ナノテク情報

物性・原理

マイクロ波光子を吸収せず検出することに成功 ~マイクロ波単一光子の量子非破壊測定を実現~

 東京大学,東京医科歯科大学,国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)は2018年3月13日,東京大学先端科学技術研究センターの中村泰信 教授,東京大学大学院工学系研究科 河野信吾 博士課程学生,および東京医科歯科大学教養部 越野和樹 准教授らの研究グループが,理化学研究所創発物性科学研究センターとの共同研究により,マイクロ波単一光子の量子非破壊測定に成功したと共同発表した.本研究は,JST 戦略的創造研究推進事業 総括実施型研究(ERATO),独立行政法人 日本学術振興会 科学研究費助成事業他の支援を受けて行われた.本成果は英国の科学誌Nature Physicsにオンライン掲載された(注).

 光子の検出は従来,飛来した光子を検出器で吸収し,そのエネルギーを電気信号に変換して検出している.この方式では,光子自体が検出と同時に消滅してしまうため,検出した光子をその後に利用することはできない.そこで,飛来した光子の有無のみを情報として取得し,光子を吸収せずに検出する「量子非破壊測定」と呼ばれる方法が提案され,エネルギーの高い光の領域では,光共振器中の単一原子を用いた近赤外光子(波長1µm,エネルギー1eV)の量子非破壊測定が2013年に実証された.一方,エネルギーが4~5桁小さいマイクロ波光子(波長1cm,10-4eV)に関する単一光子の量子非破壊測定は実現されてなかった.

 本研究グループは,量子コンピュータの基盤技術として開発してきた超伝導回路上の量子ビット素子を検出器として用いることにより,マイクロ波単一光子の有無を量子ビット素子に蓄えられる量子情報に変換して量子非破壊測定を実現した.入射するマイクロ波単一光子が伝搬するための伝送路(同軸ケーブル)と超伝導量子ビットを,マイクロ波空洞共振器を介して結合させる.まず,超伝導量子ビットの初期状態として,基底状態lg>と励起状態le>の重ね合わせ状態l+> =lg>+le>を用意する.マイクロ波単一光子が飛来し,共振器に反射されると,共振器の内部に置かれた量子ビットの状態が変化し,初期状態と直交した状態l-> =lg>-le>をとる.その直後に,超伝導量子ビットの状態がl+>状態なのか,l->状態なのかを判別し,マイクロ波単一光子の飛来の有無を確認する.この方式は,光子の存在が明らかになる一方で,その光子は反射されて伝搬し続ける「量子非破壊測定」である.本研究グループは,高感度なジョセフソンパラメトリック増幅器を用いることにより,光子の反射によって誘起された量子ビットの状態変化を検知した.これにより,検出効率84%のマイクロ波単一光子検出を実現し,さらに検出された光子が破壊されることなく反射されていることを実験で確認した.

 本成果は,超伝導回路上の量子ビット素子間で量子情報をやりとりする量子ネットワーク技術に必要となる.今後,マイクロ波単一光子の伝搬制御や状態操作を自在に行うための回路コンポーネントを開発し,より大きな規模の量子コンピュータ開発などへ応用されることが期待される,としている.

(注)Shingo Kono, Kazuki Koshino, Yutaka Tabuchi, Atsushi Noguchi, Yasunobu Nakamura,"Quantum non-demolition detection of an itinerant microwave photon",Nature Physics (2018), DOI:10.1038/s41567-018-0066-3, Published online:12 March 2018