角柳孝輔 影井誠一郎* 鯉渕良太* 仙場浩一
量子電子物性研究部 *東京理科大学
超伝導磁束量子ビットは量子演算を行うための素子として有望視されているものの一つである。従来この磁束量子ビットの量子状態測定には磁束量子ビットの作る微小な磁場をSQUIDで検出する方法が用いられてきた[1]。しかしこの方法はSQUIDを電圧状態にするため、被測定系への反作用が大きくまた高速測定も難しいため、コヒーレンス時間内に複数回の測定を必要とする量子アルゴリズムの実行が困難という問題があった。そこで我々は非線形共振回路の示す双安定性を利用したジョセフソン分岐増幅 (JBA) [2]を用いた磁束量子ビットの状態測定を試みた。この方法はジョセフソン接合を電圧状態にしないので、量子非破壊測定など被測定系への反作用が極限まで小さい測定を高速に実現できる可能性がある。
我々は両端にキャパシタを備えた伝送線路共振器の中央に磁束量子ビットを囲むSQUID構造を配置した試料を作製し、その透過特性を測定した。この共振器はジョセフソン接合の持つ非線形性のため、駆動マイクロ波電力の上昇とともに共振周波数が低周波側にシフトし、一定の駆動電力以上で共鳴スペクトラムに跳びを示した。これは2つの安定状態間の遷移であり、双安定状態が実現していることを意味している。2つの安定状態のうちどちらが実現するかは共振器の状態に依存するため、共振器と磁束量子ビットを磁気的に結合させることにより量子ビットの状態を共振器の状態に反映させることができる。共振器の2つの共振状態はそれぞれ透過マイクロ波の位相と振幅が異なるため、透過マイクロ波信号をホモダイン検波することによって磁束量子ビットの状態を測定することができる。そこでパルスマイクロ波を入力し磁束量子ビットの状態の測定を試みた。図1はパルス測定に用いた測定系のブロック図と読み出しの例である。パルス状に切られたマイクロ波をJBA回路を透過させ増幅した後、参照マイクロ波と干渉させて0度位相成分と90度位相成分を取り出す。これにより位相と振幅から2つの状態を明瞭に分離でき、磁束量子ビット状態の読み出しに成功した[3]。
本研究は、科研費 (18201018, 18001002) の援助を受けて行われた。
[1] Caspar H. van der Wal et al., Science 290 (2000) 773.
[2] I. Siddiqi et al., Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 207002.
[3] K. Semba, K. Kakuyanagi et al., Quantum Information Processing 8 (2009) 199.
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| 図１ JBAパルス測定装置のブロック図（左）と量子ビット状態の測定結果（右）。 |