量子電子物性研究部
超伝導永久電流量子ビットとしても知られる磁束量子ビットは、複数個（通常は３個）のジョセフソン接合を周上に配したマイクロメータ寸法の超伝導ループである。この磁束量子ビットは、量子情報処理を実現するための最も有望な候補の一つと考えられている。マイクロエレクトロメカニカル系（MEMS）よりも小さいナノエレクトロメカニカル系（NEMS）は、分子レベルでの微小変位や非常に小さな力の計測を可能にする技術を提供すると期待されている。一方、十分に高い振動数のナノメカニカル共振器（NAMR）は、低温では量子化された調和振動子として振舞う。このNAMRと相互作用する磁束量子ビット系は、双方の寸法やエネルギースケールが同程度であることや散逸の効果を十分小さく設計できることなど、固体素子系における全く新しいタイプの共振器量子電気力学を実現できる可能性があることから注目されていた。この考え方に立てば、将来NAMRは複数個の磁束量子ビット操作の量子データバスの役割をも担える可能性もあると考えられている。NAMRと磁束量子ビットの相互作用のメカニズムを応用すれば、磁束量子ビットをNAMRの量子状態の生成や検出に使うことも可能となる。実験的には、磁束量子ビットのコヒーレンス特性は、急速に進歩しているにも係わらず、これまでに提案されてきたのは、NAMRとジョセフソン電荷量子ビットの系に関するもののみであった。
このような状況で、我々は、NAMRの機械的振動モードと超伝導（ジョセフソン/位相滑り）磁束量子ビットを流れる永久電流との能動的な可変結合機構を提案した[1]。図１に示すように、提案した機構を用いれば、相互作用は外部から印加された古典的磁場によって、その場で制御することが可能となる。我々が行った数値的評価から、この系は、強結合極限をも実現可能な固体素子系における新たな共振器量子電気力学系となることが判明した。提案した機構を用いて、新たな系での量子光学実験を実証することや、量子情報処理へ向けた量子ビットのコヒーレント操作が可能となる。さらに、この相互作用機構は超伝導ジョセフソン接合系が二準位系でなく、より一般に多準位量子系である場合にも適用可能である。
[1] F. Xue, Y. D. Wang, C. P. Sun, H. Okamoto, H. Yamaguchi, and K. Semba, New J. Phys. 9 (2007) 35.
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