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"If you think you understand quantum mechanics, you don't understand quantum mechanics."

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Circuit QED

このページでは、私たちの研究に関連の深いCircuit QED(回路量子電磁力学)について説明いたします。

この分野の研究をされていない方には、Circuit QEDという言葉自体が聞きなじみのないものであると思われます。研究分野としても比較的新しい領域です。まずは、Cavity QEDについて説明いたします。

Cavityとは共振器をさしており、共振器と原子の相互作用の研究が、この領域のメインテーマとなります。図をみてください。共振器と原子、そしてパラメーターとして共振器中の光子崩壊率κ、及び原子の緩和率γが示されています。Cavity QEDでは図のように共振器中に光子を閉じ込め、電磁場を量子力学的に扱います。この手法を用いれば、例えば原子の遷移周波数分の光子エネルギーを吸収、放出することが可能となり、物質と光の量子情報交換や量子情報処理に応用することが可能となります。Circuit QEDはこのCavity QEDの原理を回路上の共振器及び人工原子で実現します。私たちは超伝導体を用いて人工原子(いわゆる量子ビット)と共振器をつくり、量子力学の探究をしています。

では、私たちが日頃どのようなサンプルを用いて実験しているのかをご紹介いたします。

上図が超伝導回路の光学顕微鏡図及び、電子顕微鏡図です。まず、回路の大きさですが、2.5mmx5.0mmのとても小さなサイズです。この小さいサンプルの中に量子ビット、共振器が含まれています。サンプルの中央に細長くうねうねと伸びた部分が確認できます。これが超伝導共振器です。このタイプの共振器のことをCoplanar Wave Guide(CPW))型共振器と呼びます。

共振器の左端に付属しているのが磁束量子ビットです。図の磁束量子ビットは少し特殊な構造をしており、大きな四角いパッドがキャパシタの役割を担っています。さらに構造を詳しく見てみます。(c)の図を見てください。これが磁束量子ビットの根幹を担う箇所です。この量子ビットには3つのジョセフソン接合が含まれています。この例で言いますと、左側に2つ右側に1つです。ループのサイズは非常に小さくこの例でいえば、5μm×10μmです。ジョセフソン接合の作成に関してはFabrication のページに譲ります。

bonding machine
Fabrication

このページでは、主にサンプル作成についてその概要を紹介していきます。まずは、トップ画像についてです。これはPCB(Printed Circuit Board)にサンプルをボンディング(接着)しているところ撮影したものです。顕微鏡を覗き込みながら(筆者はとてもこれが苦手です)髪の毛よりも細いAlの細線を基板とPCBの間に接着することで基板のグラウンド、及び伝送線路を確保します。

私たちは基本的に以下のサイクルで研究を進めていきます。

①文献調査

②数値計算

③設計

④サンプル作成

⑤実験

⑥解析

このサイクルはどの研究室においてもほぼ同じようなものであると思います。それぞれについてもう少し説明します。

まずは、①文献調査です。ここで各自が行ってる研究と先行研究とを照らし合わせながら情報を得ていきます。

自分の作成するサンプルについて情報を得たのちは②数値計算を用いて必要なパラメータを算出します。

サンプル作成に必要なパラメーターを得るために、シミュレーションの精度を上げることも重要なステップです。

その後に③CADソフトを用いて設計図を書き出します。この際、電磁界シミュレーションを行います。私たちが作成するサンプルには共振器が付属していることがほとんどです。この工程で、自分たちが設計した回路をシミュレーションとしてどのような特性を持っているのかを確認し、細部を調整していきます。

ここまでがサンプル設計のフェーズにあたります。この後は理研のクリーンルーム内にある装置を用いて実際に④サンプル製作をしていきます。

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