要旨
独立行政法人理化学研究所（野依良治理事長）は、巨大な人工原子となる超伝導量子ビット※1と、マイクロ波※2が通過する伝送線（導波路）を強く結合させて、固体電子素子※3上で新たな量子光学デバイスを実現しました。これは、理研基幹研究所（玉尾皓平所長）巨視的量子コヒーレンス研究チームの蔡 兆申（ツァイ ヅァオシェン）チームリーダー（日本電気株式会社グリーンイノベーション研究所主席研究員兼務）、日本電気株式会社（遠藤信博 代表取締役 執行役員社長）量子計算チームとの共同研究による成果です。
「自然原子」は、その種類によってそれぞれ異なった量子準位※4を持っており、レーザー、電磁誘起透明化、光速度の遅延などを実現する基本原理になっています。一方、集積回路の微細加工技術が飛躍的に発展した結果、「人工原子」と呼ぶ巨大な原子が固体電子素子上で開発されています。この人工原子は、自然原子と同様に量子準位を備えるとともに、ほかの電子素子と微細加工技術によって強く結合させることができるため、外部から直接、人工原子を制御することが可能となります。
研究グループは、たった1つの超伝導量子ビットを直径約1μm（マイクロメートル：1μｍは10-6m）もある巨大な人工原子と見立て、アルミニウムでできた伝送線に結合するだけという極めて単純な固体電子素子を作製し、自然原子と光子が引き起こす相互作用と同様の量子光学現象を観測することに成功しました。具体的には、この人工原子が自然原子と同様に光子を散乱させる「巨視的量子散乱」を引き起こし、入射したマイクロ波領域の光子をほぼ完全に反射する現象や、単一光子レベルでの誘導放出と増幅（メーザー※5）を観測しました。さらに、この固体電子素子の外部磁束バイアスの条件を変化させた結果、外部からの光（マイクロ波）の照射によって人工原子が光スイッチとして動作し、伝送線を伝播する光が通過・遮断（オン・オフ）することを発見しました。この光スイッチはエネルギーの損失が無く、現在注目を集めている光子を量子ビットに用いた量子計算機などへの応用が期待できます。
これら一連の研究成果は、米国の科学雑誌『Science』（2月12日号）および米国の学術雑誌『Physical Review Letters』オンライン版（5月6日号）に掲載されるとともに、近く『Physical Review Letters』オンライン版に掲載予定です。
なお成果の一部は、科学研究費補助金新学術領域研究「量子サイバネティクス」（領域代表：蔡 兆申）の研究課題「超伝導量子サイバネティクスの研究」（研究代表者：蔡兆申）の一環として得たものです。
背景
開放した空間に存在する「自然原子」は、その種類によりそれぞれ異なった量子準位を持っています。自然原子へこの量子準位間のエネルギーに相当する光を外部から照射すると、照射光は原子に吸収・散乱されます。この現象は共鳴蛍光と呼ばれる量子光学の基本原理で、100年以上前から原子や分子の種類を特定する重要な技術として利用されてきました。このような量子準位と光（光子）の相互作用を対象とした研究は数多く行われ、例えば、2つの量子準位のうちエネルギーの高いほうの量子準位に多くの電子をため込み（反転分布）、これを一気にエネルギーの低い準位に移動（緩和）させることで光の増幅作用を引き起こす「レーザー発振」は、現代の通信技術や時間標準などに必須の現象となっています。また、多くの原子または分子で構成した不透明な物質（媒体）に光を当てると、この物質が瞬時に透明になるという魔法のような「電磁誘起透明化」という現象は、光スイッチなどへの応用が期待されています。さらにこの現象を応用して、光の速度を極端に遅くしたり、止めたりすることができると考えられており、すでに、量子情報の光メモリーなどに関する研究も進んでいます。
一方、自然原子と同じように量子準位を備えた固体電子素子が1990年代から開発され、これを「人工原子」と呼んでいます。研究グループは、超伝導ループに超伝導ジョセフソン接合※6回路を用いた超伝導人工原子を1999年に実現し、これを量子情報処理における量子ビットとして利用する研究を展開しています。例えば、ジョセフソン接合を4個直列に挿入した磁束量子ビットというデバイスは、量子準位を多数持つ原子のように機能します。
この人工原子は自然原子と違って、半導体チップ上で実現した巨視的な固体電子素子であるため、例えばキャパシター、インダクタ、伝送線、共振回路など、ほかの電子素子と現在の微細加工技術を用いて簡単に強く結合させることが可能です。研究グループは、これまで自然原子で研究されてきた量子光学の現象について、さまざまな電気的条件を変えながら、この単一の超伝導人工原子を用いて研究を行い、これまでにメーザー発振の確認（2007年10月4日プレス発表）などの成果を上げてきました。
研究手法と成果
研究グループは、超伝導回路で構成した直径約1μmという巨大な1つの人工原子を、マイクロ波の伝送線に直接結合させた固体電子素子を準備しました。人工原子には、アルミニウム薄膜を用いてジョセフソン接合回路で構成する超伝導磁束量子ビットを、伝送線には、直径20μｍ程度の金（Au）薄膜製のコプレナー型※7導波路を使用しました（図1）。
この人工原子を、温度20ミリケルビン（0ケルビンは－273.15℃）の環境下に置きマイクロ波を照射すると、自然原子（点散乱源）の振る舞いと定量的に一致した「巨視的量子散乱」を引き起こし、マイクロ波の入射光がほぼ完全（94％）に反射する「弾性散乱」という現象（図2）や、さらに強いマイクロ波を照射すると、「非弾性散乱（共鳴蛍光）」という現象を引き起こすことを観測しました（Science 327, 840, 2010）。これまで自然原子を使った散乱実験では、せいぜい10％程度の反射だけしか実現できていないため、この成果は画期的なものといえます。これらの現象は、人工原子が有する2つの量子準位を利用したものですが、さらにエネルギー順位の高い量子準位を含んだ量子三準位系を活用し、通常のレーザーのように、マイクロ波光の自主放出とともに、その誘導放出と光量の増幅（メーザー）の観測にも成功しました（Physical Review Letters, 2010年5月6日付オンライン版）。光の増幅率は110％程度（図3）ですが、この固体電子素子は単一の人工原子だけで構成しているため、単一光子レベルの増幅が可能です。
さらに、この固体電子素子の外部磁束バイアスを変化させると、新しい機能を発揮させることが可能であることも分かりました。具体的には、基底状態（一番エネルギーの低い状態）と第1励起状態との間のエネルギー差に相当するマイクロ波の光子を導波路に入射すると、共鳴蛍光による散乱を受けて人工原子で完全に反射することが分かりました。次に、第1励起状態と第2励起状態の間のエネルギー差に相当する第2のマイクロ波をポンプ光として－125（dBM：マイクロ波のパワー）以上で照射すると、当初反射されていた第１のマイクロ波が、完全に人工原子を透過して導波路中を通過できることが分かりました。つまり、人工原子には、外部からの光を制御することで、スイッチをオン・オフすることができるマイクロ波光子の鏡（スイッチ）の機能があることを発見しました（図4）。自然原子を用いて光の速度を極端に遅くし、光子を量子計算の量子ビットに利用する方式が提案されていますが、この人工原子による光スイッチの現象はエネルギー損失が極めて少ないので、量子計算機の量子ビットに光子を利用する際、効果を発揮すると期待できます。
こうした一連の結果は、外部から容易に制御できる巨大な人工原子を実現し、実際に、自然原子と類似した巨視的量子散乱、光増幅器、光スイッチの現象を実証したことを示しています。
今後の期待
これまで自然原子を使った量子光学の各種デバイスの開発が進んでいますが、今回研究チームは、自然原子を人工原子（超伝導量子ビット）で置き換えたオンチップの固体電子素子で、自然原子と同じ効果を実現できることを示しました。実現したデバイスは、単一光子レベルの増幅が可能なことや、エネルギー損失が極めて少ない光スイッチとして応用できる可能性が高いことが明らかとなりました。外部からの制御性に優れた人工原子を開発することで、量子光学やマイクロ波フォトニクスへの応用が期待されます。
また、光子を量子ビットとして用いる量子計算機の一番の弱点は、2光子を簡単に結合することができない点ですが、人工原子は強く導波路と結合できるので、2つの光子を強く結合することが期待できます。さらに、自然原子が並んで凝縮して物質ができるように、人工原子を並べて「量子メタ材料」と呼ばれる新たな特性を帯びた新材料を実現することができると考えられます。