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東京大学 先端科学技術研究センター 量子情報物理工学分野

研究内容Research

超伝導量子ビットの量子状態制御


共振器の中に超伝導量子ビットを入れ、
マイクロ波で制御する

量子力学は現代の物理学の根幹をなすものです。

しかし私たちの日常生活において量子力学的な効果を目の当たりにすることはまずありません。同様に,トランジスタの中の個々の電子の運動は量子力学なしでは説明できないにもかかわらず,通常電気回路の動作の記述に量子力学は必要とされません。

ところが超伝導体で構成された電気回路上では電気抵抗がないためにエネルギー散逸が小さく,量子性がよく保たれます。うまく設計し,熱揺らぎの少ない極低温環境下で動作させると,チップ上のマイクロメートルから時にはミリメートルスケールの超伝導回路が巨視的な人工量子力学系として振る舞います。ジョセフソン効果を利用した超伝導量子回路では,有効的な量子2準位系すなわち量子ビットが実現し,この量子状態をマイクロ波帯の電気信号で任意の状態に制御し観測することが可能です。

人工原子としての超伝導量子ビットはその巨視的な大きさゆえに巨大な電気的あるいは磁気的双極子モーメントを持ち,電磁場と強く結合します。特に超伝導共振回路や超伝導伝送線路などの空間的に閉じ込められた電磁場のモードと結合させることで,電磁場モードの零点振動と人工原子の相互作用の効果が如実に現れてきます。これらを舞台とした、マイクロ波のエネルギー領域における量子光学の研究を進めています。

超伝導量子ビットは量子コンピュータ実現に向けて,量子情報処理を行うための基本素子として注目されています。その特性改善,制御・観測技術の向上,集積化へ向けた取り組みも行っています。



ハイブリッド量子系


共振器の中に強磁性体と超伝導量子ビットを
入れ、マイクロ波との結合によって双方を制
御する
薄膜振動子を用いたマイクロ波・光変換器の
模式図

これまでの研究で,超伝導量子回路の量子状態の制御・観測を高精度に行うことができるようになってきました。また複数の量子ビットや共振器の関与する複雑な量子状態の制御も可能になっています。

今度はこれをツールとして用い,他の物理系の量子状態を自在に制御することに取り組んでいます。超伝導量子回路と他の物理系の間で量子状態を転写することで,それぞれの物理系の特徴を活かし,量子情報をより長い時間蓄えることのできる量子メモリや,量子情報通信のための光インターフェイスを実現することを目指します。

対象とする具体的な量子系として、ナノメカニクス素子の固有振動モード、強磁性体中のマグノンモードなどを用いた試みを行っています。超伝導量子回路上のマイクロ波との結合、あるいはレーザー光との結合により、これらの量子力学的自由度の冷却や状態制御・観測に挑戦しています。



強磁性体中のマグノンモード


マイクロ波によって、共振器中の強磁性体の
スピンを制御する

近年,量子ビットと光の間で量子情報を自由に行き来できる量子トランスデューサの研究が盛んに行われており,私たちはその変換媒体の候補として強磁体中の電子スピン集団に着目しています。

強磁性電子スピン集団が形成するスピン波モードの中には,その長波長極限において静磁モードと呼ばれる巨視的なモードが存在し,電磁場との結合が強く、モード整合が容易であるという利点があります。強磁性絶縁体であるイットリウム鉄ガーネット (YIG) は,マイクロ波周波数における強磁性共鳴線幅が非常に狭いことで知られており,マイクロ波フィルタや発振器に使われています。

私たちの研究室では量子トランスデューサへの第一歩として,マイクロ波−強磁性スピンの結合実験を行っています。マイクロ波共振器中の真空場と,巨大な双極子モーメントを持ったスピンとの相互作用を,極低温下にて観測しています。またマイクロ波電磁場モードを介したスピンと超伝導量子ビットとの結合の実装にも取り組んでいます。



オプトメカニクス


光共振器中の振動子を、レーザーによって操
作する

量子の実験というと,原子や電子,光子を扱ったような実験を思い浮かべる人が多いと思います.
単一原子の電子状態など,これら単一の量子を操るには,ある意味「無駄」をそぎ落とした物理系の方が実際的であり,初期の量子の実験では真空中に浮かべた原子や,周辺環境から影響を受けにくい光の研究が広く展開されました.大きな分子や固体系では,接触している環境からの影響を受けやすく,内部の構造も複雑になり,その中に含まれる量子の効果はどうしても微弱になりがちです.

近年,MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)やNEMS(Nano-EMS)という,マイクロ・ナノスケールの微小機械構造を作製する技術が飛躍的に向上し,様々なデザインのデバイスが携帯電話から宇宙船の部品まで幅広く利用されています.これら微細加工を用いて作られたデバイスの特色は,もちろんその高いデザイン性です.これを生かして「環境の影響を受けにくい」固体デバイスの作製することが可能になってきています.

私たちは現在オプトメカニクスという研究を進めています.電磁波(オプト)を用いて振動子(メカ)を量子操作しようというものです.今まで環境の影響が強く,量子性の観測が困難であったマクロな振動子を,新たな量子系として確立しようとしています.NEMSの持つデザイン性の高さを生かして,様々な物理系が量子的に結合したハイブリッド量子系の開発,マイクロ波から光までエネルギースケールの大きく異なる電磁波と結合する振動子の開発など,様々な応用に向けての開発研究や,マクロ振動子を用いた古典‐量子の境界の探求,デコヒーレンスの測定など基礎物理にも興味を持って研究を進めています.


東京大学先端科学技術研究センター
量子情報物理工学分野

中村・宇佐見研究室

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