電子運動の量子レベルでの観測、制御手法を発明東京大学

東京大学は2022年9月30日、電磁場によって真空中に浮遊する電子の運動状態を、量子レベルで観測、制御する手法を発明したと発表した。ハイブリッド量子系を利用した手法で、量子コンピューター開発への貢献も期待される。

近年、物質の量子力学的な性質を利用した量子技術が注目を集め、量子コンピューターや量子通信、これを組み合わせた量子ネットワークなどへの応用に向けた研究が進められている。その中で、電磁場によって真空中に浮遊させた電子の利用が脚光を浴びているが、高精度な量子操作のために重要な電子の運動状態の冷却と観測を量子レベルで行うのは浮遊電子のみでは困難だとされてきた。

同大学院総合文化研究科の研究グループは、この課題を解決するため、既に技術がある程度確立された超伝導量子回路と、真空中に捕獲された原子イオンと浮遊電子のそれぞれの組み合わせ、いわゆるハイブリッド量子系に着目した。

浮遊電子は捕獲ポテンシャル中でマイクロ波領域の周波数で振動するため、マイクロ波領域の極微のアンテナのようにみなすことができる。同じくマイクロ波領域で動作する超伝導量子回路が電子という極微のアンテナとエネルギーを効率的にやり取りできることを用いて、運動状態の量子レベルでの観測と制御が可能であることを発見した。

また、原子イオンと電子はクーロン力により互いに引き合うことから、クーロン力に起因する電子とイオン間の非線形な相互作用により効率的なエネルギーのやりとりが可能になり、原子イオンを用いた場合も、電子の運動状態の量子レベルでの冷却や制御が可能なことを明らかにした。

研究グループは、今回の成果によって運動状態の量子レベルでの冷却と制御、観測の手法を確立する道筋が示されたとし、量子コンピューターの実現など浮遊電子系の量子技術の研究開発が進むと期待を寄せている。今後は、ハイブリッド量子系の実証実験など、さらなる浮遊電子系の実験開発に取り組む。

今回の研究成果は2022年9月29日、米国科学誌「Physical Review Research」オンライン版に掲載された。

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