Hybrid quantum systems with trapped electrons via superconducting circuits

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H01821
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: The 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
• 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

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.

Free Research Field

量子エレクトロニクス

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。