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磁石中のマグノンと量子ビットの结合を観测した実験の様子
磁石（イットリウム鉄ガーネット; YIG）と超伝导量子ビットは距離を4cm程度離してマイクロ波空洞共振器に置かれます。空洞共振器中の電界と量子ビットが、磁界と磁石がそれぞれ相互作用しています。-273 ℃という極低温下では、この空洞共振器中の電磁場を通じて磁石中の磁化揺らぎの量子である「マグノン」と超伝导量子ビットが情報をやり取りできることが確認されました。
© 2015 Yutaka Tabuchi.

東京大学先端科学技术研究センターの中村 泰信教授らの研究グループは、未来のコンピュータとされる量子コンピュータが扱う情報の最小単位「量子ビット」を、超伝導体を用いた量子ビット回路と磁石の中のマグノンと呼ばれる量子の間でやり取りすることが可能であることを示しました。本成果は、量子インターフェイスや量子中継器への応用が期待されます。

私たちの身近に存在する磁石の中では、多数の电子のスピンが秩序をもって并ぶことによって大きな磁力が生み出されています。このような多数のスピンが集団として运动することにより、スピンの波（スピン波）が生じ、その励起の基本単位としてマグノンという量子が存在します。これは电磁场の波である光に対する光子に相当するものです。常温では、电子のスピンは热による揺らぎの影响を受けますが、このような热の影响を排除した极限（量子极限）における个々のマグノンの振る舞いはこれまで调べられていませんでした。

研究グループは、ミリメートルの大きさのイットリウム鉄ガーネットの强磁性体结晶球をマイクロ波空洞共振器の中に配置し、絶対零度に近い极低温环境（－273.14℃）にて実験を行い、强磁性体中のマグノンと共振器中のマイクロ波光子の相互作用を、初めてそれぞれ量子1个の単位で実现し、量子力学的な振る舞いを确认しました。

さらに、超伝导量子ビット素子と强磁性体球をひとつの空洞共振器の中に配置することにより、空洞共振器中のマイクロ波光子の自由度を介して、超伝导量子ビットと强磁性体中のマグノンが情报をやり取りできる証拠を见出しました。

本研究成果はスピントロニクスの分野でも注目を集めているマグノンの振る舞いの量子极限における研究を可能にし、さらに、量子インターフェイスや量子中継器への応用が期待されます。

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论文情报

Yutaka Tabuchi, Seiichiro Ishino, Atsushi Noguchi, Toyofumi Ishikawa, Rekishu Yamazaki, Koji Usami, Yasunobu Nakamura, "Coherent coupling between a ferromagnetic magnon and a superconducting qubit", Science Online Edition: 2015/7/10 (Japan time), doi:10.1126/science.aaa3693.
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