光子と人工原子から成る安定な分子状態を発見

本論文への吉原と布施の貢献は同等であり、両者は筆頭著者です。

また、仙場、Ashhabが本研究を設計企画し、吉原、布施、角柳、齊藤、仙場が測定装置を設計し、作製しました。吉原、布施、角柳、齊藤が試料を作成し、吉原、布施が実験を実施し、Ashhabが理論的な部分を担当しました。

得られたデータの解釈と論文執筆は著者全員で行いました。

超伝導体を用いて作製された線スペクトルとみなせる原子のような離散エネルギー準位を有する量子回路。限定されたエネルギー範囲や温度範囲では、近似的に量子二準位系とみなすことができる場合には、量子ビットとも呼ばれる。ここでは、図1 赤枠内に示す超伝導磁束量子ビットを指す。実際には、ナノメートルオーダの極薄絶縁体をサンドイッチした構造のジョセフソン接合と呼ばれる素子を複数個含んだ超伝導電気回路。ループを貫く磁束を変化させることで、おおよそ数GHz程度の範囲で量子二準位のエネルギー分裂の大きさを制御できる。エネルギー分裂が数GHz程度の超伝導量子ビットの場合には、動作温度として、おおよそ0.1Kより低温が必要となる。

原子層レベルの非常に薄いバリア層を間に挟み、2つの超伝導体をサンドイッチした構造の素子（ジョセフソン接合）が超伝導状態で示すインダクタンス。この接合部分では、超伝導が弱められており、外部から電磁気的な信号を接合部分に加えると、超伝導状態特有の非線形応答が得られる。高感度な磁場センサーであるSQUID（Superconducting QUantum Interference Device: 超伝導量子干渉素子）は、超伝導ループに複数個のジョセフソン接合が配置され、ループを流れる超伝導電流がループを貫く磁場に非常に敏感であることが利用されている。今回の実験では、ジョセフソン接合が示す大きなインダクタンスを強い結合を得るために積極的に利用した。LC共振回路と超伝導人工原子とで共有された回路部分（補足資料の図3 a. 等価回路に黒で示す可変インダクタンス部分）に、ジョセフソン接合を配置して、両者の結合を増大させることにより、深強結合を実現することが可能となった。

超伝導状態では、おびただしい数の電子対が同一の量子状態を占めることにより、原子スケールに比べてはるかに大きな（巨視的な）スケールにわたり、位相のそろった（コヒーレントな）量子状態が出現する。このように、超伝導体を使えば、微細加工技術で人為的に作製された電気回路の電流状態があたかも一つの巨大な電子対のように振る舞う状況を作ることができる。このような状況にある量子系を巨視的量子系と呼ぶ。量子コヒーレンスを保ちながら、原子に比べてはるかに大きなスケールの物理量（電流、磁気モーメント、分極など）を具現することが可能である。超伝導のほかにも、超流動、レーザー状態中の光子、希薄原子ガスのボース・アインシュタイン凝縮などの例が知られている。

複数の粒子間に量子力学的な相関がある状態。量子もつれ状態にある2つの光子（電子、量子ビットなど）では、片方の状態が決まるともう一方の状態もそれに応じて決まり、その関係は粒子間の距離に依存しないといった特異な性質である。量子暗号、量子計算の実現に欠かせない量子状態間の存在様式であり、現在では積極的に活用されている量子系のリソースである。