原子と光の相互作用に新領域存在、NICTが発見：量子技術分野に新たな可能性

情報通信研究機構（NICT）は、NTTやカタール環境エネルギー研究所（QEERI）と共同で、超伝導人工原子に光子がまとわり付いた全く新しい安定な分子状態を発見した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

量子通信や高精度原子時計の開発などにつながる

実験に用いた試料と回路素子。上図は試料ホルダーに装填（そうてん）された測定チップ、下図は量子LC回路に組み込まれた超伝導人工原子回路（赤点部） 出典：NICT

　情報通信研究機構（NICT）は2016年10月、NTTやカタール環境エネルギー研究所（QEERI）と共同で、超伝導人工原子に光子がまとわり付いた全く新しい安定な分子状態を発見したと発表した。研究成果は、量子通信や極めて精度が高い原子時計の開発などにつながるとみられている。

　今回の実験には、微細加工技術により作製した超伝導人工原子と、超伝導回路に閉じ込めた光子を用いた。また、大きな零点ゆらぎ電流を持つLC共振回路と超伝導永久電流量子ビットが大きなジョセフソンインダクタンスを共有して、極めて強く結合するような回路設計を行った。

　この回路を用い、超伝導人工原子とマイクロ波光子の相互作用の強さを系統的に変えて分光実験を行った。測定したスペクトルを解析したところ、人工原子に光子がまとわり付いた分子のような、新しい最低エネルギー状態（基底状態）が存在することが分かった。

新たな深強結合状態における分光測定の結果。横軸はバイアスエネルギー、縦軸は入力マイクロ波周波数 出典：NICT他

　回路中にある人工原子の全エネルギーは、光が有するエネルギーと原子が有するエネルギー、そして光と原子の相互作用で生じるエネルギーの総和になるという。1つの巨大な電子対のように振る舞う巨視的量子系の利点を生かして、今回は光と原子の相互作用エネルギーが、光エネルギーや原子エネルギーより大きくなる「深強結合」を実現することに成功した。

　深強結合状態では、光と原子の系に新たな対称性が生じ、量子遷移に選択則が観測されたり、基底状態を含む全状態で光と原子の量子もつれが生じたりするなどの性質を示すことが判明した。なお、今回の研究ではNICTが実験と解析、NTTは試料作製、QEERIは理論解釈をそれぞれ担当した。

　光子と超伝導人工原子の結合の強さを高める研究は長年続けられてきた。直近の12年間でその強さは100倍以上になった。さらに、今回の研究で初めて深強結合の領域に到達したという。

原子（物質）と光の相互作用に関連する、これまでの主な研究状況とその成果 （クリックで拡大） 出典：NICT他

　研究チームは今回、1個の超伝導人工原子と光子の分子様状態（深強結合）を発見した。引き続き、複数の超伝導人工原子と光子の場合においても、同様な状態を観測することができるのかを研究していく。さらに、分子様状態の人為的な操作や光子の吸収・発光過程のダイナミックス、この状態を用いた新たなもつれ生成方法、などについても研究していく予定である。

　研究成果は、従来に比べて桁違いに広いエネルギー範囲で、物質と光の相互作用をコントロールすることができる。このため、量子相転移の物理解明やシュレディンガー猫状態のような非古典光状態を使う量子技術への応用も可能とみられている。