光と物質を操る量子技術に新たな可能性を拓く

　NICTは10月11日、NTT、カタール環境エネルギー研究所と共同で、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。
　この研究により、原子（物質）と光の相互作用に新たな領域が存在することが明らかになった。従来に比べて桁違いに広いエネルギー範囲で物質と光の相互作用を操る術を提供できるため、量子相転移の物理の解明や、シュレディンガー猫状態のような非古典光状態を使う量子技術への応用の道を拓き、量子通信、量子シミュレーション・計算、次世代超高精度原子時計の開発など、量子技術分野の研究に今後役立つと考えられる。

背景

　NICTが進める超高精度原子時計の研究開発や、NTTが目指す、より安全で省エネルギーな通信など、現代社会に不可欠な技術は、光と原子の振る舞いを光子1個という究極のレベルで解き明かすことから始まった。物質が光を吸収・放出するのは、原子と光に相互作用が存在するからだが、「光と原子の相互作用はどこまで強くできるか？」という基本的な問題は、原子物理学において永く研究されてきたものの、非常に強い相互作用を実現する適切な方法が見つからず、未解決のままだった。
　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なったという。

今回の成果

　今回の実験では、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を共有して非常に強く結合するよう回路を設計した。この回路について分光実験を行い、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。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だ。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）に成功したという。
　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（「深強結合」については、補足資料の図4参照）。
　本研究における役割分担については、NICTは実験と解析、NTTは試料作製、QEERIは理論解釈をそれぞれ担当した。

今後の展望

　今回、1個の超伝導人工原子と光子の分子様状態（深強結合）を発見したが、今後は、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のか研究を進めるとしている。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て、この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この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。

補足資料