ヤン･ヨハンソン1 齋藤志郎1 中ノ勇人1 上田正仁2 仙場浩一1
1量子電子物性研究部 2東京工業大学/NTTリサーチプロフェッサ
ジョセフソン接合を含む超伝導回路は、量子計算の必須要素である量子ビットの有望な候補と考えられている[1]。３つのジョセフソン接合を含む磁束量子ビット[2]もそのような候補の１つである。超伝導量子ビットの基本的なコヒーレント操作[3、4]
が日常的に可能となった今日では、原子を磁束量子ビットで置き換え、Q値の高い単一モード(光子)共振器をLC回路で置き換えることで、超伝導チップ上で共振器量子電気力学
(cavity QED) 実験を行うことが夢ではなくなってきた(図１)。励起状態に準備した磁束量子ビットをバイアス磁束シフトパルスによってLC調和振動子と共鳴させた直後に量子ビット状態を読み出すという手法を用いて本系の真空ラビ振動(光子1個の交換振動)を時間領域で観測することに成功した[5]。観測された真空ラビ振動数は約
140 MHz で、リュードベリ状態 n=50、51のRb原子(通常の原子)を用いた実験[6]と比較するとその値は約
3×103 (1×107) 倍にも達する。このように、超伝導量子回路を用いれば cavity QED 実験の必須条件である強結合条件が原子の場合と比較して遥かに容易に達成可能であることが実証された。これは、原子に比べ超伝導回路が桁違いに大きく、マクロな数のクーパー対で形成されるµAレベルの電流が量子状態を形成していることで説明される。また、図２
に示すように、LC回路を非常に僅かに励起し真空状態と異なる初期状態を準備した場合のラビ振動数の変化を観測することにより、数百ミクロンの超伝導LC回路の状態が確かに量子化されていることの直接証拠を得ることができた。更に、我々はこの量子LC振動子を多数の磁束量子ビットで共有し、量子光学分野で実績のある一連のマイクロ波パルス列を用いることによって、隣接していない任意の一組の量子ビット間のユニバーサルな量子演算ゲートを実現可能であると考えている。
[1] F. Wilhelm and K. Semba, in "Physical Realizations of Quantum Computing: Are the Divincenzo Criteria Fulfilled in 2004?", (World Scientific Publishing Company; April, 2006)
[2] J. E. Mooij et al., Science 285 (1999) 1036.
[3] T. Kutsuzawa et al., Appl. Phys. Lett. 87 (2005) 073501.
[4] S. Saito et al., Phys. Rev. Lett. 96 (2006) 107001.
[5] J. Johansson et al., Phys. Rev. Lett. 93 (2006) 127006.
[6] J. M. Raimond, M. Brune, and S. Haroche, Rev. Mod. Phys. 73 (2001) 565.
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