高温超伝導体量子コンピュータの理論

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ナノ構造の高温超伝導体ジョセフソン接合における巨視的量子トンネル現象(MQT)および量子コンピュータへの応用に関する理論研究を行った。今年度は、以下のテーマについて研究を行った。[1]絶縁障壁/超伝導体界面に形成されるゼロエネルギー束縛状態(ZES)が巨視的量子ダイナミクスに及ぼす影響について解析を行った。その結果、ZESが絶縁障壁の両側に形成される接合においては、ZES-to-ZESの準粒子トンネルのために非常に強いオーミック散逸が生じることを明らかにした。そのため、このような接合においては実験的にMQTを観測するのが困難であることが明らかとなった。[2]BCS超伝導体と高温超伝体のハイブリッドジョセフソン接合における巨視的量子ダイナミクスの理論を構築し、高温超伝体接合に比べて、低エネルギー準粒子散逸の影響が著しく弱くなることを示した。これによりハイブリッド接合は量子コンピュータとして高いコヒーレンス性を有することを明らかにした。[3]Bi2212固ジョセフソン接合のMQTに関して、産総研の実験グループと共同研究を開始した。そして、0.5K程度の非常に高いクロスオーバー温度のMQTの観測に成功した。[4]強磁性絶縁体及びマルチフェロイック材料から構成されるジョセフフソンπ接合の巨視的量子ダイナミクス理論を構築した。そして、π接合から構成される超伝導リングにおいては、自発的に量子二準位系が形成され、外場の揺らぎ及び準粒子散逸の影響をうけない理想的な量子ビットが実現可能になることを示した。[5]経路積分量子モンテカルロ法を用いて、高温超伝導体量子ビット素子のコヒーレンス評価を行った。高温超伝導体接合においてはノード準粒子によってスーパーオーミック散逸が生じるが、散逸を強くしていくとコヒーレント相からインコヒーレント相にクロスオーバーを起こすことを大規模数値計算により示した。同時に、高温超伝導体量子ビット素子がコヒーレントに動作する温度領域を明らかにした。