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

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13J07650
• 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)
• Keywords: 超伝導量子ビット / 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 / 超伝導回路 / 共振器

Research Abstract

本研究では、量子情報の送受信を目的として、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。本研究を実施する上で鍵となるのは超伝導人工原子によって生成されたマイクロ波単一遍歴光子である。この単一光子は、超伝導人工原子間、超伝導共振器間、ならびに超伝導人工原子-量子トランスデューサー間の量子情報の送受信ための有望な担い手として期待される。当研究課題では、特に、遍歴光子を介した超伝導人工原子間のリモートエンタングルメントの実現を目標として研究を進めている。本研究課題の申請時では、(1) 2つの独立した超伝導人工原子からの二光子干渉、(2)マイクロ波単一光子の波形整形によるマイクロ波光子受信の忠実度の向上という2つの課題を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という課題に取り組むにあたり、マイクロ波単一光子波形整形と二光子干渉測定を主軸として研究を進めていた。しかし、昨年、海外の研究グループから同様の結果が報告されたため、研究方針の修正を行った。
本年度は、新たな研究方針としてタイムビン方式を用いる新たな方向性を見出し、現在、それに向けた超伝導回路の設計、作製ならびに測定装置系の構築に従事している。また、上記の研究と並行して、ジョセフソンパラメトリック増幅器(JPA)を用いた計測技術の立ち上げも行った。JPAは微小信号の増幅を、雑音を付加することなく行うことができるので、超伝導人工原子の単一試行の量子非破壊読み出しに利用されている素子である。マイクロ波単一遍歴光子という微小信号を扱う本研究においても、大いに有益であると期待される。
JPAはスクイーズド光の生成源としても使用することが可能である。本年度は、超伝導人工原子を搭載したアルミニウム空洞共振器に、JPAで生成した真空スクイーズド状態を入射し、共振器内の光子数分布に依存した超伝導人工原子スペクトルを測定することで、その真空スクイーズド状態を測定することに成功している。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

研究実績の概要にも記載した通り, 研究方針の修正を迫られため、新たな方向性を模索するために勉強、調査に時間を費やした。そのため、量子情報ネットワーク構築の進捗としては、当初の研究計画からはやや遅れている。

Strategy for Future Research Activity

進捗の遅れは、研究実績の概要にも記載した通り、研究方針の修正を迫られ、新たな方向性を模索、検討に時間を費やしたからである。現在は新たな方向性としてタイムビン方式を試みようと、超伝導回路の設計、作製ならびに測定装置系の構築に取り組んでいる。今後の方針としては、タイムビン方式実装のための超伝導回路の作製、評価系の構築を行い、タイムビン方式マイクロ波遍歴光子を生成、超伝導人工原子とタイムビン量子ビットとのエンタングルメントについての研究を進めていく。

Research Products

• [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
  • DOI: 10.1021/n1402286v
  • 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 Pages: 081906
  • DOI: 10.1063/1.4819339
  • Peer Reviewed
• [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
  • Year and Date: 20140327-30
• [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
  • Year and Date: 20140327-30
• [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
  • Year and Date: 20140303-07
• [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
  • Year and Date: 20131126-19
• [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
  • Year and Date: 20130925-28
• [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
  • Year and Date: 20130925-28
• [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
  • Year and Date: 20130925-28
• [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
  • Year and Date: 20130925-28
• [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
  • Year and Date: 20130904-06
• [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.
  • Year and Date: 20130729-0802
• [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
  • Year and Date: 20130714-19
• [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
  • Year and Date: 20130714-19
• [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
  • Year and Date: 20130427-29
• [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
  • Year and Date: 20130427-29
• [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
  • Year and Date: 20130409-12
• [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
  • Year and Date: 20130409-12
• [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
  • Year and Date: 20130409-12
• [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
  • Year and Date: 20130409-12