HTML5 Webook

59/72

未踏領域での理論研究と実験結果およそ40年前の1970年代から、原子と光の相互作用が極端に強い場合には、質的に全く新しい最低エネルギー状態（基底状態）が存在すると予言されていた。その後、現実的な条件の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。共同研究者のS. Ashhab博士（QEERI）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た[9]。今回報告する実験では、測定対象の熱励起を抑えてマイクロ波光子1個レベルでの精密測定が必要なため、図3に示す希釈冷凍機を用いて測定を行った。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が使われた。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＊2を共有して磁気的に非常に強く結合するよう回路が設計された（図4）。この超伝導電気回路について分光実験（1光子レベルでの透過スペクトル測定：図5）を行い、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した[7]。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である。巨視的量子系＊34 ・2006年NTT超伝導人工原子‐LC共振器系において真空ラビ振動を観測g/ωo~ 0.05超強結合超伝導人工原子⇔マイクロ波光子系・2010年マイスナｰ研究所超伝導人工原子・超伝導伝送線路共振器系において、g/ωo~ 0.12 を達成・2010年デルフト工科大超伝導人工原子と強結合した超伝導LC共振器系において、g/ωo~ 0.1  を達成深強結合1結合の強さ0.010.1・2016年NICT‐NTT‐QEERI超伝導人工原子・超伝導LC共振器系において深強結合を達成g/ωo~ 1.34~g/ωo強結合・2004年イェール大超伝導人工原子・超伝導伝送線路共振器系において真空ラビ分裂観測g/ωo~ 0.01図3　実験に用いた試料と回路素子（左）希釈冷凍機に組み込まれた超伝導量子回路用マイクロ波測定系　測定対象の熱励起を抑えてマイクロ波光子1個レベルでの精密測定を行うため、超伝導量子回路素子は、希釈冷凍機の最低温度プレート（約10 mK）に熱接触させて冷却される。超伝導量子回路は、磁気ノイズに非常に敏感なため、実際には外部磁場を約1/1000に低減する円筒型の二重磁気シールド内に設置されている。（右上）試料ホルダーに装填された測定チップ（右下）深強結合 超伝導人工原子（赤枠内）–LC調和振動子回路、アルミニウム製図2　これまでの研究成果と外部状況　光子と超伝導人工原子の結合の強さは、この12年間で100倍以上増強された。今回初めて、深強結合（g/ωo > 1）領域に到達し、質的に新しい基底状態（光と人工原子から成る安定な分子様状態）の発見につながった。＊2ジョセフソンインダクタンス2つの超伝導体で、原子層レベルの非常に薄いバリア層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）では、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4a. 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。＊3巨視的量子系超伝導状態では、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1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。554-3　回路量子電磁力学の未踏領域