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2015 年度 実施状況報告書

人工Λ型三準位系を応用したマイクロ波単一光子検出

研究課題

研究課題/領域番号 15K17731
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

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, 研究員 (50525772)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2017-03-31
キーワード単一マイクロ波光子検出 / 人工Λ型三準位系
研究実績の概要

本研究では,人工原子として振る舞う超伝導量子ビットとマイクロ波共振器が結合した実験系において,これまで理論的・実験的に実証してきたインピーダンス整合Λ系とよばれる人工Λ型三準位系を実装し,この系において観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ことで,単一マイクロ波光子の高効率検出の実現を目的とする.
マイクロ波光子のエネルギーは光通信に用いられる光子のそれと比べて4-5桁小さく,その検出は困難を極めてきた.単一のマイクロ波光子を高効率で補足するために,我々は独自の方法で人工Λ型三準位系を実装し,系に共鳴な入射マイクロ波光子によるΛ系の決定論的スイッチングを応用することを試みた.具体的には,Λ系の状態がラマン遷移によって基底状態から(Λ系の)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に遷移する.最後に量子ビットの状態を読み出すことで単一マイクロ波光子の検出となる.
実験では,マイクロ波光子信号として弱コヒーレントマイクロ波をガウシアンパルスで整形したものを用いた.インピーダンス整合Λ系の駆動パルスに同期させてマイクロ波光子パルスを入射し,入射マイクロ波光子のラマン遷移による量子ビットの励起確率を測定することでマイクロ波光子の検出効率を計算によって求めたところ,66%という高い効率でマイクロ波光子が検出可能であることを実証した.
現在,この検出効率は,量子ビットの寿命によって制限されていることが理論的に明らかとなっており,この寿命の改善によってマイクロ波光子の検出効率は90%を超えると期待されている.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

今回の研究提案の大きな目標を一つ達成したため.

今後の研究の推進方策

単一マイクロ波光子検出効率を改善すべく,人工Λ型三準位系を実装している超伝導量子ビットの寿命を改善する.
今回実演したマイクロ波光子検出は,マイクロ波光子がデバイスにやってくるタイミングを予め把握しておかねばならない”タイムゲートモード”動作とよばれる方式である.マイクロ波光子の到達タイミングが分からなくても高効率で対象物を検出できる”連続観測モード”で動作可能な検出器を構築する.

次年度使用額が生じた理由

当該年度に購入を予定していたものが,実験の進捗状況によって購入できなかったため.

次年度使用額の使用計画

今年度はオープンジャーナルであるNature Communicationsに論文が通る見込みであり(現在投稿中で,論文受理間近),投稿費用として50万円程度を見込んでいる.
また,この他に学会発表のための旅費と,昨年度購入できなかったマイクロ波関連パーツを購入する予定であり,予算を消化することが可能である.

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 2件、 査読あり 2件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 5件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] Dressed-state engineering for continuous detection of itinerant microwave photons2016

    • 著者名/発表者名
      K. Koshino, Z. R. Lin, K. Inomata, T. Yamamoto, and Y. Nakamura
    • 雑誌名

      Physical Review A

      巻: 93 ページ: 023824

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.93.023824

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Theory of microwave single-photon detection using an impedance-matched Λ system2015

    • 著者名/発表者名
      K. Koshino, K. Inomata, Z. R. Lin, Y. Nakamura, and T. Yamamoto
    • 雑誌名

      Physical Review A

      巻: 91 ページ: 043805

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.91.043805

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 人工Λ型原子を用いたマイクロ波単一光子の検出2016

    • 著者名/発表者名
      猪股 邦宏
    • 学会等名
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      東京工業大学大 岡山キャンパス (東京都・目黒区)
    • 年月日
      2016-03-22
    • 招待講演
  • [学会発表] Itinerant microwave photon detection using an impedance-matched Λ system2015

    • 著者名/発表者名
      K. Inomata, Z. R. Lin, K. Koshino, J. S. Tsai, T. Yamamoto, and Y. Nakamura
    • 学会等名
      International Symposium on Nanoscale Transport and Technology
    • 発表場所
      NTT Basic research laboratories (Atsugi, Kanagawa)
    • 年月日
      2015-11-19
    • 国際学会
  • [学会発表] Itinerant microwave photon detection using an impedance-matched Λ system2015

    • 著者名/発表者名
      K. Inomata, Z. R. Lin, K. Koshino, J. S. Tsai, T. Yamamoto, and Y. Nakamura
    • 学会等名
      3rd Riken-NCTU Symposium on Physical and Chemical Science
    • 発表場所
      National Chiao Tung University (Hsinchu, Taiwan)
    • 年月日
      2015-11-14
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 着衣状態エンジニアリングによるマイクロ波単一光子の検出(実験)2015

    • 著者名/発表者名
      猪股邦宏,Lin Zhirong,越野和樹,山本剛,中村泰信
    • 学会等名
      日本物理学会2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学千里山キャンパス (大阪府・吹田市)
    • 年月日
      2015-09-18
  • [学会発表] 着衣状態エンジニアリングによるマイクロ波単一光子の検出(理論)2015

    • 著者名/発表者名
      越野和樹,猪股邦宏,Lin Zhirong,山本剛,中村泰信
    • 学会等名
      日本物理学会2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学千里山キャンパス (大阪府・吹田市)
    • 年月日
      2015-09-18
  • [学会発表] 超伝導量子ビットを用いたタイムビンモード伝搬光子の生成2015

    • 著者名/発表者名
      石川豊史,河野信吾,楠山幸一,猪股邦宏,増山雄太,野口篤史,田渕豊,山崎歴舟,宇佐美康二,中村泰信
    • 学会等名
      日本物理学会2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学千里山キャンパス (大阪府・吹田市)
    • 年月日
      2015-09-18
  • [学会発表] Itinerant microwave photon detection in driven circuit QED2015

    • 著者名/発表者名
      K. Inomata, Z. Lin, K. Koshino, J. Tsai, T. Yamamoto, and Y. Nakamura
    • 学会等名
      15th International Superconductive Electronics Conference
    • 発表場所
      Nagoya University (Nagoya, Aichi)
    • 年月日
      2015-07-07
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Theory of deterministic switching of a superconducting qubit induced by single microwave photons2015

    • 著者名/発表者名
      K. Koshino, K. Inomata, Z. Lin, T. Yamamoto, and Y. Nakamura
    • 学会等名
      15th International Superconductive Electronics Conference
    • 発表場所
      Nagoya University (Nagoya, Aichi)
    • 年月日
      2015-07-07
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Josephson parametric phase-locked oscillator and its application to quantum information processing2015

    • 著者名/発表者名
      Z. Lin, K. Inomata, K. Koshino, Y. Nakamura, J. Tsai, and T. Yamamoto
    • 学会等名
      15th International Superconductive Electronics Conference
    • 発表場所
      Nagoya University (Nagoya, Aichi)
    • 年月日
      2015-07-07
    • 国際学会

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公開日: 2017-01-06  

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