IMS、イオントラップで量子回転子を作りトンネル効果中の量子位相を観測

分子科学研究所(IMS)と大阪大学は、イオントラップ中に極低温状態の3個のカルシウムイオンを三角形に配列させて、ミクロンサイズの量子回転子を作り、これを使ってトンネル粒子によるアハラノフボーム効果を実証することに成功したと発表した。

同成果は、IMS 協奏分子システム研究センターの鹿野豊特任准教授(兼 チャップマン大学 量子科学研究所 客員助教授)、大阪大学大学院 基礎工学研究科の占部伸二教授らによるもの。詳細は、「Nature Communications」に掲載された。

量子情報技術は、量子力学の基本原理に基づいて、現在のコンピュータでは処理の困難な計算やシミュレーションなどを可能にする技術として期待され、多くの手法で研究開発が進められている。イオントラップは、これらのうちの有力な手法の1つとして、世界的に研究が進められている。占部教授のグループでも、イオントラップを使った量子情報処理の研究を行っており、これまでに量子ゲートや量子シミュレータの実験を進めている。

今回、イオントラップ中に三角形に配列したイオンを振動基底状態といわれる極低温まで、レーザを使って冷やせることを見出した。イオンを2次元的に配列できることはこれまでに知られていたが、これを振動基底状態まで冷やすことは難しいと考えられていたため、これまでは一列に配列したイオンを使って、量子情報処理の研究が進められてきた。実験では、この三角形に配列したイオンの運動エネルギーを、断熱冷却という手法を用いてさらに数十ナノケルビンまで下げることにより、上向きと下向きの三角形の2つの安定点の間を、量子トンネル効果によって移り変わる量子回転子を実現することに成功した。

さらに、量子回転子が2つの経路を通って移り変わるという量子干渉の性質を用いて、アハラノフボーム効果の観測を行った。この効果は、干渉計の2つの経路の囲む領域に電磁ポテンシャルがある場合は、電荷を持った粒子が直接電磁場によって力を受けなくても、干渉縞の位相に変化を与えるというものである。実験では、経路の囲む領域の磁場の強さを変えることで、この効果によって理論的に予言されるトンネル効果の確率が周期的に変化することを観測した。その結果、干渉計の経路のすべてをトンネル粒子が通過しており、古典的に許される軌道を全く持たない粒子を使ってアハラノフボーム効果を実証したことになったという。

今回の成果は、基礎物理の分野に新たな知見をもたらすとともに、量子情報処理分野における新しい実験手法を提供し、新たな発展に寄与することが期待されるとコメントしている。