2016 Fiscal Year Annual Research Report
Single microwave-photon detection based on an artificial Lambda-type three-level system
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15K17731
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
猪股 邦宏 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 客員研究員 (50525772)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | マイクロ波単一光子検出 / 人工Λ型原子 / 回路量子電磁力学 / 超伝導量子ビット / マイクロ波共振器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
量子光学分野のみならず，量子暗号通信・微弱光通信・蛍光測定等の様々な分野において高性能な光子検出器に関するニーズが高まっており，光子を高効率で補足し検出することが求められている．一方、超伝導量子ビットとマイクロ波共振器を結合させた回路量子電磁力学（回路QED）の研究分野では、超伝導量子ビットの励起エネルギーに近いマイクロ波（数GHz～数十GHz）が使用されている．回路QED分野の発展とともに，マイクロ波光子検出のニーズが高まっているが，マイクロ波光子のエネルギーは通信波長帯の光子のそれと比較して実に4～5桁も小さく，その検出は困難を極めている．本研究では、回路QED系において、量子ビットを適切なパワーと周波数のマイクロ波で駆動することにより、人工Λ型三準位系（人工Λ型原子）を実装し、この系において見られる入射単一マイクロ波光子による系の決定論的スイッチングを応用するという独自の手法を用いて、単一マイクロ波光子の高効率検出を試みた。
人工Λ型三準位系に入射された共鳴マイクロ波光子は、系の状態を基底状態から励起状態を経て準基底状態である量子ビットの励起状態へ決定論的にスイッチさせる。従って、人工Λ型三準位系へマイクロ波光子を入射した後、量子ビットの状態が励起状態であれば、マイクロ波光子を検出したことになる。実験では、ガウシアンパルスによって整形された弱コヒーレントマイクロ波を入射マイクロ波信号として用い、この信号による量子ビットの励起確率を測定した。測定結果を基に単一マイクロ波光子検出効率を求めたところ、66％という世界最高感度を得た。このマイクロ波光子の検出手法は、光子が検出器に入射されるタイミングを予め把握しておかなければならない「タイムゲート方式」とよばれるものであるが、デバイスレイアウトの工夫により、この動作原理によらない実時間でのマイクロ波光子検出にも成功しつつある。
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| Remarks |
研究所ホームページに於ける、研究成果のプレスリリース発表
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[Journal Article] Displacement of Propagating Squeezed Microwave States2016
Author(s)
K. G. Fedorov, L. Zhong, S. Pogorzalek, P. Eder, M. Fischer, J. Goetz, E. Xie, F. Wulschner, K. Inomata, T. Yamamoto, Y. Nakamura, R. D. Candia, U. L. Heras, M. Sanz, E. Solano, E. P. Menzel, F. Deppe, A. Marx, R. Gross
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Journal Title
Physical Review Letters
Volume: 117
Pages: 020502
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Single Microwave-Photon Detector2016
Author(s)
K. Inomata, Z. R. Lin, K. Koshino, W. D. Oliver, J. S. Tsai, T. Yamamoto, Y. Nakamura
Organizer
29th International Symposium on Superconductivity (ISS 2016)
Place of Presentation
Tokyo International Forum, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan
Year and Date
2016-12-14
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Single Microwave-Photon Detector for Quantum Information2016
Author(s)
K. Inomata, Z. R. Lin, K. Koshino, W. D. Oliver, J. S. Tsai, T. Yamamoto, Y. Nakamura
Organizer
International Workshop on Superconducting Sensors and Detectors (IWSSD 2016)
Place of Presentation
Advanced Industrial Science and Technology, Tsukuba, Ibaraki, Japan
Year and Date
2016-11-15
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] 超伝導量子回路を用いたマイクロ波光子検出器2016
Author(s)
猪股 邦宏, Lin Zhirong, 越野 和樹, Oliver William, 蔡 兆申, 山本 剛, 中村 泰信
Organizer
電子情報通信学会 超伝導エレクトロニクス研究会
Place of Presentation
東北大学電気通信研究所, 宮城県仙台市
Year and Date
2016-10-26
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[Presentation] Dynamics of flux-driven Josephson Parametric Oscillator2016
Author(s)
Z. R. Lin, K. Inomata, K. Koshino, J. S. Tsai, T. Yamamoto, M. Dykman, Y. Nakamura
Organizer
The 10th International Symposium on Intrinsic Josephson Effects and Plasma Oscillations in High-Tc Superconductors (Plasma+2016)
Place of Presentation
Nanjing University, Nanjing, China
Year and Date
2016-10-10
Int'l Joint Research / Invited
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