中ノ勇人1 角柳孝輔1 仙場浩一1 上田正仁2
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ー
量子計算機は、量子ビットと呼ばれる２状態素子を単位要素として、それを多数集めて構成される。量子計算機の実現にとって最も重要な要求、すなわち、コヒーレンス時間（量子状態の重ね合わせが維持される時間）内に計算を行うには、多数の量子ビットの中から任意の２つを随意に選択し、それらの間で２ビット量子演算を実行できると非常に有利である。特に、２つの量子ビットが空間的に隣り合っていなくても演算が可能であることが強く望まれる。しかし、通常、２量子ビット演算はビット間の物理的な相互作用を利用するため、他のビットに影響を与えないようにすることや、空間的に離れた２つの間で演算を行うのは多くの困難を伴う。
我々は今回、超伝導量子ビット系に対して、そのような２ビット演算を可能とする構造と操作原理を考案し、その物理的特性を理論解析によって明らかにした（図１）[1]。全ての量子ビットは同一の超伝導共振回路（LC共振回路や伝送線路）と相互作用しているが、個々の量子ビットの共鳴振動数は直接の相互作用が無視できるよう十分に離れている。この共振回路を介した間接的な相互作用を利用して、上に述べた機能を実現する。
ある特定の２つの量子ビット（共鳴振動数 ω1 、ω2）のみの間で２ビット演算を行わせるには次のようにする。共振回路にジョセフソン接合を使えば、接合に流す直流バイアス電流（Ib）によって共鳴振動数ωrが可変であることが重要である。ここで、共振回路の共鳴振動数をωr〜（ω1 + ω2）/2にチューニングし、外部から、ωex〜（ω2 − ω1）/2の振動数のマイクロ波を印加すると、２光子ラビ振動という過程によって、共振回路の状態は変化せずに２つの量子ビットの間の関係だけを変化させる、すなわち、２ビット演算を行うことができるようになる（図２）。ωr、ωexに関して、上の２つの条件を同時に満足する２つの量子ビットだけしか反応できないので、共振器とマイクロ波をうまくチューニングすることで多数の量子ビットの中から特定の２つだけを選択できる。また、共振回路の大きさはLC回路でも1
mm程度[2]、伝送線路ならさらに長距離離れた量子ビットを媒介することができるので、空間的に離れた量子ビットの２ビット演算が可能となる。
本研究はJST-CREST、科研費補助金（No.18201018、18001002）の援助を受けて行われた。
[1]H. Nakano, K. Kakuyanagi, M. Ueda, and K. Semba, Appl. Phys. Lett. 91 （2007） 032501.
[2]J. Johansson, S. Saito, T. Meno, H. Nakano, M. Ueda, K. Semba, and
H. Takayanagi, Phys. Rev. Lett. 96 （2006） 127006.
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| 図１ 量子ビット結合器の構造 |
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