測定強度を変えた量子状態の射影操作

角柳孝輔　中ノ勇人　仙場浩一^＊　齊藤志郎
量子電子物性研究部　^＊国立情報学研究所

　複数のジョセフソン接合を含む超伝導ループのエネルギーは、離散化し特にΦ = 0.5Φ₀の外部磁場のもとで基底状態と励起状態以外を無視でき量子二準位系とみなすことができ、超伝導磁束量子ビットと呼ばれている。このような量子系では0と1に対応する基底状態と励起状態だけではなく2つの状態の重ね合わせ状態を実現することができる。この重ね合わせ状態に対して測定を行うと、量子状態は基底状態か励起状態のどちらかに確率的に射影される。超伝導量子ビットを用いることによって超伝導回路上で重ね合わせ状態を作り、測定を行うことができる。
　我々は超伝導磁束量子ビットを読み出すために、非線形共振器の双安定状態を利用するジョセフソン分岐読み出し法を使っている。この方法では超伝導量子ビットと非線形共振器を結合させ、量子ビットの状態に応じて非線形共振器の収束状態を変化させることにより、読み出しを行っている。この読み出し方法は高速読み出しが可能であり、読み出しの反作用が少ないという利点がある。この測定系で量子状態の測定がどのように行われるのかを知るために今回我々は、読み出しパルスの強度を変えて測定を行うことで、測定の強さを変えたときにどのように射影が起きるのかを確かめる実験を行った[1]。
　まず基底状態から回転操作により任意の重ね合わせ状態を作る。次に読み出しパルスの強度を変えて量子ビットに照射する。このとき、射影が行われると基底状態と励起状態の混合状態になるが、射影が行われない場合は純粋状態を保つことが期待される。この2つの状態を区別するために回転操作を行った後に状態測定を行い終状態の読み出しを行った。実験は熱励起を抑えるため数十 mKの低温で行った。通常の読み出しパルスの振幅を基準としてパルス振幅を変えて射影が起こる際のディフェージングを示す量αを測定した結果が図1である。パルス振幅が h = 0.9 でαが急激に減少している様子がわかる。これは測定強度を強くしていくと突然射影が起こることを意味している。この実験結果はジョセフソン分岐読み出しの理論解析[2]を支持する結果となっている。