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2021 年度 実績報告書

真空中の捕獲電子と超伝導量子ビットの結合系

研究課題

研究課題/領域番号 19H01821
研究機関東京大学

研究代表者

野口 篤史  東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (60761525)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2023-03-31
キーワード電子トラップ / 量子情報 / 量子エレクトロニクス / 超伝導量子回路 / 単一電子検出 / パウルトラップ / ハイブリッド量子系
研究実績の概要

振動電場によって真空中に捕獲された電子を用いることで、長いコヒーレンスと速い制御を両立した量子系を構築することができる。しかし、電子は光によって量子制御することが難しいために、これまで制御された量子系として実現されてこなかった。そこで、本研究では、極低温環境において電子を捕獲し、その量子状態を超伝導マイクロ波回路を用いて観測・制御することを目指して研究をしている。
令和3年度では、極低温下での低エネルギー電子を検出する方法として、超伝導ナノワイヤを用いた単一電子検出器の開発を行った。光電効果により発生した電子を静電レンズで集束し、超伝導ナノワイヤに照射した。この方法により、20 eV程度という低エネルギーの単一電子を検出することに成功し、バイアス電流の変化による量子効率の変化などを評価した。また、極低温での電子トラップのための低エネルギー電子源を開発した。原子の光イオン化閾値ぎりぎりの波長のレーザー光を照射することでmeVオーダーの電子を発生させることに成功した。
さらに電子を捕獲制御するシステムとして、新しく同軸マイクロ波共振器を用いたものを提案し、その閉じ込め深さや必要なマイクロ波強度のシミュレーションを行った。この系は室温でも電子のトラップが可能であり、電子の振動検出に十分なQ値が実現する。
これらのシステムを用いた電子捕獲や電子の冷却方法の提案について、また低エネルギー電子生成の結果について論文としてまとめた。

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

極低温で電子を捕獲・検出するための周辺技術を着実に開発しており、また電子トラップに関する提案論文についても執筆をしたことから、おおむね順調に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

2022年度には、同軸共振器を用いた室温での電子トラップと振動状態読み出し、また超伝導回路を用いた極低温下での電子の捕獲を目指す。
室温トラップでは捕獲電子に磁場を印加することができるため、永久磁石による大きな磁場勾配を印加し、電子のスピン・軌道相互作用を誘起し、スピン状態読み出しを目指す。極低温電子トラップでは、読み出し共振器による輻射冷却により、電子トラップ量子系の最も基本的な構成要素として、ウィグナー結晶化した電子鎖の観測を目指す。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 1件、 招待講演 4件)

  • [雑誌論文] Feasibility study on ground-state cooling and single-phonon readout of trapped electrons using hybrid quantum systems2022

    • 著者名/発表者名
      Alto Osada, Kento Taniguchi, Masato Shigefuji, Atsushi Noguchi
    • 雑誌名

      arXiv

      巻: 2204.07957 ページ: 07957

    • DOI

      10.48550/arXiv.2204.07957

  • [学会発表] 超伝導量子回路と電子トラップを用いたハイブリッド量子系2022

    • 著者名/発表者名
      野口篤史
    • 学会等名
      応用物理学会 春季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] 超伝導単一光子検出器を用いた極低温下での電子検出2021

    • 著者名/発表者名
      重藤真人, 長田有登, 野口篤史
    • 学会等名
      日本物理学会 2021年秋季大会
  • [学会発表] イオントラップ&電子トラップ2021

    • 著者名/発表者名
      野口篤史
    • 学会等名
      2021年度量子情報工学研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] The hybrid quantum circuits with trapped electrons2021

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Noguchi
    • 学会等名
      Quantum Innovation 2021
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ハイブリッド量子回路2021

    • 著者名/発表者名
      野口篤史
    • 学会等名
      ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構設立15周年記念シンポジウム
    • 招待講演

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公開日: 2022-12-28  

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