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Hybrid quantum systems with trapped electrons via superconducting circuits

Research Project

Project/Area Number 19H01821
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

Noguchi Atsushi  東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (60761525)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2019: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000)
Keywords量子エレクトロニクス / 量子技術 / 量子コンピュータ / 超伝導検出器 / 高Q値マイクロ波技術 / 電子トラップ / 量子情報 / 超伝導回路 / 単一電子検出 / パウルトラップ / ハイブリッド量子系 / 超伝導量子回路 / 低温電子源 / 高電圧超伝導回路 / 極低温極高真空 / 超伝導ナノワイヤ検出器 / 量子制御 / イオントラップ
Outline of Research at the Start

本研究では,高い制御性を誇るトラップイオン系と,集積化の面で有利な超伝導量子ビットとを結合させることを目指す.そのために,真空中に捕獲された電子集団と超伝導量子ビットが結合したハイブリッド量子系を構築する.トラップ電子はその軽い質量のために,振動基底状態においても大きな零点振動を持っている.その振動が作り出す大きな電気双極子によって,超伝導量子ビットとの間に強い相互作用を誘起することができる.また,トラップ電子はトラップ中でイオンと共存することができるため,電子はイオンと固体デバイスとを結ぶインターフェイスとなる.これらの技術は,量子技術応用に向けたイノベーションを創出するものである.

Outline of Final Research Achievements

We studied the realization of a hybrid system in which electrons are trapped in vacuum using a Paul trap and their vibrational state is coupled to an electric circuit. The room temperature trapping experiments were carried out in parallel with the cryogenic experiments. First, in the room temperature UHV environment, we succeeded in trapping 100 electrons and efficiently detecting the radiation originating from their vibrations by coupling with a high-Q microwave cavity. This is the first experiment in the world to measure radiation from a small number of low-energy electrons in vacuum. In the cryogenic experiment, an electron detector capable of detecting a single electron was developed by using a superconducting micro-wire. These experimental techniques are fundamental technologies for electron trapping at cryogenic temperatures and pave the way for pioneering new quantum technologies.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

真空中に荷電粒子を捕獲するPaulトラップの技術は、半世紀ほど前から研究されてきた技術であり、レーザー冷却イオンを用いることで、近年では量子コンピュータの開発まで行われるようになってきた。一方で、同じ荷電粒子である電子の捕獲には高いマイクロ波の技術や効率的な輻射冷却などの技術が必要になり、これまであまり着目されてこなかった。しかし、イオントラップ量子コンピュータにおける欠点を克服する技術として、電子トラップを用いた量子コンピュータがいくつか提案されるようになってきた。本研究は、量子コンピュータ実現に向けた新奇な量子系実現のための最初の一歩となり、大きな学術的・社会的意義を持った研究である。

Report

(5 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (21 results)

All 2023 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 3 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 9 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results) (of which Overseas: 1 results)

  • [Journal Article] Efficient low-energy single-electron detection using a large-area superconducting microstrip2023

    • Author(s)
      Masato Shigefuji, Alto Osada, Masahiro Yabuno, Shigehito Miki, Hirotaka Terai, Atsushi Noguchi
    • Journal Title

      arXiv

      Volume: 2301 Pages: 11212-11212

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Open Access
  • [Journal Article] Feasibility study on ground-state cooling and single-phonon readout of trapped electrons using hybrid quantum systems2022

    • Author(s)
      Alto Osada, Kento Taniguchi, Masato Shigefuji, and Atsushi Noguchi
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 4 Issue: 3 Pages: 033245-033245

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.4.033245

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Feasibility study on ground-state cooling and single-phonon readout of trapped electrons using hybrid quantum systems2022

    • Author(s)
      Alto Osada, Kento Taniguchi, Masato Shigefuji, Atsushi Noguchi
    • Journal Title

      arXiv

      Volume: 2204.07957 Pages: 07957-07957

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  • [Journal Article] Single-photon quantum regime of artificial radiation pressure on a surface acoustic wave resonator2020

    • Author(s)
      Atsushi Noguchi, Rekishu Yamazaki, Yutaka Tabuchi and Yasunobu Nakamura
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 11 Issue: 1 Pages: 1183-1183

    • DOI

      10.1038/s41467-020-14910-z

    • NAID

      120006902128

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    • Author(s)
      Atsushi Noguchi
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      Rice Univerisity, Quantum Seminar Series
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      野口篤史
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      野口篤史
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      第18回AMO討論会
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    • Author(s)
      Masato Shigefuji, Alto Osada, Masahiro Yabuno, Shigehito Miki, Hirotaka Terai, Atsushi Noguchi
    • Organizer
      APS March Meeting 2023
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  • [Presentation] Low-energy single-electron detection using a large-area superconducting micro-strip2022

    • Author(s)
      Masato Shigefuji, Alto Osada, Masahiro Yabuno, Shigehito Miki, Hirotaka Terai, Atsushi Noguchi
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      The 35th International Symposium on Superconductivity (ISS2022)
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      日本物理学会2023年春季大会
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      重藤真人, 長田有登, 野口篤史
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      日本物理学会 2021年秋季大会
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      野口篤史
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      2021年度量子情報工学研究会
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      Atsushi Noguchi
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      Quantum Innovation 2021
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    • Int'l Joint Research / Invited
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      野口篤史
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      ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構設立15周年記念シンポジウム
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  • [Presentation] 極低温電子トラップのための低エネルギー電子源開発2021

    • Author(s)
      重藤真人, 長田有登, 野口篤史
    • Organizer
      第76回年次大会(2021年)
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      野口篤史
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      非ノイマン型情報処理へ向けたデバイス技術分科会
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    • Invited
  • [Remarks] Noguchi Laboratory

    • URL

      https://www.sqei.c.u-tokyo.ac.jp/index.html

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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 電子トラップ装置、量子コンピュータ、フリップチップ構造の製造方法、電子トラップ方法2022

    • Inventor(s)
      野口篤史、長田有登、中村泰信
    • Industrial Property Rights Holder
      野口篤史、長田有登、中村泰信
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Overseas

URL: 

Published: 2019-04-18   Modified: 2024-01-30  

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