【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】18F18799 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

Superconducting qubit / microwave / quantum optics / quantum information

【研究成果の概要】

My work in this fiscal year consisted in developing a unidirectional emitter of　microwave photons to a 1D waveguide. This work is of particular interest　regarding the prospect of fabricating 1D quantum networks, where qubits coupled to a common waveguide can exchange quantum information with one another. Indeed, without some specific design that will lead to emission in a single direction, right or left, a qubit will naturally emit in both directions of the waveguide, which will thus scatter the quantum information in different locations. The same goes for absorption. If a photon from the waveguide impinges on a usual qubit from a single direction, the qubit will not be able to absorb the full photon. The device I propose, on the other hand, can absorb and emit photons unidirectionally, which allows us to circumvent this issue. The aim for now is to demonstrate the operation of a single of those unidirectional devices, coupled to an open transmission line. A large part of my time was devoted to predicting the behaviour of the systems we are considering from a theoretical point of view. By encoding the system’s physics into matrices and equations, we can calculate the time-evolution of a given physical system in time and deduce what will be its state at a future time. All these simulations were made using the Python programming language.

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2018-11-09 - 2021-03-31

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)

【研究分野】ナノ構造物理

【研究領域課題番号】26220601 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ハイブリッド系 / 超伝導量子ビット / 量子情報 / 量子計測 / ナノメカニクス / マグノニクス / 超伝導量子回路 / 強磁性体 / マグノン / ハイブリッド量子系 / 量子力学 / 超伝導 / 集団励起 / 強磁性

【研究成果の概要】

対称性の破れに伴って生じる固体中の巨視的集団励起モードの自由度を単一量子レベルでコヒーレントに制御する手法を開拓した。超伝導回路上の量子状態制御技術をツールとして、他の量子系の量子状態制御を実現する量子ハイブリッド系を構築した。超伝導回路上のマイクロ波伝搬モードの量子状態はもとより、強磁性体中の集団スピン励起であるマグノンモードや、ナノメカニカル素子内の集団原子運動であるフォノンモードなどの量子状態を操作し、スクイーズド状態・粒子数（Fock）状態・量子もつれ状態など非古典的状態を自在に生成し観測する手法を開発した。

【研究の社会的意義】

固体素子中の様々な自由度を量子力学的に制御・観測する手法を開発することにより、固体中の集団励起モードの素励起を直接調べることを可能にするとともに、量子技術の適用領域を拡大し量子情報や量子計測応用への可能性を切り拓いた。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2014-05-30 - 2019-03-31

【配分額】195,130千円 (直接経費: 150,100千円、間接経費: 45,030千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】14540346 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ホロノミック量子計算 / デコヒーレンス / Cartan分解 / 超伝導量子ビット / NMR量子コンピュータ / 等ホロノミー問題 / 量子情報空間 / 単一分子磁石 / エンタングルメント / 量子情報空間の計量 / 量子計算 / 量子情報 / 量子ゲート / 量子アルゴリズム加速 / ホロノミー / NMR / 量子ビット / 量子ドット / 液体ヘリウム上の電子

【研究成果の概要】

中原と共同研究者は,多量子ビットゲートをモジュール化して量子アルゴリズムの効率的な実装法を開発した.最初これは数学的に理想的なホロノミック量子計算について解析したが,その後より現実的なジョセフソン接合を用いた量子ビット系について研究を行った.この方法で実際に21を素因数分解するにはどれだけの量子ビットと計算ステップが必要か具体的に求めた.ホロノミック量子計算に関しては,その後中原と大阪市大の谷村たちはGrassmann多様体上のStiefel多様体という理想化された状況で,与えられたホロノミーを最短ループで実現する厳密解を求めた.これによりMontgomeryが1991年に投げかけた等ホロノミー問題に完全な解答を与えた.
中原と近藤は近畿大学にNMR量子コンピュータを立ち上げた.本研究では谷村達の協力を得てLie群のCartan分解から得られる時間最適解を求め,それを2量子ビットの分子を使ってNMR量子コンピュータで実行した.計算実行時間とゲート数の減少によりNMRのスペクトルが改善されることを実験的に確かめた.また,与えられた量子アルゴリズムUの後に,簡単なゲートWを加えWUと変更することにより,実行時間が減少できる可能性を指摘し,それをNMR量子コンピュータを用いて実行した.この場合実行時間とゲート数はさらに減少し,スペクトルはさらに改善された.UをWUに「飛ばす」ことから,この方法はワープドライブ,Wはワープゲートとよばれる.
細谷はブラックホール時空におけるホーキング輻射を量子情報理論的に研究し,観測後の測定器をブラックホールに吸収させた場合のエントロピーの変化を研究したほか量子情報空間における計量の研究なども行った.
黒田は量子ディットとしての可能性をもつ単一分子磁石Mn12錯体の化学的な物性を研究した.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2002 - 2004

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)