人工原子に光子がまとわり付いた分子のような基底状態が存在 - NICTなど

情報通信研究機構(NICT)、日本電信電話(NTT)、カタール環境エネルギー研究所(QEERI)は10月11日、超伝導人工原子とマイクロ波光子の相互作用の強さを系統的に変え分光実験を行った結果、人工原子に光子がまとわり付いた分子のような新しい最低エネルギー状態(基底状態)が存在することを発見したと発表した。

同成果は、NICT 仙場浩一氏、吉原文樹氏、布施智子氏、NTT 齊藤志郎氏、角柳孝輔氏、QEERI Sahel Ashhab氏らの研究グループによるもので、10月10日付の英国科学誌「Nature Physics」に掲載された。

1970年代から、原子と光の相互作用が極端に強い場合には質的にまったく新しい基底状態が存在すると予言されていたが、その後、現実的な条件下でその状況を準備しても、この予言が適用できるか否かに関して論争が起こった。そこでAshhab氏らは数年前に、超伝導回路を用いてこの新状態を形成するために必要な条件について理論的な検討を行っていた。

同研究グループは今回、微細加工技術を用いて作製された原子と同等の量子的性質を持つ超伝導人工原子と、超伝導回路に閉じ込めた光子を利用。実際には、大きな零点ゆらぎ電流を持つLC共振回路と超伝導永久電流量子ビットが大きなジョセフソンインダクタンスを共有して非常に強く結合するよう回路を設計し、同回路について分光実験を行った。

この結果、得られたスペクトルの解析から、予言された新たな状態を発見。回路中の人工原子の全エネルギーは、光自身が持つエネルギー、原子自身のエネルギー、光と原子の相互作用のエネルギーの総和となるが、巨視的量子系の利点を生かして、光と原子の相互作用のエネルギーを、光自身のエネルギーや原子自身のエネルギーより大きくすること(「深強結合」実現)に成功した。

さらに、「深強結合状態」では、光と原子の系に新たな対称性が生じ、量子遷移に選択則が観測されたり、基底状態を含む全状態で光と原子の量子もつれが実現されているなどの性質を示すことが観測された。

同研究グループは今後、複数の超伝導人工原子と光子の場合でも、同様な状態が観測されるか研究を進めていくとしている。また、量子通信におけるノード技術への応用や、基底状態を含めた多体系の量子状態制御技術の向上を目指し、同分子様状態の人為操作、光子の吸収・発光過程のダイナミックスや同状態を用いた新たなもつれ生成方法などの研究を展開する予定だという。