【研究領域課題番号】19H01821 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子技術 / 量子情報 / 超伝導量子回路 / 電子トラップ / 量子エレクトロニクス / 単一電子検出 / パウルトラップ / ハイブリッド量子系 / 低温電子源 / 高電圧超伝導回路 / 極低温極高真空 / 超伝導ナノワイヤ検出器 / 量子制御 / イオントラップ

【研究成果の概要】

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。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究領域課題番号】18K14143 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子光学 / 量子情報 / 連続量量子情報処理 / スクイーズド光 / 量子論理ゲート / シュレディンガーの猫状態 / 光子引き去り / サイドバンド / 量子トモグラフィー / 量子エレクトロニクス

【研究成果の概要】

光の量子力学的な性質を利用すると、特定の計算を現代のコンピュータよりも高速に実行できる量子コンピュータや、現代の通信技術の限界を超える大容量通信が実現できる。光の振幅や位相などの連続的な値を用いた量子情報処理では、これまで技術的制約からレーザーのノイズの乗りやすい周波数で行われていたため、情報処理精度が制限されてきた。本研究では、高周波サイドバンド帯と呼ばれるノイズのない周波数に光の量子的な状態を生成・操作・検出するための基本的な技術開発に成功した。

【研究の社会的意義】

従来、光の連続的な値を用いた量子情報処理は、ノイズの影響を受けやすく、何ステップも情報を処理するとノイズが蓄積するため、大規模な情報処理は困難であった。本研究成果では、ノイズの影響を受けにくい環境下で情報処理を行う基本技術が確立され、これによって従来よりも高精度な量子情報処理の実現可能性が開かれた。将来的には、より大規模な量子情報処理が展開できるようになり、量子コンピュータや大容量通信といった光量子情報処理の実用化へとつながる。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2018-04-01 - 2020-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】16H02211 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

孤立量子多体系 / 熱力学第二法則 / リソース理論 / 量子情報 / 情報スクランブリング / 情報熱力学 / 数理物理 / 統計物理 / 量子エレクトロニクス / 量子計算 / 量子カオス / 熱機関 / 統計力学 / 量子コンピュータ

【研究成果の概要】

本研究で我々は、量子多体系の非平衡ダイナミクスの研究、とくに熱力学第二法則が量子力学から如何にして創発するかについての理論研究を行った。その結果として、第二法則やその一般化であるゆらぎの定理を量子力学に基づいて理論的に示し、それを数値実験によって検証することに成功した。また、その背景となる固有状態熱化仮説や、その例外である量子多体スカーについての研究も行った。さらに情報スクランブリングや熱力学リソース理論など、量子情報理論を含めた様々な観点から、量子多体系の第二法則の理論研究を行い、成果を得た。

【研究の社会的意義】

ミクロで可逆な世界の基本法則である量子力学から、マクロで不可逆な世界の基本法則である熱力学第二法則が如何にして創発するかは、物理の基本原理の観点からのみならず、冷却原子気体など孤立量子多体系の制御技術の観点からも重要である。我々は、第二法則が量子力学から創発する機構を理論的に解明したのみならず、量子情報理論など隣接分野のアイデアを取り入れた様々な研究を行った。そうして得られた成果は、量子多体系の非平衡ダイナミクスの理解に大きく貢献し、さらには量子多体系の物理と量子情報理論の境界領域を開拓するのに資するものである。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2016-04-01 - 2021-03-31

【配分額】45,110千円 (直接経費: 34,700千円、間接経費: 10,410千円)

【研究分野】原子・分子・量子エレクトロニクス

【研究領域課題番号】25247068 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子情報 / 量子光学 / 量子通信 / 量子コンピューター / 量子暗号 / 冷却原子 / 波長変換 / 非線形光学 / 量子情報処理 / エンタングルメント / 量子媒体転送 / 多体量子系 / 量子ネットワーク / 量子エレクトロニクス

【研究成果の概要】

量子情報処理実現に欠かせない「異種多体系間のインターフェース技術」の基盤技術の開拓のため、①光子の量子ビットと原子の量子ビットの間の転送、②伝送路の光位相雑音とビットエラーの高効率除去、③多体エンタングルメント構成法および新しい利用法の理論的提案を行った。概ね予定通りあるいは予定以上の結果が得られた。出版論文はNature Photonics、Scientific Reports、New Journal of Phys.、Phys. Rev. Aなど20件、国際会議は招待講演11件を含む43件、国内学会は招待講演6件を含む52件であり、新聞報道および多数のネットニュースによる報道があった。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】43,680千円 (直接経費: 33,600千円、間接経費: 10,080千円)

【研究分野】原子・分子・量子エレクトロニクス

【研究領域課題番号】23684035 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子エレクトロニクス / 量子光学 / 量子情報 / 波長変換 / 量子工学

【研究成果の概要】

光、原子、トラップイオンなど様々な物理系から実現される量子情報処理は、ここ２０年の間に活発に研究されている。光は量子情報を運ぶ担い手として重要な役割を果たしている。一方、その他の物質系は量子情報のメモリや操作を特定の場所で行う役割を持っている。特に量子リピーターに注目すると物質系と光の量子もつれが基本的なリソースとして用いられる。これまでこのような量子もつれの生成が実現しているが光の波長は光ファイバー通信に不向きな可視光領域に限られていた。本研究では量子状態を壊さない波長変換技術を開拓し、量子状態を効率的に送信可能な可視光から通信波長への量子波長変換を実現した。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】27,950千円 (直接経費: 21,500千円、間接経費: 6,450千円)

【研究分野】原子・分子・量子エレクトロニクス

【研究領域課題番号】23244080 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子情報 / 量子制御 / 量子エレクトロニクス / 量子コンピュータ

【研究成果の概要】

本研究では、スクイーズド光を用いたアダプティブホモダイン測定に成功し、その成果がScience誌に掲載された(H. Yonezawa et al., Science 337, 1514 (2012))。また、共振器長48mmの超小型リング共振器パラメトリック発振器および超広帯域ホモダイン測定器の開発に成功し、高レベル・広帯域のスクイーズド光生成および測定に成功した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】49,010千円 (直接経費: 37,700千円、間接経費: 11,310千円)

【研究分野】原子・分子・量子エレクトロニクス

【研究領域課題番号】20244063 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子情報 / 量子エレクトロニクス / 量子コンピュータ / スクイーザー / スクイーズ / 量子情報処理 / 量子テレポーテーション / 広帯域

【研究成果の概要】

広帯域ユニバーサルスクイーザーの作製に成功し、単一光子状態をスクイーズし、シュレディンガーの猫状態を生成する事に成功した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2008 - 2011

【配分額】48,750千円 (直接経費: 37,500千円、間接経費: 11,250千円)

【研究分野】情報学基礎

【研究領域課題番号】20300002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子コンピュータ / 量子計算 / アルゴリズム / 量子情報 / 離散数学 / 量子エレクトロニクス / 計算機システム

【研究成果の概要】

現在のコンピュータの限界を超えるモデルとして量子計算を対象とし、そのパワーの源である量子相関を解析した。古典力学では現れない相関をもたらす量子相関について、離散最適化の観点からカット多面体を軸とする方法、連続最適化の観点から量子最大破れを解析し、また計算量の観点から対話型証明系との同値性を示し、量子相関の体系的に解明した。さらに量子計算モデル及び量子情報の研究へ展開をはかり、離散・連続の幾何構造を解明した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円)