超伝導量子ビットと磁石の球のハイブリッド 目に見える大きさの磁石の量子力学的振る舞いを明らかに
磁石中のマグノンと量子ビットの結合を観測した実験の様子
磁石（イットリウム鉄ガーネット; YIG）と超伝導量子ビットは距離を4cm程度離してマイクロ波空洞共振器に置かれます。空洞共振器中の電界と量子ビットが、磁界と磁石がそれぞれ相互作用しています。-273 ℃という極低温下では、この空洞共振器中の電磁場を通じて磁石中の磁化揺らぎの量子である「マグノン」と超伝導量子ビットが情報をやり取りできることが確認されました。
© 2015 Yutaka Tabuchi.
東京大学先端科学技術研究センターの中村 泰信教授らの研究グループは、未来のコンピュータとされる量子コンピュータが扱う情報の最小単位「量子ビット」を、超伝導体を用いた量子ビット回路と磁石の中のマグノンと呼ばれる量子の間でやり取りすることが可能であることを示しました。本成果は、量子インターフェイスや量子中継器への応用が期待されます。
私たちの身近に存在する磁石の中では、多数の電子のスピンが秩序をもって並ぶことによって大きな磁力が生み出されています。このような多数のスピンが集団として運動することにより、スピンの波（スピン波）が生じ、その励起の基本単位としてマグノンという量子が存在します。これは電磁場の波である光に対する光子に相当するものです。常温では、電子のスピンは熱による揺らぎの影響を受けますが、このような熱の影響を排除した極限（量子極限）における個々のマグノンの振る舞いはこれまで調べられていませんでした。
研究グループは、ミリメートルの大きさのイットリウム鉄ガーネットの強磁性体結晶球をマイクロ波空洞共振器の中に配置し、絶対零度に近い極低温環境（－273.14℃）にて実験を行い、強磁性体中のマグノンと共振器中のマイクロ波光子の相互作用を、初めてそれぞれ量子1個の単位で実現し、量子力学的な振る舞いを確認しました。
さらに、超伝導量子ビット素子と強磁性体球をひとつの空洞共振器の中に配置することにより、空洞共振器中のマイクロ波光子の自由度を介して、超伝導量子ビットと強磁性体中のマグノンが情報をやり取りできる証拠を見出しました。
本研究成果はスピントロニクスの分野でも注目を集めているマグノンの振る舞いの量子極限における研究を可能にし、さらに、量子インターフェイスや量子中継器への応用が期待されます。
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論文情報
, "Coherent coupling between a ferromagnetic magnon and a superconducting qubit", Science Online Edition: 2015/7/10 (Japan time), doi:10.1126/science.aaa3693.
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