超伝導量子回路上のマイクロ波量子光学とその応用

点击翻译按钮获取中文摘要

超伝導回路を用いたマイクロ波量子光学の新しい学理の追究と、技術の開発・応用を目指した研究を行った。原子と光子を用いて研究されてきた従来の量子光学にたいして、超伝導回路を用いた人工量子系における量子光学は、その巨視性ゆえパラメータの設計に大きな自由度を持ち、様々な質的に新しい物理現象や技術をもたらし、人工原子としての量子ビットとマイクロ波光子の巨大な相互作用に起因する新たな効果を実証・解明するとともに、それを利用した量子ビットの制御や読み出し技術を開発し、高精度の量子状態制御を可能にする。研究の主な成果を以下に記す。①超伝導回路上のマイクロ波量子光学の非線形領域における振る舞いを、超伝導マイクロ波空洞共振器中に置かれた超伝導量子ビットの応答スペクトルを通して調べた。共振器と量子ビットの強い相互作用により、量子ビットの励起スペクトルが共振器中に存在するマイクロ波光子数に応じて離散的なacシュタルクシフトを起こすことは以前から知られているが、それに加えて新たな微細スペクトル分裂を観測した。理論的考察の結果、駆動された量子系におけるドレスト状態の間に起こる遷移に起因するものであり、フランク=コンドン効果との類比が成り立つことを明らかにした。②超伝導マイクロ波空洞共振器中に置かれた超伝導量子ビットの離散的acシュタルクシフトを利用して、駆動された共振器中の非平衡定常状態におけるマイクロ波光子数分布を測定する手法を開発した。コヒーレント状態、熱分布状態、ジョセフソンパラメトリック増幅器で生成したスクイーズド真空状態を共振器に入力し、その光子数分布の違いを直接的に観測することに成功した。③ジョセフソンパラメトリック発振器を用いた量子ビット読み出し技術を提案・実証し、高速かつ高精度の非破壊読み出しを実現した。この技術は今後、量子フィードバックなどの実現に有用となると期待される。