| 研究課題/領域番号 |
15K17732
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| 研究機関 | 日本電信電話株式会社ＮＴＴ物性科学基礎研究所 |
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研究代表者 |
松崎 雄一郎 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子電子物性研究部, 研究員 (10618911)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 量子計測 / 磁場センサ / 量子情報 / 量子ゼノン / エンタングルメント |
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| 研究実績の概要 |
今年度は、超伝導磁束量子ビットと電子スピン集団を用いたハイブリッド計測に関する研究と、量子ゼノン効果を用いたコヒーレンス時間の改善に関する研究を行った。前者に関しては、超伝導磁束量子ビットを状態制御に、電子スピン集団を情報のメモリに用いることで磁場センサの感度を向上させる理論提案を行い、この成果はＰＲＬに出版した。この研究は特に、超伝導磁束量子ビットの非線形性を用いて、電子スピン集団に対してエンタングルメントを生成し、感度を向上させる点に独創性がある。また超伝導磁束量子ビットの持つ情報を電子スピン集団を用いて増幅し、超伝導磁束量子ビットの状態を高速で読み出す手法を理論的に開発し、この成果はＪＰＳＪに出版した。この成果は将来的には、高可視度で超伝導磁束量子ビットを読み出す技術へ進展する可能性がある点で重要である。さらに、このようなハイブリッド磁場センサ実現への第一歩として、実験家と共同研究することで、電子スピン集団の偏極率を超伝導量子干渉計で読み出す実験を行い、この成果はＡＰＬに出版した。後者に関しては、寿命の短い量子ビットを測定器に用いることで、寿命の長い量子ビットに対して測定を頻繁に行うことで量子ゼノン効果を起こし、寿命（位相緩和時間）をさらに長くするプロトコルを理論的に提案した。この成果はＪＰＳＪに出版した。さらに実験家と共同研究することで、クロロホルム中の寿命の異なる二つの核スピンを用いて、この提案を実験実証した。この成果はＮＪＰに出版した。このように異なる量子系を結合させることで発現する新奇な現象の探索と、その量子情報への応用についての研究を理論と実験の両面から行った。これらはハイブリッド系に現れる量子性を用いた高感度計測の実現に貢献する点で極めて重要な成果である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
当初予定していた、超伝導磁束量子ビットと電子スピン集団を用いた量子計測に関しての理論提案を行うことができた。特に、従来から難しいと考えられていた、エンタングルメントの大規模生成とその磁場センサへの応用に関して、効率的なスキームを提案できたのは意義が大きい。のみならず、実験家と協力して、そのためのマイルストーンというべき実験成果を出すことができたため、予定以上の進展があったと言える。特に、超伝導量子干渉計で電子スピン集団の偏極率を読み出す実験成果は、電子スピン共鳴の分野でも応用先が期待できるため、量子情報にとどまらず、広い波及効果が期待できる。また、量子ゼノン効果についても大きな前進があった。核磁気共鳴を使うと、射影測定が現在の技術では難しいため、量子ゼノン効果の観測はまだ実証されていなかった。そこで我々は、コヒーレンス時間の異なる二つの量子ビットを組み合わせることでこの難点を克服できることを理論的に提案した。そして実験家と協力することで、私の提案する手法での量子ゼノン効果を核磁気共鳴で実証した。また、この実験で行った実証は１量子ビットの重ね合わせの寿命を延ばすものであったが、理論的にエンタングルメントの寿命を延ばす方法も併せて提案した。この手法はエンタングルメントを用いた高感度磁場センサの実現にも拡張が可能で、将来的には幅広い応用が期待できる。これも当初の計画にはなかった進展であるが、本研究の目標であるハイブリッド系を用いた量子計測の実現に貢献する重要な成果である。
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| 今後の研究の推進方策 |
引き続き、理論と実験の両面からハイブリッド量子計測の研究を推進する。超伝導磁束量子ビットと電子スピン集団の結合系に関しては超伝導磁束量子ビットの制御性の高さを利用して、電子スピン状態の量子状態の読み出しと制御を高速で行う手法を考案している。そしてこれらの成果をもとに、磁場センサのみならず、電場センサや温度センサへの応用の可能性を探る。また、実験面でも、超伝導量子干渉計ではなく超伝導磁束量子ビット量子ビットを用いた電子スピン集団の偏極率の計測を、実験家と計画している。この実験はエンタングルメントを用いた磁場センサ実現へのマイルストーンとしての役割を果たすのみならず、高感度電子スピン共鳴にもつながるため、多くの分野への応用が期待できる。また、新しくダイヤモンド中の電子スピン集団と、線形光学素子を用いた量子計測に関しての研究も行っている。特に、電子スピン集団に印可するパルス列を改善することで、磁場センサとしての感度を向上させることを検討している。またダイヤモンド中の電子スピン集団を用いて、単一もしくは小数の核スピンを検出するスキームを考案している。具体的には、ダイヤモンド中の電子スピンと核スピンのdipole-dipole相互作用から、ダイヤモンド中の電子スピンに与える位相シフトの量を計算する。この結果をもとに、ダイヤモンド結晶の形状や、核スピンの配置を最適化することで、何個までの核スピンの読み出しが可能になるかを理論的に見積る予定である。
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