広報活動

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2016年7月25日

理化学研究所
東京大学
東京医科歯科大学

マイクロ波単一光子の高効率検出を実現

-マイクロ波光子を用いた量子通信、量子情報処理へ応用-

要旨

理化学研究所(理研)創発物性科学研究センター超伝導量子エレクトロニクス研究チームの猪股邦宏研究員、中村泰信チームリーダー(東京大学先端科学技術研究センター教授)、東京医科歯科大学の越野和樹准教授らの国際共同研究グループは、超伝導回路上に「人工Λ(ラムダ)型原子[1]」を実装し、その特性を応用することで、「マイクロ波単一光子[2]」の高効率検出を実現しました。

超伝導回路によって構成される超伝導量子ビット[3]は、次世代のコンピュータとして期待される量子コンピュータ[4]の最も有力な最小構成要素として注目されています。超伝導量子ビットの制御や状態の読み出しには、その励起エネルギーに近いマイクロ波(周波数:数GHz~数十GHz、GHzは10億Hz)が用いられます。マイクロ波の“量子”であるマイクロ波光子の高効率検出や生成といった基盤技術は、量子コンピュータの早期実現やマイクロ波量子光学の発展に貢献すると期待されています。しかし、量子暗号通信[5]分野などで用いられる近赤外光子(周波数:数百THz、THzは1兆Hz)と比較して、エネルギースケールが4~5桁小さなマイクロ波光子の高効率検出は、これまで困難を極めてきました。

今回、共同研究グループは、超伝導量子ビットの一つである磁束型量子ビット[6]マイクロ波共振器[7]がコンデンサを介して結合した実験系を作製し、量子ビットに適切な周波数・強度をもつ外部電磁波を照射して人工Λ型原子を実装しました。そしてこのΛ型原子に共鳴する信号マイクロ波光子を入射し、誘起されるΛ型原子の状態遷移を検出することで、マイクロ波単一光子を高効率で検出することに成功しました。マイクロ波単一光子の検出効率は66±6%に達し、この効率は現在のところ世界で最も高い数値となっています。

今後、マイクロ波単一光子の高効率検出技術は、マイクロ波光子を用いた量子通信や量子情報処理、さらには量子コンピュータへの応用が期待できます。

本研究の一部は、日本学術振興会科学研究費助成事業、革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)、情報通信研究機構高度通信・放送研究開発委託研究「量子もつれ中継技術の研究開発」、文部科学省イノベーションシステム整備事業として行いました。

本成果は、英国のオンライン科学雑誌『Nature Communications』(7月25日付け)に掲載されます。

※国際共同研究グループ

理化学研究所 創発物性科学研究センター
超伝導量子エレクトロニクス研究チーム
研究員 猪股 邦宏 (いのまた くにひろ)
特別研究員 Lin Zhirong (リン・ツーロン)
チームリーダー 中村 泰信 (なかむら やすのぶ)(東京大学先端科学技術研究センター 教授)

超伝導量子シミュレーション研究チーム
チームリーダー 蔡 兆申 (ツァイ・ジャオシェン)(東京理科大学 教授)

東京医科歯科大学
准教授 越野 和樹 (こしの かずき)

マサチューセッツ工科大学
教授 オリバー・ウィリアム(Oliver William)

日本電気株式会社
主任研究員 山本 剛 (やまもと つよし)

背景

量子光学分野を筆頭に、量子暗号通信、微弱光通信、蛍光測定などのさまざまな分野において、光子を高効率で捕捉し検出する高性能な光子検出器が求められています。これらの分野では、通信波長帯(波長1,550nm、周波数193THz、nmは10億分の1m、THzは1兆Hz)の光子が主に用いられ、光子の高効率な検出は、半導体や超伝導体を用いることによって既に実現されています。

一方、超伝導回路によって構成される超伝導量子ビットは、次世代のコンピュータとして期待される量子コンピュータの最も有力な最小構成要素として注目されています。近年、超伝導量子ビットとマイクロ波光子(数GHz~数十GHz、GHzは10億Hz)のコヒーレント(位相がきれいに保たれている状態)相互作用が実証され、マイクロ波を介した超伝導量子ビットの状態制御や読み出しといった量子コンピュータ実現のための研究が進められています。このような研究の発展とともに、「マイクロ波単一光子」検出の必要性が高まっています。しかし、マイクロ波光子のエネルギーは、量子暗号通信分野などで用いられる近赤外光子(周波数:数百THz、THzは1兆Hz)と比較してエネルギースケールが4~5桁小さく、その検出は困難を極めていました。

研究手法と成果

国際共同研究グループは、超伝導量子ビットの一つである磁束型量子ビットとマイクロ波共振器がコンデンサを介して結合した実験系を作製しました(図1(a)、(b))。そして、この実験系の磁束型量子ビットに適切な周波数と強度をもつ外部電磁波を照射することにより、磁束型量子ビットとマイクロ波共振器とのエネルギー準位を利用し、人工的に「Λ(ラムダ)型原子」のエネルギー準位構造を実装しました(図1(c)“Λ状態”)。

状態|1⟩にあるΛ型原子に対して、それに共鳴する(|1⟩→|4⟩遷移のエネルギーをもつ)信号マイクロ波光子を入射すると、Λ型原子は|1⟩→|4⟩→|2⟩の経路を経て100 %の確率で状態|2⟩へと遷移します。一方、入射したマイクロ波光子は、遷移に伴う周波数下方変換(周波数=エネルギーの減少)を受け、人工Λ型原子から放出されます。このプロセスによって、磁束型量子ビットとマイクロ波共振器の結合系の状態は、基底状態(|g, 0⟩)から磁束型量子ビットの励起状態(|e, 0⟩)へ遷移します。マイクロ波単一光子の検出は“読み出し状態”において、磁束型量子ビットの励起状態を読み出すことで行われます(図1(c))。

図2(a)は、信号マイクロ波周波数と駆動マイクロ波強度を変化させながらΛ遷移による磁束型量子ビットの励起確率を測定し、それをもとに評価したマイクロ波単一光子の検出効率を示したものです。信号マイクロ波光子周波数が人工Λ型原子と共鳴する10.268 GHzのときに、検出効率が最大となっていることが分かります。図2(b)は、(a)を10.268 GHzで切り出した断面図です。この図より、今回の実験において、マイクロ波単一光子の最大検出効率は66±6%に到達したことを確認しました。

また、今回実現したマイクロ波単一光子検出器において、光子を連続検出するために必要となる検出器のリセット(光子検出後に図1(c)の“読み出し状態”を“初期状態”に戻す操作)にも成功しました。

今後の期待

本研究では、超伝導回路上に実装した人工Λ型原子の特性を利用することによって、光通信などで用いられる近赤外光子と比較してエネルギースケールが4~5桁小さなマイクロ波単一光子の高効率検出に成功しました。この技術は、今後、マイクロ波光子を用いた量子通信、量子情報処理、さらには量子コンピュータへの応用が期待できます。

原論文情報

  • K. Inomata, Z. R. Lin, K. Koshino, W. D. Oliver, J. S. Tsai, T. Yamamoto, and Y. Nakamura, "Single microwave-photon detector using an artificial Λ-type three-level system", Nature Communications, doi: 10.1038/NCOMMS12303

発表者

理化学研究所
創発物性科学研究センター 量子情報エレクトロニクス部門 超伝導量子エレクトロニクス研究チーム
研究員 猪股 邦宏 (いのまた くにひろ)
チームリーダー 中村 泰信 (なかむら やすのぶ)
(東京大学先端科学技術研究センター教授)

東京医科歯科大学
准教授 越野 和樹 (こしの かずき)

猪股邦宏 研究員の写真

猪股 邦宏

中村泰信チームリーダーの写真

中村 泰信

越野和樹 准教授の写真

越野 和樹

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補足説明

  1. Λ(ラムダ)型原子
    Λ型の遷移経路を持つ三準位原子。通常、三準位のうち最も高い準位が励起準位、残りの二つの準位が基底準位となる。Λ型原子に共鳴する光子(励起準位とどちらか一方の基底準位間のエネルギー差に等しいエネルギーを持つ光子)が入射されると、Λ型原子の状態は一方の基底準位から励起準位を経て、他方の基底準位へ遷移する。この際、励起準位と他方の基底準位間のエネルギー差に等しいエネルギーを持った光子が放出される。
  2. マイクロ波単一光子
    マイクロ波領域のエネルギーを持った光(=電磁波)の量子。
  3. 超伝導量子ビット
    超伝導回路によって構成される量子情報の最小単位。量子力学的な二準位系(人工原子)として振る舞い、その状態は状態ベクトルで表される。0と1の二値のみしか取ることができない古典ビットとは異なり、量子ビットは0と1の他に両者の量子力学的重ね合わせ状態も取ることができる。
  4. 量子コンピュータ
    多数の量子ビットを集積することにより構成される次世代のコンピュータ。量子ビットの特性である「量子力学的重ね合わせ状態」を利用することにより、量子ビット数nの量子コンピュータにおいて2nの超並列計算を可能にすることが理論的に示されており、素因数分解やデータベース検索といった従来のコンピュータが苦手とする問題に威力を発揮すると期待されている。
  5. 量子暗号通信
    光子を利用することによって、送信者と受信者で共有する秘密鍵(情報量と同じ長さ)を安全に送信する通信システム。現在主流である公開鍵暗号は、公開鍵の解読に膨大な計算時間がかかるためにその安全性が保証されている。
  6. 磁束型量子ビット
    超伝導量子ビットの種類の一つ。ジョセフソン接合と呼ばれるトンネル接合を3~4個含む超伝導体のループを基本構造とする。
  7. マイクロ波共振器
    マイクロ波帯の光(=電磁波)のエネルギーをある時間だけ閉じ込めておくことが可能な高周波デバイス。本研究で用いたマイクロ波共振器(図1(b))は,10.256 GHzのマイクロ波のエネルギーをおよそ10 ナノ秒閉じ込めておくことができる。

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マイクロ波単一光子検出器の概念図

図1 マイクロ波単一光子検出器の概念図

(a) マイクロ波単一光子検出器の等価回路図。超伝導材料のニオブ薄膜からなるマイクロ波共振器とアルミニウム薄膜からなる磁束型量子ビットが、コンデンサを介して結合している。

(b) デバイスの顕微鏡写真。分かりやすいように、入力ポート(水色)、共振器(緑色)、駆動ポート(赤色)にそれぞれ色付けし、(a)と対応させている。

(c) 磁束型量子ビットと共振器が結合することによって形成される、マイクロ波光子検出器のエネルギー準位図(“初期状態”と“読み出し状態”)。磁束型量子ビットに適切な周波数と強度の外部電磁波を照射することにより、“Λ状態”のエネルギー準位を実現する。このとき、|1⟩、|4⟩、|2⟩三つの準位によって人工Λ型原子が実装され、この原子に共鳴する信号マイクロ波光子(水色矢印)の入射に対して、|1⟩→|4⟩→|2⟩の遷移が引き起こされる。信号マイクロ波光子は周波数下方変換を受け、人工Λ型原子から放出される(緑色矢印)。

マイクロ波単一光子の検出効率

図2 マイクロ波単一光子の検出効率

(a) 信号マイクロ波周波数と磁束型量子ビット駆動マイクロ波強度に対するマイクロ波光子検出効率の実測値のプロット。人工Λ型原子の共鳴周波数である10.268 GHz付近の信号マイクロ波光子に対して、高い光子検出効率を示す。

(b) (a)の図を10.268 GHzにおいて横軸に沿って切った断面図。最大66±6%のマイクロ波光子検出効率を達成した。

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