超伝導人工原子によるマイクロ波量子光学および量子情報ネットワーク構築

• Project/Area Number: 13J07650
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: 原子・分子・量子エレクトロニクス
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 石川 豊史 東京大学, 先端科学技術研究センター, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2014: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2013: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000)
• Keywords: 量子情報処理 / 超伝導ビット / 量子光学 / 超伝導回路 / 超伝導量子ビット / 回路量子電磁気学 / マイクロ波単一遍歴光子 / リモートエンタングルメント / タイムビン / ジョセフソンパラメトリック増幅器 / 真空スクイーズド状態 / 共振器

Outline of Annual Research Achievements

遠く離れた２つの系の間での量子情報の送受信は量子情報ネットワーク構築のための基本要素であり、重要な研究課題である。光と物質のコヒーレントな相互作用が重要となるこの分野は、近年になって超伝導回路の分野でも精力的に研究が行われるようになった。特に、超伝導LC共振器にジョセフソン接合の非線形性を組み合わせた実効的な二準位系（超伝導人工原子）は原子やイオンと比べて数千倍ほど大きい双極子モーメントを持つことから、マイクロ波光子‐超伝導人工原子間の強い相互作用を比較的容易に実現することができる。そのため、近年では、この強い相互作用を用いた共振器中の光子を制御する研究（回路量子電磁気学）や、超伝導人工原子を用いた量子光学に関する研究（マイクロ波量子光学）が活発に行われている。本研究では、このような超伝導量子回路の制御性を利用した高効率な量子情報ネットワークの実現を目標とし、超伝導人工原子を用いたマイクロ波量子光学および量子情報ネットワーク構築という課題名で研究を行っている。
当研究課題では、特に超伝導共振器および超伝導人工原子を用いた、光子損失エラーに対して耐性のあるデュアルレール方式、特にタイムビンモード伝搬光子の生成についての研究を進めている。本年度は、昨年度提案したタイムビン伝搬光子生成が本当に可能かどうかを確認するため、シミュレーションを中心に研究を行った。その結果、現状の超伝導量子回路のパラメータにおいて、90%以上の生成効率を達成できることが明らかになった。しかし、実際の超伝導回路においては超伝導人工原子のエネルギーの動的制御に技術的な問題があり、シミュレーションで見積もられる実験結果は得られなかった。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Hybridizing ferromagnetic magnons and microwave photons in the quantum limit (2014)
  • Author(s): Y. Tabuchi, S. Ishino, T. Ishikawa, R. Yamazaki, K. Usami, and Y. Nakamura
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 113 Issue: 8 Pages: 083603-083603
  • DOI: 10.1103/physrevlett.113.083603
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Negatively charged nitrogen-vacancy centers in a 5 nm thin <12>^C diamond film (2013)
  • Author(s): K. Ohashi, T. Rosskopf, H. Watanabe, M. Loretz, Y. Tao, R. Hauert, S. Tomizawa, T. Ishikawa, J. Ishi-Hayase, S. Shikata, C. L. Degen, and K. M. Itoh
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 13 Pages: 4733-4738
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Diamond initrongen-vacancy centers created by scanning focused helium ion beam and annealing (2013)
  • Author(s): Z. Huang, W. -D. Li, C. Santori, V. M. Acosta. A. Faraon, T. Ishikawa, W. Wu, D. Winston, R. S. Williams, and R. G. Beausoleil
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 103 Issue: 8 Pages: 81906-81906
  • DOI: 10.1063/1.4819339
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Time-bin photon generation using superconducting circuits (2016)
  • Author(s): Toyofumi Ishikawa
  • Organizer: The CEMS International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems (DAQS2016)
  • Place of Presentation: 東京大学 先端科学技術研究センター（東京都）
  • Year and Date: 2016-01-12
• [Presentation] 超伝導量子ビットを用いたタイムビンモード伝播光子の生成 (2015)
  • Author(s): 石川豊史, 河野信吾, 楠山幸一, 猪股邦宏, 増山雄太, 野口篤史, 田渕豊, 山崎歴舟, 宇佐見康二, 中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学千里山キャンパス（大阪府）
  • Year and Date: 2015-09-15
• [Presentation] 強磁性体中のスピンラマン効果を利用した光によるマイクロ波生成 (2015)
  • Author(s): 久富隆佑、長田有登、石野誠一郎、野口篤史、田渕豊、石川豊史、山崎歴舟、宇佐見康二、中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学、東京都
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] 薄膜振動子と超伝導量子回路の結合系の構築 (2015)
  • Author(s): 野口篤史、山崎歴舟、安宅学、藤田博之、牧瀬圭正、三木茂人、寺井弘高、田渕豊、石川豊史、宇佐見康二、中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学、東京都
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] 超伝導量子ビットを用いた伝搬マイクロ波光子の量子非破壊測定 (2015)
  • Author(s): 河野信吾、増山雄太、石川豊史、田渕豊、山崎歴舟、宇佐見康二、中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学、東京都
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] Coherent coupling between ferromagnetic magnon and superconducting qubit (2015)
  • Author(s): Y. Tabuchi, S. Ishino, A. Noguchi, T. Ishikawa, R. Yamazaki, K. Usami, and Y. Nakamura
  • Organizer: APS March Meeting 2015
  • Place of Presentation: San Antonio, U.S.
  • Year and Date: 2015-03-02 – 2015-03-06
• [Presentation] 超伝導ビットを用いた量子Jarzynski等式の検証 (2014)
  • Author(s): 増山雄太、河野信吾、田渕豊、石川豊史、山崎歴舟、Xiaoyue Jin、Ted Gudmundsen、Simon Gustavsson、William D. Oliver、宇佐見康二、中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学、愛知県
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] 強磁性マグノンを用いた光‐マイクロ波変換 (2014)
  • Author(s): 久富隆佑、宇佐見康二、長田有登、石野誠一郎、田渕豊、山崎歴舟、野口篤史、石川豊史、中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学、愛知県
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] 空洞共振器を介した強磁性マグノンと超伝導量子ビットの可変結合 (2014)
  • Author(s): 田渕豊、石野誠一郎、石川豊史、野口篤史、山崎歴舟、宇佐見康二、中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学、愛知県
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] 空洞共振器を介した強磁性マグノンと超伝導量子ビットの強結合 (2014)
  • Author(s): 石野誠一郎、田渕豊、石川豊史、山崎歴舟、宇佐見康二、中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学、愛知県
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] 超伝導量子ビットを用いたマイクロ波光子分布の測定 (2014)
  • Author(s): 河野信吾、増山雄太、石川豊史、田渕豊、山崎歴舟、宇佐見康二、中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学、愛知県
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] マイクロ波単一光子源に向けた超伝導量子回路 (2014)
  • Author(s): 石川豊史、楠山幸一、猪股邦宏、田渕豊、増山雄太、山崎歴舟、宇佐見康二、中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学、愛知県
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] Strong coupling of a magnetostatic mode in yttrium iron garnet to a microwave resonator (2014)
  • Author(s): Y. Tabuchi, S. Ishino, T. Ishikawa, R. Yamazaki, K. Usami, and Y. Nakamura
  • Organizer: Condensed Matter in Paris 2014 (CMD 25)
  • Place of Presentation: Paris, France
  • Year and Date: 2014-08-24 – 2014-08-29
• [Presentation] Coherent coupling between ferromagnetic magnon and superconducting qubit (2014)
  • Author(s): Y. Tabuchi, S. Ishino, T. Ishikawa, A. Noguchi, R. Yamazaki, K. Usami, and Y. Nakamura
  • Organizer: 2nd School and conference on Spin-based quantum information processing (Spin Qubit 2)
  • Place of Presentation: Konstanz, Germany
  • Year and Date: 2014-08-18 – 2014-08-21
• [Presentation] 光による強磁性体の熱スピンノイズ測定 (2014)
  • Author(s): 久富隆佑、宇佐見康二、山崎歴舟、田渕豊、石川豊史、中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会
  • Place of Presentation: 神奈川県 東海大学
• [Presentation] 強磁性マグノン―マイクロ波共振器間の強結合とその緩和過程 (2014)
  • Author(s): 石野誠一郎, 田渕豊, 石川豊史, 山崎歴舟, 宇佐見康二, 中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会第69回年次大会
  • Place of Presentation: 神奈川県 東海大学
• [Presentation] Strong coupling ferromagnetic magnons to a microwave resonator (2014)
  • Author(s): Y. Tabuchi, S. Ishino, T. Ishikawa, R. Yamazaki, K. Usami, and Y. Nakamura
  • Organizer: APS March Meeting 2014
  • Place of Presentation: Denver, Colorado, U.S
• [Presentation] 光による強磁性体のスピンノイズ測定 (2013)
  • Author(s): 久富隆佑、山崎歴舟、宇佐見康二、田渕豊、石川豊史、佐藤琢哉、中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島県 徳島大学
• [Presentation] 強磁性体を用いた量子光学 (2013)
  • Author(s): 田渕豊、石川豊史、山崎歴舟、宇佐見康二、中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島県 徳島大学
• [Presentation] トランズモン型超伝導量子ビットの時間分解測定 (2013)
  • Author(s): 増山雄太、木村純、田渕豊、石川豊史、山崎歴舟、X. Jin、T. Gudmundsen、S. Gustavsson、W. D. Oliver、中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島県 徳島大学
• [Presentation] 超伝導量子ビットの離散的AC Starkシフトにおける非線形現象の観測 (2013)
  • Author(s): 増山雄太、木村純、田渕豊、石川豊史、山崎歴舟、Pierre-Marie Billangeon、越野和樹、中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島県 徳島大学
• [Presentation] Quantum optics using superconducting circuits toward envelope shaping of microwave single photons (2013)
  • Author(s): 石川豊史
  • Organizer: 第3回半導体量子効果と量子情報の夏季研修会
  • Place of Presentation: 栃木県 ホテルサンバレー那須
• [Presentation] Strong coupling ferromagnetic magnons to a microwave resonator (2013)
  • Author(s): Y. Tabuchi, S. Ishino, T. Ishikawa, R. Yamazaki, K. Usami, and Y. Nakamura
  • Organizer: International Symposium on Nanoscale Transport and Technology (ISNTT 2013)
  • Place of Presentation: Atsugi, Kanagawa, Japan
• [Presentation] Single nitrogen-vacancy centers placed in a 5 nm thick isotopically enriched ^<12>C diamond layer (2013)
  • Author(s): K. Ohashi, T. Rosskopf, H. Watanabe, S. Tomizawa, J. Ishi-Hayase, T. Ishikawa, K. -M. Fu, C. Santori, V. M. Acosta, R. G. Beausoleil, S. Shikata, C. L. Degen, and K. M. Itoh
  • Organizer: 7th International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology (SPINTECH 7)
  • Place of Presentation: Chicago, U.S.
• [Presentation] Negatively charged nitrogen-vacancy centers placed in a 5 nm thick isotopically purified ^<12>C diamond layer (2013)
  • Author(s): K. Ohashi, T. Rosskopf, H. Watanabe, S. Tomizawa, J. Ishi-Hayase, T. Ishikawa, K. -M. Fu, C. Santori, V. M. Acosta, R. G. Beausoleil, S. Shikata, C. L. Degen, and K. M. Itoh
  • Organizer: The 12th Asia Pacific Physics Conference (APPC12)
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
• [Presentation] Negatively charged nitrogen vacancy centers in ultra thin isotopically purifled ^<12>C diamond films (2013)
  • Author(s): I. Gross, K. Ohashi, T. Rosskopf, H. Watanabe, S. Tomizawa, J. Ishi-Hayase, T. Ishikawa, K. -M. Fu, C. Santori, V. M. Acosta, R. G. Beausoleil, S. Shikata, C. L. Degen, and K. M. Itoh
  • Organizer: The 12th Asia Pacific Physics Conference (APPC12)
  • Place of Presentation: Chiba, Japan
• [Presentation] Growth and Characterization of Isotopically Enrichd CVD ^<12>C Films with Well-Behaved Near Surface NVs (2013)
  • Author(s): K. Ohashi, T. Rosskopf, I. Croβ, H. Watanabe, S. Tomizawa, J. Ishi-Hayase, T. Ishikawa, K. -M. Fu, C. Santori, V. M. Acosta, R. G. Beausoleil, C. L. Degen and K. M. Itoh
  • Organizer: Workshop On Diamond-Spintronics, Photonics, Bio-Applications
  • Place of Presentation: Hong Kong, China
• [Presentation] Negatively charged nitrogen-vacancy centers in a 5 nm thick, hydrogen-terminated, isotopically purified diamond layer (2013)
  • Author(s): K. Ohashi, T. Rosskopf, H. Watanabe, S. Tomizawa, J. Ishi-Hayase, T. Ishikawa, K. -M. Fu, C. Santori, V. M. Acosta, R. G. Beausoleil, S. Shikata, C. L. Degen, and K. M. Itoh
  • Organizer: Workshop on Diamond -Spintronics, Photonics, Bio-applications
  • Place of Presentation: Hong Kong, China
• [Presentation] Negatively charged Nitrogen-Vacancy Centers in a ultra-thin, hydrogen-terminated, isotopically purified ^<12>C Diamond Film (2013)
  • Author(s): K. Ohashi, I. Gross, T. Rosskopf, H. Watanabe, S. Tomizawa, J. Ishi-Hayase, T. Ishikawa, K. -M. Fu, C. Santori, V. M. Acosta, R. G. Beausoleil, S. Shikata, C. L. Degen, K. M. Itoh
  • Organizer: The 11th US-Japan Joint Seminar on Quantum Electronics and Laser Spectroscopy "Ultimate Quantum Systems of Light and Matter- Control and Applications"
  • Place of Presentation: Nara, Japan
• [Presentation] Circuit quantum electrodynamics toward envelope shaping of microwave single photons (2013)
  • Author(s): T. Ishikawa, J. Kimura, H. Terai, T. Goto, F. Kaji, Y. Masuyama, Y. Tabuchi, R. Yamazaki, and Y. Nakamura
  • Organizer: The 11th US-Japan Joint Seminar on Quantum Electronics and Laser Spectroscopy "Ultimate Quantum Systems of Light and Matter- Control and Applications"
  • Place of Presentation: Nara, Japan
• [Presentation] Observation of artificial atom in three-dimensional microwave cavity (2013)
  • Author(s): Y. Masuyama, F. Kaji, J. Kimura, T. Goto, Y. Tabuchi, T. Ishikawa, R. Yamazaki, P. -M. Billangeon, and Y. Nakamura
  • Organizer: The 11th US-Japan Joint Seminar on Quantum Electronics and Laser Spectroscopy "Ultimate Quantum Systems of Light and Matter- Control and Applications"
  • Place of Presentation: Nara, Japan
• [Presentation] Toward Quantum ground state cooling of nanomechanical systems (2013)
  • Author(s): R. Yamazaki, T. Goto, Y. Tabuchi, T. Ishikawa, K. Usami, and Y. Nakamura
  • Organizer: The 11th US-Japan Joint Seminar on Quantum Electronics and Laser Spectroscopy "Ultimate Quantum Systems of Light and Matter- Control and Applications"
  • Place of Presentation: Nara, Japan