2014 Fiscal Year Annual Research Report
対称性の破れを伴う固体中の集団励起モードを用いた量子ハイブリッドシステム
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26220601
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
中村 泰信 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (90524083)
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| Project Period (FY) |
2014-05-30 – 2019-03-31
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| Keywords | 集団励起 / 超伝導 / 強磁性 / ナノメカニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体中の巨視的集団励起モードからなる量子ハイブリッド系を構築し，超伝導量子回路と異種量子系の間でコヒーレント制御を実現し，さらにマイクロ波のみならず光とのコヒーレントな相互作用も可能にするために，本研究では以下の研究を実施している．当該年度の成果は以下の通りである．これらは将来の量子情報ネットワーク技術の基盤となりうる成果である．
①超伝導マイクロ波共振器と結合した超伝導量子ビットを用いて，マイクロ波共振器中の局在モードやマイクロ波導波路中の伝搬モードの上のマイクロ波光子の量子状態を制御・観測する手法を開発した．前者に関しては，共振器中の光子数に依存して量子ビットが受ける離散的acシュタルクシフトを利用して，共振器中の光子統計を測定できることを示し，それをスクイーズド真空状態にも適用した．後者に関しては，超伝導マイクロ波共振器と結合した超伝導量子ビットを駆動することで，着衣状態を利用したΛ型3準位系を実現し，単一光子検出器を実現した．検出効率は66%に達している．
②強磁性絶縁体イットリウム鉄ガーネット(YIG)単結晶球中のスピンの集団励起の量子制御を目指した研究を行っている．すべてのスピンが空間的に均一に歳差運動するキッテルモードとマイクロ波共振器モードを結合し，1光子・1マグノンレベルの量子極限においてもコヒーレントな結合を示すことを確認した．さらにマイクロ波共振器中にYIG球と超伝導量子ビットを配置することで，超伝導量子ビットとマグノン励起の強結合を実現し，真空ラビ分裂を観測した．
③窒化シリコン薄膜をマイクロ波共振回路と結合したエレクトロナノメカニクスにおいて，サイドバンド冷却手法を用いて機械振動子を基底状態近く(平均フォノン占有数約0.5)まで冷却した．実効温度に換算して約50μKに相当する．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
上記実績欄の記述のよう多くの成果が出ており，研究計画どおりに進行している．
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| Strategy for Future Research Activity |
超伝導量子回路に関しては，伝搬モード中のマイクロ波単一光子の量子非破壊測定，マイクロ波単一光子発生および時間モード量子ビットの生成などを通じて，超伝導量子ビットと伝搬モード量子状態のもつれ制御の研究を進める．
強磁性体中のマグノン量子状態制御に関しては，マイクロ波共振器を介して超伝導量子ビットと結合したYIG単結晶球における時間領域での真空ラビ振動の観測を行い，さらにマグノンの非古典状態の制御と観測を目指す．マグノン励起と光の結合実験では，ファラデー効果やマグノンブリルアン散乱による相互作用の強度をより定量的に評価し，その増強方法を検討する．
ナノメカニカル素子に関しては，マイクロ波共振器との結合を介したサイドバンド冷却と合わせて，光共振器との結合によるサイドバンド冷却による振動基底状態を実現し，それらの融合を図る．また実現した基底状態に対する量子状態制御を試みる．マイクロ波共振器を介したナノメカニカル振動子と超伝導量子ビットの結合実験も行う．
強磁性体中のマグノンの量子制御とナノメカニカル素子中のフォノンの量子制御がともに予想以上にうまく軌道に乗りつつあり，実験装置のマシンタイムの制約が大きくなってきている．H27年度は研究加速のために，希釈冷凍機を1台購入し，実験の効率化を図る予定である．そのためにH26年度は研究費の支出を抑制し，H27年度に調整金を申請して装置の購入に充てる予定である．
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[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，新宿区，東京
Year and Date
2015-03-24 – 2015-03-24
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[Presentation] 強磁性体球形光共振器を用いた磁気光学効果の観測2015
Author(s)
長田有登, 久富隆佑, 野口篤史, 田渕豊, 山崎歴舟, M. Sadgrove, R. Yalla, 野村政宏, 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，新宿区，東京
Year and Date
2015-03-24 – 2015-03-24
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[Presentation] Experimental verification of fluctuation theorem in superconducting qubit2014
Author(s)
Y. Masuyama, S. Kono, Y. Tabuchi, T. Ishikawa, R. Yamazaki, K. Usami, X. Jin, T. Gudmundsen, S. Gustavsson, W. D. Oliver, and Y. Nakamura
Organizer
Coherent Quantum Dynamics (CQD 2014): Okinawa School in Physics: Coherent Quantum Dynamics
Place of Presentation
OIST，恩納，沖縄
Year and Date
2014-09-16 – 2014-09-25
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[Presentation] 超伝導量子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，春日井，愛知
Year and Date
2014-09-10 – 2014-09-10
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