信息将于 2025 年 1 月 15 日（美国东部时间）提供。应用物理快报”将被列为编辑精选。
世界各地的公司和研究机构正在致力于扩大量子计算机的规模，特别是使用超导电路创建集成数百个量子位的量子处理器。然而，为了进一步增加量子比特的数量并实现实用的量子计算机，仍然存在一些挑战。其中一项努力是增加低温高频电路的密度，以将极低温下的量子比特与室温下的测量设备连接起来。因此，利用高频基板材料集成各种高频元件（放大器、衰减器、滤波器等）以及开发高密度扁平电缆是当前的课题。
用于安装高频元件的板由介电片和金属箔的层压结构组成。用于形成扁平电缆的基材也具有类似的层压结构。目前还没有技术能够在极低的温度环境下确定这些叠层结构在高频范围内的电性能，这阻碍了量子计算机中使用的低温高频组件的发展。
AIST开发了用于高频段器件评估和材料评估的测量技术，并为工业界提供测量解决方案，以推进量子相关技术和下一代无线通信技术。作为这项工作的一部分，我们正在开发一种平衡盘谐振器方法，以确定介电片的复介电常数和介电/金属界面的电导率，这对于室温下的高频电路设计是必需的。2019 年 1 月 17 日 AIST 新闻稿、2020 年 6 月 21 日 AIST 新闻稿）。我们还在开发评估低温环境下高频元件的反射和传输特性的技术。2023 年 9 月 21 日 AIST 新闻稿）。这次，为了加速大规模超导量子计算机必不可少的低温高频电路的开发，我们结合这些测量技术，开发低温环境下的材料评估技术。
此项研究和开发得到了科学研究补助金 (JSPS KAKENHI)“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 年) 的支持。 ~FY2024）”（JP22H01964）和“自旋波自旋电流的极性控制和器件应用（FY2022~FY2024）”（JP22H01936）。
安装高频元件的电路板具有介电片和金属箔的叠层结构，因此在电路设计中使用介电片复介电常数（相对介电常数和耗散正切）和电介质/金属界面电导率是重要的信息。通过对平衡盘谐振器方法进行原创改进，我们开发了一种在 4 K 至 300 K 的宽温度范围内同时评估三个材料参数（相对介电常数、介电损耗角正切和电导率）的技术。
图 1 左侧显示了我们开发的平衡盘谐振器的横截面图。在这种方法中，定位在金属盘周围共振模式的属性通过放置在上方和下方的同轴端口进行测量，以评估材料参数。这次，我们在待测高频基板材料（铜箔/介质片/铜箔）的两侧制作了圆盘和激励孔的图案，并将两个基板彼此相对放置。在此设置中，将测量影响谐振特性的所有介电片/金属界面（参见图 1 左侧的红线）。结果，消除了现有方法中误差源的电介质片/金属界面处的空隙的影响，使得即使在施加热应变的低温环境下也能够高精度地评估材料参数。我们将评估低温环境下反射和透射特性的技术应用于材料参数的评估，构建了独特的测量系统（图1右）。这里，通过使用高频开关切换具有不同电介质片厚度的两个平衡盘谐振器来进行测量。这消除了测量系统中因温度变化引起的误差因素，使得在低温环境下高精度地确定材料参数成为可能。
图1（左图）平衡盘谐振器的横截面图和（右图）测量系统的概念图
*原始论文中的数字被引用或修改。
为了证明所开发技术的实用性，在 10 个温度点（4 K、10 K、20 K、30 K、50 K、70 K、100 K、150 K、200 K、300 K）对市售高频基板材料进行了评估。图 2（左）显示了测得的电导率与频率的关系。这次，我们得到的结果是，随着温度降低，电导率的频率依赖性变得更加明显。此外，我们发现这种行为遵循考虑了铜箔界面粗糙度的模型，并成功地使用拟合定量评估了界面粗糙度（图2，右）。人们普遍认为，由于电导率增加，高频传输线中的导体损耗在低温环境下会降低。然而，现在已经很清楚，随着电导率的增加，趋肤深度减小，界面粗糙度成为导体损耗的主要原因。图3显示了相对介电常数和介质损耗角正切的测量结果。测量的介电常数在 20 K 以下近似恒定，而介电损耗角正切随温度单调下降。有关这种温度依赖性的信息对于预测低于 4 K 的高频基板材料的性能非常有用。
图2（左）电导率测量结果和（右）拟合结果
*原始论文中的数字被引用或修改。
图3（左）相对介电常数和（右）介质损耗角正切的测量结果
*原始论文中的数字被引用或修改。
新开发的技术将有助于开发基于精确材料参数的高性能低温高频元件。此外，量子计算机的读出电路需要低损耗和高密度布线。然而，在使用细传输线的密集布线中，导体损耗在传输损耗中所占的比例增加。因此，此次阐明的导体损耗机理将对低损耗高频基板材料的开发起到重要指导作用。
该技术将被引入全球量子/人工智能技术业务发展基地的量子硬件测试床上，为行业提供测量服务。我们还将开发构成量子计算机低温高频电路的磁性和超导材料的评估技术。
已出版的杂志：应用物理快报[编辑精选]
论文标题：低温下微波材料特性的测定
作者：Tomonori Arakawa、Yuto Kato 和 Seitaro Kon
DOI：https://doiorg/101063/50242356