(57)【要約】【課題】マイクロ波の個々の光子の検出を可能にする、マイクロ波光子検出器を提供する。【解決手段】超伝導量子ビットをマイクロ波受光用の超伝導共振器および量子ビット読み出し用の超伝導共振器と結合する。受光用共振器に共鳴的に入射したマイクロ波光子は量子ビットと共振器の結合モードを励起する。別の共振周波数を持つ量子ビット読み出し用非線形共振器は、外部マイクロ波源により連続的に駆動され、その応答の振幅または位相が連続的に計測されている。信号光子の入射により量子ビットが励起されると、読み出し用共振器の応答に不連続な変化が生じ、単一光子検出が実現される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波受光用の超伝導共振器、量子ビット読み出し用の超伝導共振器、及び、前記マイクロ波受光用の超伝導共振器と前記量子ビット読み出し用の超伝導共振器を結合する超伝導量子ビットを含むことを特徴とするマイクロ波光子検出器。
【請求項２】
請求項１において、前記読み出し用の超伝導共振器が非線形共振器であることを特徴とするマイクロ波光子検出器。
【請求項３】
請求項１において、前記読み出し用の超伝導共振器が線形共振器であることを特徴とするマイクロ波光子検出器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記超伝導量子ビットは超伝導磁束量子ビットであることを特徴とするマイクロ波光子検出器。
【請求項５】
請求項４において、前記超伝導磁束量子ビットは３つのジョセフソン接合を有していることを特徴とするマイクロ波光子検出器。
【請求項６】
請求項４又は５において、前記超伝導磁束量子ビットは前記受光用の超伝導共振器及び前記読み出し用の超伝導共振器とそれぞれ相互インダクタンスを介して誘導的に結合されていることを特徴とするマイクロ波光子検出器。
【請求項７】
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記超伝導量子ビットは超伝導電荷量子ビットであることを特徴とするマイクロ波光子検出器。
【請求項８】
請求項７において、前記超伝導磁束量子ビットは前記受光用の超伝導共振器及び前記読み出し用の超伝導共振器とそれぞれ容量を介して静電的に結合されていることを特徴とするマイクロ波光子検出器。
【請求項９】
入力光子に応答して、量子ビットを励起し、当該量子ビットの励起状態を読み出すことによって、マイクロ波光子を検出することを特徴とするマイクロ波光子検出方法。
【請求項１０】
請求項９において、前記量子ビットの励起状態は、読み出し用の超伝導共振器を用いて読み出すことを特徴とするマイクロ波光子検出方法。
【請求項１１】
請求項１０において、前記量子ビットは前記入力光子に応答して共振する受光用の超伝導共振器を介して、励起されることを特徴とするマイクロ波光子検出方法。
【請求項１２】
請求項１１において、前記受光用の超伝導共振器の共振周波数と前記読み出し用の超伝導共振器の共振周波数は互いに異なっていることを特徴とするマイクロ波光子検出方法。
【請求項１３】
請求項１２において、前記読み出し用の超伝導共振器を外部マイクロ波源により連続的に駆動しておき、前記入力光子の入射により前記量子ビットが励起されると、前記読み出し用超伝導共振器に不連続な変化を生じさせることにより、前記入力光子を検出することを特徴とするマイクロ波光子検出方法。
【請求項１４】
請求項９〜１３のいずれかにおいて、単一光子を検出できることを特徴とするマイクロ波検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子情報処理装置や低雑音高感度測定機器に用いられるマイクロ波光子検出器及びマイクロ波光子検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のマイクロ波技術の発展を受け、特に、マイクロ波を用いた通信技術、高周波回路技術、マイクロ波天文学、量子情報処理技術などの分野において、微小マイクロ波信号の計測技術の果たす役割はますます大きくなっている。
【０００３】
微小マイクロ波信号計測に関連した技術としては、低雑音増幅器による信号増幅、局部発振器から出力されるコヒーレントなマイクロ波とのミキシングによるホモダイン計測・ヘテロダイン計測、またパワーメータを用いたパワー計測などが主に用いられる。また、線形増幅器における量子雑音限界を乗り越えるために、非線形回路を用いたパラメトリック増幅器も実現されている。
【０００４】
一方、赤外以上の大きなエネルギーを持つ電磁波の計測においては光電子増倍管（フォトマル）、アバランシェフォトダイオードなど単一光子検出器が頻繁に用いられている。個々の光子の入力に反応するこのような検出器を用いて、光子数計測、異なるチャンネル間での光子数相関、光子数の時間的統計計測などが行われ、入力信号光の状態の評価に役立つとともに、量子暗号技術などの応用にも用いられている。
【０００５】
しかしながら、上記した大きなエネルギーを持つ電磁波を計測する光電子増倍管等を微小マイクロ波光子の計測に適用することは困難であるため、微小マイクロ波光子を計測するマイクロ波光子検出器は実現されていないのが実情である。
【０００６】
近年、量子情報処理技術の発展を受け、従来、コヒーレントマイクロ波を主に対象にしていたマイクロ波工学においても、非古典的状態すなわちスクイーズド状態や光子数状態などを対象にした応用も関心を持たれている。特に、超伝導量子回路において、非特許文献１〜３に示されているように、マイクロ波帯域の超伝導共振器や超伝導量子ビットを用いてそのような状態を発生する研究がなされている。
【０００７】
非特許文献１〜３に記載され状態を評価・応用するうえで光子数検出技術は重要な役割を果たすものと予測されるが、マイクロ波光子を正確に計測するマイクロ波光子検出回路及び検出方法は、前述したように、未だ提案されていない。
【０００８】
他方、量子コンピュータを構成する量子回路に関する技術として、特許文献１には、超伝導レゾネータ及びマイクロ波パルスを用いて、複数の超伝導粒子ビット素子を相互に結合させ、量子ビット素子の実装及び量子演算を容易にする量子回路が開示されている。
【０００９】
また、特許文献２には、量子ビット間の結合を電子ガスにより静電的に制御することによって結合力を大きくできる量子ビットの結合方法が記載されている。
【００１０】
【非特許文献１】Amplification and squeezing of quantum noise with a tunable Josephson metamaterial (arXiv:cond-mat/0806.0659, 4 Jun 2008)
【非特許文献２】Generating single microwave photons in a circuit (Nature (London)/Vol. 449/328, 17 Jul 2007)
【非特許文献３】Generation of Fock states in a superconducting quantum circuit (Nature (London)/Vol. 454/310, 17 Jul 2008)
【特許文献１】特開２００６−１６５８１２号公報
【特許文献２】特開２００７−２８７９３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の測定技術を微小マイクロ波光子に適用した場合、単一光子検出ができないという問題がある。そのため、光子数計測や光子数統計計測ができず、未知のマイクロ波信号を測定評価するうえで得られる情報に制限があった。
【００１２】
他方、特許文献１及び２は、量子ビット間の結合を制御することを開示しているだけで、光子、特に、微小マイクロ波光子の検出技術については全く示唆していない。
【００１３】
本発明は、上記した課題の少なくとも一部を改善しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一態様に係るマイクロ波光子検出器は、マイクロ波受光用の超伝導共振器および量子ビット読み出し用の超伝導共振器と結合された超伝導量子ビットを有する。
【００１５】
本発明の他の態様では、入力光子に応答して、量子ビットを励起し、当該量子ビットの励起状態を読み出すことによって、マイクロ波光子を検出することを特徴とするマイクロ波光子検出方法が得られる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、入力光子によって量子ビットを励起させ、この状態を読み出し用共振器で読み出すことにより、単一光子を検出できるマイクロ波非牛検出器及び検出方法が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の形態を説明する前に、本発明の原理を説明しておく。
【００１８】
本発明に係るマイクロ波光子検出器は、受光用共振器と読み出し用共振器とを備え、受光用共振器及び読み出し用共振器に結合された量子ビットとを備えた構成を備えている。この構成によれば、受光用共振器に共鳴的に入射したマイクロ波光子は量子ビットと共振器の結合モードを励起する。別の共振周波数を持つ量子ビット読み出し用共振器は、外部マイクロ波源により連続的に駆動され、その応答の振幅または位相が連続的に計測されている。信号光子の入射により量子ビットが励起されると、読み出し用共振器の応答に不連続な変化が生じ、単一光子検出が実現される。
【００１９】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１を参照すると、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ波光子検出器の回路図が示されている。被測定入力信号である微小マイクロ波光子は入力信号ポート１０１から超伝導ＬＣ回路で構成される共振角周波数ω１を持つ受光用共振器１０２に入力される。また、入射したマイクロ波光子のうち、受光用共振器１０２を透過した光子は５０Ω終端１０３により吸収される。
【００２１】
一方、受光用共振器１０２は３つのジョセフソン素子と、２つの自己インダクタンスＬ１及びＬ２によって構成された超伝導磁束量子ビット１０５と誘導的に結合されている。図示された例では、受光用共振器１０２の超伝導インダクタンスＬと超伝導磁束量子ビット１０５のインダクタンスＬ１によって定まる相互インダクタンスを含む受光用誘導結合１０４を形成している。
【００２２】
受光用誘導結合１０４における結合エネルギーｇは共振器の減衰速度κや量子ビットのエネルギー緩和速度γと比較してずっと大きく、いわゆる強結合極限にある。
【００２３】
更に、図示されたマイクロ波光子検出器は、読み出し用共振器１０６を備え、当該読み出し用共振器１０６は超伝導磁束量子ビット１０５と誘導的に結合されている。図示された読み出し用共振器は、読み出し用非線形共振器１０６によって構成され、当該読み出し用非線形共振器１０６は単一のジョセフソン接合１０７、インダクタンスＬ３、及びキャパシタンスによって構成されている。尚、図示された受光用共振器１０２及び読み出し用非線形共振器１０６はいずれも超伝導共振器である。
【００２４】
このように、読み出し用非線形共振器１０６はジョセフソン接合１０７を非線形回路要素として加えた共振器であり、受光用共振器１０２の共振角周波数ω１と大きく離れた共振角周波数ω２を持っている。
【００２５】
また、読み出し用非線形共振器１０６の自己インダクタンスＬ３と超伝導磁束量子ビット１０５の自己インダクタンスＬ２とによって定まる相互インダクタンスを含む読み出し用誘導結合１０８により、超伝導磁束量子ビット１０５と読み出し用非線形共振器１０６は、結合されている。
【００２６】
この状態で、読み出し用非線形共振器１０６は読み出し用マイクロ波源１０９で連続的に駆動されている。読み出し用非線形共振器１０６の応答は読み出し用ポート１１０から検出される。
【００２７】
図示されたマイクロ波光子検出器の有効帯域は、受光用共振器１０２の減衰速度κで決まる。入力するマイクロ波の帯域はκ程度、すなわち、個々の光子の時間的広がりは１／κ程度であることが必要である。入力光の中心周波数は、受光用共振器１０２内で共振器と超伝導磁束量子ビット１０５の結合系によって形成される励起量子準位のうち最も低いエネルギー（ω１−ｇ）に設定する。
【００２８】
この状態で、光子が受光用共振器１０２内に到着すると、上記した励起量子準位のうち最も低い準位が励起される。一方、読み出し用非線形共振器１０６は、動的双安定状態が生じるような高いパワーで駆動されていて、超伝導磁束量子ビット１０５が励起されたときにのみ、閾値の変化により双安定状態間のスイッチングが起こり、この不連続な応答が読み出し用ポート１１０から検出される。
【００２９】
この信号が検出された場合には、読み出し用マイクロ波源１０９のパワーを一旦上げ下げして、動的安定状態のリセットを行う。
【００３０】
図２を参照すると、図１に示された読み出し用非線形共振器１０６の特性が示されており、ここでは、角周波数と振幅とが非線形特性を示している。具体的に説明すると、共振角周波数がω１のときには、振幅はｐ１からｐ２に変化し、共振各周波数がω1からω２に低下すると、振幅ｐ３に止まることなくｐ４まで低下する。
【００３１】
超伝導磁束量子ビット１０５が入力光子に入射によって励起されると、超伝導磁束量子ビット１０５に誘導的に結合された非線形共振器１０６は、図３に示すようなヒステリシス特性によって特徴付けられる双安定状態を示す。
【００３２】
より具体的に説明すると、図３に示すように、単一光子Ｐが入射し量子ビット１０５が励起され、この結果、曲線ｃ１に従って非線形共振器１０６の出力振幅は増加して点ｄ１に達すると、非線形共振器１０６の振幅は振幅ａ１まで急激に増加する。入力光子が入射されなくなると、非線形共振器１０６の振幅は曲線ｃ２にしたがって低下し、点ｄ２に達すると振幅ａ２まで低下して、この状態で安定する。
【００３３】
このような特性を備えた共振器１０６を用いることにより、単一光子を個々に計測することができる。
【実施例】
【００３４】
受光用共振器１０２の共振角周波数ω１に対応した共振周波数ｆ１は２−８ＧＨｚとする。超伝導磁束量子ビット１０５は周回電流が１００−５００ｎＡ、外部磁束として量子化磁束の半分の磁束を印加し、０状態と１状態のエネルギー差が受光用共振器１０２と近いものを用いる。磁束量子ビット１０５と受光用共振器１０２はインダクタンスＬ、Ｌ１を介して誘導的に結合され、ｇ＝１００ＭＨｚ程度にする。受光用共振器１０２の減衰速度κは１ＭＨｚ程度、超伝導磁束量子ビット１０５のエネルギー緩和速度も１ＭＨｚにする。
【００３５】
他方、読み出し用非線形共振器１０６は共振角周波数ω２が１０ＧＨｚ程度、Ｑ値は１０００程度に設計される。量子ビットとの結合エネルギーは１０ＭＨｚ程度にする。ジョセフソン接合の臨界電流は１−３μＡ程度で、読み出し用非線形共振器１０６内の光子数が１００−１０００程度になると双安定状態が実現できる。
【００３６】
双安定状態間のスイッチングが起こる閾値は、超伝導磁束量子ビット１０５の状態に依存する。動作温度はマイクロ波の周波数スケールよりも低い必要があるので１０ｍＫ程度とする。
【００３７】
尚、超伝導磁束量子ビット１０５は３つのジョセフソン接合を用いたものに限定されず、単一或いは２つのジョセフソン接合を用いたものでも良い。
【００３８】
［発明の他の実施の形態］
受光用共振器１０２を構成する超伝導共振器としては、集中定数型の構成要素からなるもののかわりに、マイクロストリップライン、コプレーナ伝送線路などの分布定数型のものを用いることもできる。また、共振器は２つのポートを持つ透過型でも１つしかポートのない反射型でもよい。１ポートの場合は、読み出し用共振器１０６の反射出力はサーキュレータなどを用いてその入力と分離する必要がある。また、超伝導量子ビット１０５としては、磁束量子ビット以外にも電荷量子ビットを用いることができる。電荷量子ビットの場合には、量子ビットと共振器との結合は静電的なものを用いる。読み出し用共振器１０６についても同様である。
【００３９】
上記した実施形態に係るマイクロ波光子検出回路は、超伝導量子ビットをマイクロ波受光用の超伝導共振器および量子ビット読み出し用の超伝導共振器と結合することで、マイクロ波単一光子を観測できると言う効果を有している。
【００４０】
上記した実施形態では、読み出し用共振器として非線形共振器を用いた例について説明したが、線形共振器を用いても同様に単一光子を検出できる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の活用例として、マイクロ波通信技術、高周波回路技術、マイクロ波天文学、量子情報処理技術などに使用される信号検出回路が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明のマイクロ波光子検出器の実施の形態を示す回路図である。
【図２】図１に示されたマイクロ波光子検出器に用いられる読み出し用非線形共振器の特性を示す図である。
【図３】図２に示された読み出し用非線形共振器の入力出力特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０１  信号入力ポート
１０２  受光用共振器
１０３  ５０Ω終端
１０４  受光用誘導結合
１０５  超伝導磁束量子ビット
１０６  読み出し用非線形共振器
１０７  ジョセフソン接合
１０８  読み出し用誘導結合
１０９  読み出し用マイクロ波源
１１０  読み出し用出力ポート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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