(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジョセフソン接合を少なくとも１つ含む超伝導ループ回路と、
電子スピン集団を含む被測定試料と前記超伝導ループ回路とにマイクロ波を印加するマイクロ波印加手段と、
前記電子スピン集団を含む被測定試料と前記超伝導ループ回路とに対して、前記超伝導ループ回路の面内方向に沿って磁場を印加する磁場印加手段と、
前記超伝導ループ回路を貫く磁束の変化に基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定する共鳴周波数同定手段とを備えることを特徴とする磁気共鳴装置。
【請求項２】
請求項１記載の磁気共鳴装置において、
前記超伝導ループ回路は、超伝導量子干渉計を構成し、
さらに、前記超伝導量子干渉計の臨界電流を計測する計測手段と、
前記超伝導量子干渉計の臨界電流の値から前記超伝導量子干渉計を貫く磁束の値を求める磁束同定手段とを備え、
前記共鳴周波数同定手段は、前記超伝導量子干渉計を貫く磁束の値に基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定することを特徴とする磁気共鳴装置。
【請求項３】
ジョセフソン接合を少なくとも１つ含む超伝導ループ回路と、
電子スピン集団を含む被測定試料と前記超伝導ループ回路とにマイクロ波を印加するマイクロ波印加手段と、
前記電子スピン集団を含む被測定試料と前記超伝導ループ回路とに対して、前記超伝導ループ回路の面内方向に沿って磁場を印加する磁場印加手段と、
電子スピンの共鳴周波数を同定する共鳴周波数同定手段とを備え、
前記ジョセフソン接合を少なくとも１つ含む超伝導ループ回路は、超伝導磁束量子ビットを構成し、
前記共鳴周波数同定手段は、前記超伝導磁束量子ビットの状態の変化に基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定することを特徴とする磁気共鳴装置。
【請求項４】
請求項３記載の磁気共鳴装置において、
さらに、前記超伝導磁束量子ビットの量子状態を検出する状態検出手段を備え、
前記共鳴周波数同定手段は、前記マイクロ波で電子スピンを励起していない場合の前記状態検出手段の検出結果から電子スピンが基底状態の場合の前記超伝導磁束量子ビットの共鳴周波数を求めると共に、前記マイクロ波で電子スピンを励起している場合の前記状態検出手段の検出結果から電子スピンが励起状態の場合の前記超伝導磁束量子ビットの共鳴周波数を求め、電子スピンが基底状態の場合と励起状態の場合の前記超伝導磁束量子ビットの共鳴周波数のずれに基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定することを特徴とする磁気共鳴装置。
【請求項５】
ジョセフソン接合を少なくとも１つ含む超伝導ループ回路と、
電子スピン集団を含む被測定試料と前記超伝導ループ回路とにマイクロ波を印加するマイクロ波印加手段と、
前記電子スピン集団を含む被測定試料と前記超伝導ループ回路とに対して、前記超伝導ループ回路の面内方向に沿って磁場を印加する磁場印加手段と、
電子スピンの共鳴周波数を同定する共鳴周波数同定手段とを備え、
前記ジョセフソン接合を少なくとも１つ含む超伝導ループ回路は、超伝導磁束量子ビットを構成し、
前記共鳴周波数同定手段は、前記超伝導磁束量子ビットのラムゼ測定の結果に基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定することを特徴とする磁気共鳴装置。
【請求項６】
請求項５記載の磁気共鳴装置において、
さらに、前記超伝導磁束量子ビットの量子状態を検出する状態検出手段を備え、
前記共鳴周波数同定手段は、前記マイクロ波で前記超伝導磁束量子ビットを第１の軸方向に回転させ所定の時間待機した後に前記マイクロ波で前記超伝導磁束量子ビットを前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向に回転させたときの前記状態検出手段の測定結果から、電子スピンが基底状態の場合と励起状態の場合の前記超伝導磁束量子ビットの共鳴周波数のずれを求め、この超伝導磁束量子ビットの共鳴周波数のずれに基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定することを特徴とする磁気共鳴装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気共鳴装置において、
前記電子スピン集団を含む被測定試料を、前記超伝導ループ回路の一部のみ覆うように配置することを特徴とする磁気共鳴装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子スピンの共鳴周波数を測定するための磁気共鳴装置の構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気共鳴は、物質の性質を調べるために広く用いられている手法である。具体的には以下の（Ａ）−（Ｄ）のステップを実行する手法である。
（Ａ）電子スピン集団もしくは核スピン集団を含む試料に、磁場を印加することで、スピンにゼーマン分裂を起こす。
（Ｂ）ある周波数ωのマイクロ波を印加する。
（Ｃ）スピン集団の偏極率の変化を計測する。
（Ｄ）印加するマイクロ波の周波数ωまたは印加する磁場の強度を変えて、（Ａ）−（Ｃ）を繰り返す。
【０００３】
以上のような手法を用いると、印加するマイクロ波の周波数ωがスピンのエネルギーに共鳴するときに、基底状態にあったスピンが励起して偏極率が変化し、その変化を検知することができる。そのため、このような分光測定の結果から、スピンの共鳴周波数が分かる。磁気共鳴には、電子スピンを用いる電子スピン共鳴や、核スピンを用いる核磁気共鳴などがある。
【０００４】
また、感度向上のために、超伝導量子干渉計を用いる磁気共鳴も行われている（非特許文献１参照）。この超伝導量子干渉計を用いた電子スピン共鳴装置では、図１８に示すように超伝導量子干渉計１０１は電子スピンを含む試料が置かれたチップ１００の外に設置されている。超伝導量子干渉計１０１は、チップ１００の周りに設置されたコイル１０２を通じて電子スピンと磁気的に結合している。その結果、電子スピンの偏極率の変化を、コイル１０２を通して超伝導量子干渉計１０１で計測することができる。この非特許文献１に開示された手法では、１０13程度の数の電子スピンを検知できることが知られている。
【０００５】
またさらに感度を向上させるため、電子スピン集団を含む基板をマイクロ波共振器が作成されているチップに直接貼り付け、かつサンプルを数十ｍＫから数百ｍＫ程度の低温にした上で、電子スピン共鳴が行われている（非特許文献２、非特許文献３参照）。この非特許文献２、非特許文献３に開示された手法では、１０12程度の数の電子スピンが検知できることが知られている。
【０００６】
さらに近年になり、超伝導量子ビットを用いることで、より高感度に磁気共鳴を行う手法が確立された（非特許文献４参照）。具体的には、周波数可変のマイクロ波キャビティ、超伝導トランズモン量子ビット、電子スピンを含む基板（非特許文献１の例においてはＮＶ中心を含むダイヤモンド基板）から構成される装置で、以下のような（Ａ）−（Ｆ）ステップを行う。
【０００７】
（Ａ）周波数可変のマイクロ波キャビティ、超伝導トランズモン量子ビット、電子スピン集団から構成される系を、数十ｍＫ程度に冷やすことにより、全系を基底状態に偏極させる。
（Ｂ）電子スピン集団に周波数ωでマイクロ波を印加する。
（Ｃ）周波数可変マイクロ波キャビティのエネルギーをωに共鳴させ、電子スピン集団の状態をマイクロ波キャビティに転写する。
【０００８】
（Ｄ）周波数可変のマイクロ波キャビティの共鳴周波数を超伝導トランズモン量子ビットのエネルギーに共鳴させ、マイクロ波キャビティの状態を超伝導トランズモン量子ビットに転写する。
（Ｅ）超伝導トランズモン量子ビットの量子状態を、ジョセフソン分岐増幅を用いて読み出す。
（Ｆ）印加するマイクロ波の周波数ωを変えて、（Ａ）−（Ｅ）を繰り返す。
【０００９】
この（Ａ）−（Ｆ）の手順を踏むと、マイクロ波周波数ωが電子スピンと共鳴するときのみ、超伝導トランズモン量子ビットの状態が励起する。そのため、電子スピンの共鳴周波数を同定できる。
【００１０】
しかし、この特許文献４に開示された方法では、マイクロ波キャビティと電子スピンのパラメーターが「強結合」と呼ばれる条件を満たしていないと、電子スピン共鳴を行うことができない。具体的には、マイクロ波キャビティの減衰率をκ、電子スピン集団の不均一幅をΓ、マイクロ波キャビティと１電子スピンの結合定数をｇ、電子スピンの数をＮとすると、式（１）、式（２）の２つの条件を満たす必要があった。
Ｎ1/2ｇ＞κ                                                     ・・・（１）
Ｎ1/2ｇ＞Γ                                                     ・・・（２）
κとΓは数ＭＨｚ程度、ｇは１０Ｈｚ程度なので、特許文献４に開示された方法で検知できる電子スピンの数は１０11程度であった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】T.Sakurai et al.，“High-field ESR using SQUID magnetometer”，2011 J. Phys.：Conf. Ser. 334 012058，＜http://iopscience.iop.org/1742-6596/334/1/012058/pdf/1742-6596_334_1_012058.pdf＞
【非特許文献２】P.Bushev et al.，“Ultralow-power spectroscopy of a rare-earth spin ensemble using a superconducting resonator”，PHYSICAL REVIEW，B 84，060501，2011
【非特許文献３】Y.Kubo et al.，“Strong Coupling of a Spin Ensemble to a Superconducting Resonator”，PHYSICAL REVIEW LETTERS，105，140502，2010
【非特許文献４】Y.Kubo et al.，“Electron spin resonance detected by a superconducting qubit”，PHYSICAL REVIEW，B 86，064514，2012
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上のように磁気共鳴について様々な手法が提案されているものの、高精度の磁気共鳴を行うにはさらに少数のスピンを検知できることが望ましく、その点での改善が望まれていた。
【００１３】
本発明の目的は、超伝導磁束量子回路を用いることで、従来よりも少ない数のスピン集団に対して、磁気共鳴を行える磁気共鳴装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の磁気共鳴装置は、ジョセフソン接合を少なくとも１つ含む超伝導ループ回路と、電子スピン集団を含む被測定試料と前記超伝導ループ回路とにマイクロ波を印加するマイクロ波印加手段と、前記電子スピン集団を含む被測定試料と前記超伝導ループ回路とに対して、前記超伝導ループ回路の面内方向に沿って磁場を印加する磁場印加手段と、前記超伝導ループ回路を貫く磁束の変化に基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定する共鳴周波数同定手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の磁気共鳴装置の１構成例において、前記超伝導ループ回路は、超伝導量子干渉計を構成し、さらに、前記超伝導量子干渉計の臨界電流を計測する計測手段と、前記超伝導量子干渉計の臨界電流の値から前記超伝導量子干渉計を貫く磁束の値を求める磁束同定手段とを備え、前記共鳴周波数同定手段は、前記超伝導量子干渉計を貫く磁束の値に基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定することを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の磁気共鳴装置は、ジョセフソン接合を少なくとも１つ含む超伝導ループ回路と、電子スピン集団を含む被測定試料と前記超伝導ループ回路とにマイクロ波を印加するマイクロ波印加手段と、前記電子スピン集団を含む被測定試料と前記超伝導ループ回路とに対して、前記超伝導ループ回路の面内方向に沿って磁場を印加する磁場印加手段と、電子スピンの共鳴周波数を同定する共鳴周波数同定手段とを備え、前記ジョセフソン接合を少なくとも１つ含む超伝導ループ回路は、超伝導磁束量子ビットを構成し、前記共鳴周波数同定手段は、前記超伝導磁束量子ビットの状態の変化に基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定することを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の磁気共鳴装置の１構成例は、さらに、前記超伝導磁束量子ビットの量子状態を検出する状態検出手段を備え、前記共鳴周波数同定手段は、前記マイクロ波で電子スピンを励起していない場合の前記状態検出手段の検出結果から電子スピンが基底状態の場合の前記超伝導磁束量子ビットの共鳴周波数を求めると共に、前記マイクロ波で電子スピンを励起している場合の前記状態検出手段の検出結果から電子スピンが励起状態の場合の前記超伝導磁束量子ビットの共鳴周波数を求め、電子スピンが基底状態の場合と励起状態の場合の前記超伝導磁束量子ビットの共鳴周波数のずれに基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定することを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の磁気共鳴装置は、ジョセフソン接合を少なくとも１つ含む超伝導ループ回路と、電子スピン集団を含む被測定試料と前記超伝導ループ回路とにマイクロ波を印加するマイクロ波印加手段と、前記電子スピン集団を含む被測定試料と前記超伝導ループ回路とに対して、前記超伝導ループ回路の面内方向に沿って磁場を印加する磁場印加手段と、前記超伝導ループ回路に磁場を印加する磁場印加手段と、電子スピンの共鳴周波数を同定する共鳴周波数同定手段とを備え、前記ジョセフソン接合を少なくとも１つ含む超伝導ループ回路は、超伝導磁束量子ビットを構成し、前記共鳴周波数同定手段は、前記超伝導磁束量子ビットのラムゼ測定の結果に基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定することを特徴とするものである。
【００１９】
また、本発明の磁気共鳴装置の１構成例は、さらに、前記超伝導磁束量子ビットの量子状態を検出する状態検出手段を備え、前記共鳴周波数同定手段は、前記マイクロ波で前記超伝導磁束量子ビットを第１の軸方向に回転させ所定の時間待機した後に前記マイクロ波で前記超伝導磁束量子ビットを前記第１の軸方向と直交する第２の軸方向に回転させたときの前記状態検出手段の測定結果から、電子スピンが基底状態の場合と励起状態の場合の前記超伝導磁束量子ビットの共鳴周波数のずれを求め、この超伝導磁束量子ビットの共鳴周波数のずれに基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定することを特徴とするものである。
また、本発明の磁気共鳴装置の１構成例は、前記電子スピン集団を含む被測定試料を、前記超伝導ループ回路の一部のみ覆うように配置することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、電子スピン集団を含む被測定試料と、ジョセフソン接合を少なくとも１つ含む超伝導ループ回路と、被測定試料と超伝導ループ回路とにマイクロ波を印加するマイクロ波印加手段と、超伝導ループ回路に磁場を印加する磁場印加手段と、共鳴周波数同定手段とを設け、超伝導ループ回路を貫く磁束の変化に基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定することにより、従来よりも少ない数の電子スピン集団に対して、磁気共鳴を行うことができる。
【００２１】
また、本発明では、電子スピン集団を含む被測定試料と、超伝導磁束量子ビットと、マイクロ波印加手段と、磁場印加手段と、共鳴周波数同定手段とを設け、超伝導磁束量子ビットの状態の変化に基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定することにより、従来よりも少ない数の電子スピン集団に対して、磁気共鳴を行うことができる。
【００２２】
また、本発明では、電子スピン集団を含む被測定試料と、超伝導磁束量子ビットと、マイクロ波印加手段と、磁場印加手段と、共鳴周波数同定手段とを設け、超伝導磁束量子ビットのラムゼ測定の結果に基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定することにより、従来よりも少ない数の電子スピン集団に対して、磁気共鳴を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の磁気共鳴装置の概略を説明するための模式図である。
【図２】スピン集団を含む基板が超伝導ループ回路を全て覆う場合のスピンの偏極方向を示す図である。
【図３】本発明の磁気共鳴装置の動作を説明するフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る磁気共鳴装置の構成を示す模式図である。
【図５】超伝導量子干渉計における臨界電流と印加磁束の関係との関係を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る磁気共鳴装置の動作を説明するフローチャートである。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る磁気共鳴装置の測定結果の１例を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る磁気共鳴装置の構成を示す模式図である。
【図９】超伝導磁束量子ビットの分光測定結果の１例を示す図である。
【図１０】電子スピン集団が励起状態もしくは基底状態にあるときの超伝導磁束量子ビット２０の分光測定結果の１例を示す図である。
【図１１】超伝導磁束量子ビットの共鳴周波数と印加磁束との関係を示す図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る磁気共鳴装置の動作を説明するフローチャートである。
【図１３】本発明の第２の実施の形態に係る磁気共鳴装置の測定結果の１例を示す図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る磁気共鳴装置の構成を示す模式図である。
【図１５】超伝導磁束量子ビットでラムゼ測定を行ったときの、超伝導磁束量子ビットの相対位相と超伝導磁束量子ビットが励起状態で読み出される確率との関係を示す図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態に係る磁気共鳴装置の動作を説明するフローチャートである。
【図１７】本発明の第３の実施の形態に係る磁気共鳴装置の測定結果の１例を示す図である。
【図１８】超伝導量子干渉計を用いた従来の電子スピン共鳴装置の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
［本発明の特徴と従来の技術との差異］
本発明は、従来の提案よりも少ない電子スピンの数で磁気共鳴を行うことができる。必要とされる素子は、超伝導磁束量子ビットや超伝導量子干渉計といった「ジョセフソン接合を持つ超伝導ループ回路」である。この素子により、電子スピン集団を含んだ試料を測定する。
【００２５】
図１は本発明の磁気共鳴装置の概略を説明するための模式図である。本発明の磁気共鳴装置は、超伝導ループ回路１と、電子スピン集団を含む基板３と、基板３にマイクロ波を印加するためのマイクロ波ライン４と、超伝導ループ回路１に磁場を印加する磁場印加手段（不図示）と、超伝導ループ回路１と基板３とを極低温に冷却する希釈冷凍機（不図示）とを備えている。
【００２６】
本発明で用いるスピン集団とは、例えば、ダイヤモンド結晶中に含まれる窒素不純物（Ｐ１センター）、リンをドープしたシリコン、Ｅｒ等希土類元素をドープしたＹＳＯ結晶、窒素を内部に閉じ込めたフラーレン等に含まれる電子スピンである。
【００２７】
本発明では、ジョセフソン接合２を含む超伝導ループ回路１の一部を、電子スピン集団を含む基板３で覆っている。ここでの「覆う」とは、超伝導ループ回路１の開口面（図１の紙面に平行な面）と基板３のなす面とが平行になるように、超伝導ループ回路１と基板３とを近接配置することを意味している。
【００２８】
このような超伝導ループ回路１と基板３に対して、図示しない磁石や磁性体材料からなる磁場印加手段から磁場を印加する。磁場は、超伝導ループ回路１の面内方向に沿って印加する。また、電子スピンを励起するためのマイクロ波ライン４を超伝導ループ回路１の近傍に配置する。マイクロ波ライン４から共鳴マイクロ波を印加することにより、電子スピンの状態が基底状態から励起状態に遷移すると、超伝導ループ回路１を貫く磁束に変化が起こる。
【００２９】
電子スピン集団の励起を、ジョセフソン接合２を持つ超伝導ループ回路１を貫く磁束の変化を通して検知する。例えば、超伝導量子干渉計を使う場合であれば、超伝導量子干渉計を構成している超伝導ループ回路１を貫く磁束の変化は、超伝導量子干渉計の臨界電流の変化により読み取ることができる。また、超伝導磁束量子ビットを用いる場合では、超伝導磁束量子ビットを構成している超伝導ループ回路１を貫く磁束の変化は、超伝導磁束量子ビットの共鳴周波数の変化を通じて読み出せる。
【００３０】
本発明の特徴の１つは、上記のとおり、電子スピン集団を含む被測定試料である基板３が、ジョセフソン接合２を持つ超伝導ループ回路１の一部を覆うように、配置することである。電子スピンを偏極させるためには、数十ｍｋ程度の低温において数十ｍＴ程度の磁場を印加する必要がある。しかし、超伝導ループ回路１は面内方向と垂直な方向に印加される磁場により動作点がずれるため、磁場を超伝導ループ回路１の面内方向に沿って印加する必要がある。
【００３１】
磁場を超伝導ループ回路１の面内方向に沿って印加すると、電子スピンは超伝導ループ回路１の面内方向に偏極する。この場合、電子スピン集団を含む基板３が超伝導ループ回路１を全て覆っていると、電子スピンが基底状態から励起状態に遷移したとしても、スピンのｇ因子に異方性が無い限り、信号が打ち消しあうため、超伝導ループ回路１を貫く磁束は変化しない。図２（Ａ）はスピンが全て基底状態の場合のスピンの偏極方向を示し、図２（Ｂ）はスピンが全て励起状態の場合のスピンの偏極方向を示している。このように、電子スピン集団を含む基板３が超伝導ループ回路１を全て覆う配置では磁気共鳴を行うことは難しい。
【００３２】
しかし、図１に示したとおり、電子スピン集団を含む基板３が超伝導ループ回路１の一部を覆うように配置すると、電子スピンが基底状態の場合と励起状態の場合の対称性がくずれるため信号の打消しが完全には起こらず、電子スピンの状態変化を、超伝導ループ回路１を貫く磁束の変化により検知できるようになる。
【００３３】
このような試料の配置は例えば、集束イオンビーム（focused ion beam）を用いて切り出した基板３を、ナノマニピュレーターで動かすことで実行可能である（参考文献１「P.Maletinsky et al.，“A robust scanning diamond sensor for nanoscale imaging with single nitrogen-vacancy centres”，Nature Nanotechnology，Vol.7，p.320-324，2012」参照）。
【００３４】
本発明では、図１に示したような磁気共鳴装置を用いて、図３のフローチャートで示すようなステップで磁気共鳴を実行する。
まず、磁気共鳴装置を冷凍機内に設置し、超伝導の転移点以下になるように低温に保つ（図３ステップＳ１００）。このとき、磁場印加手段から磁場を印加する方向は、ジョセフソン接合２を持つ超伝導ループ回路１に対して面内を向くように調整する（図３ステップＳ１０１）。
【００３５】
熱平衡状態になるまで待ち、電子スピンを偏極させる（図３ステップＳ１０２）。電子スピン集団に周波数ωのマイクロ波を印加し（図３ステップＳ１０３）、ジョセフソン接合２を持つ超伝導ループ回路１を用いて、超伝導ループ回路１を貫く磁束の変化を読み取る（図３ステップＳ１０４）。
【００３６】
予定している周波数ωの範囲における測定が終了するまで（図３ステップＳ１０５においてＹＥＳ）、印加するマイクロ波の周波数ωを変えながら（図３ステップＳ１０６）、ステップＳ１００〜Ｓ１０４の処理を繰り返す。
【００３７】
以上のようなステップを実行することで、印加マイクロ波の周波数ωが電子スピンのエネルギーに共鳴したときに、電子スピンが基底状態から励起状態に遷移するため、超伝導ループ回路１を貫く磁束に変化が起こる。そのため、電子スピンの共鳴エネルギーを見積もることができる。以下の実施の形態で詳細を説明するが、超伝導ループ回路１は磁束の変化に対して敏感であるため、従来技術よりも少数の電子スピンに対して、スピン共鳴を実行できるようになる。
【００３８】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態では、ダイヤモンド基板中に含まれるＰ１センターと呼ばれる窒素不純物による電子スピンをマイクロ波で励起し、超伝導量子干渉計を通して電子スピンの状態遷移を検知する場合を説明する。このような電子スピンの状態遷移の検知については、参考文献２「X.Zhu et al.，“Coherent coupling of a superconducting flux qubit to an electron spin ensemble in diamond”，Nature，Vol.478，p.221-224，2011」に記載されている。
【００３９】
図４は本実施の形態の磁気共鳴装置の構成を示す模式図である。本実施の形態の磁気共鳴装置は、超伝導量子干渉計１０と、電子スピン集団を含む被測定試料であるダイヤモンド単結晶基板１１と、ダイヤモンド単結晶基板１１にマイクロ波を印加するためのマイクロ波ライン１２と、超伝導量子干渉計１０に磁場を印加する磁場印加手段（不図示）と、超伝導量子干渉計１０とダイヤモンド単結晶基板１１とを極低温に冷却する希釈冷凍機（不図示）と、超伝導量子干渉計１０の臨界電流を計測する計測手段１６と、超伝導量子干渉計１０の臨界電流の値から超伝導量子干渉計１０を貫く磁束の値を求める磁束同定手段１７と、超伝導量子干渉計１０を貫く磁束の値に基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定する共鳴周波数同定手段１８とを備えている。
【００４０】
超伝導量子干渉計１０は、ジョセフソン接合１４を２つ含む超伝導ループ回路１３と、超伝導量子干渉計１０を制御するための制御線１５とから構成される。超伝導ループ回路１３としては大きさが縦５μｍ×横２０μｍ程度のものを使う。超伝導量子干渉計１０は、固有の臨界電流を持ち、臨界電流を超える電流を超伝導量子干渉計１０に印加すると電圧が発生する。そのため、計測手段１６によって電圧を計測しながら、様々な値を持つ電流を計測手段１６からパルス状に印加することで、超伝導量子干渉計１０の臨界電流の計測が可能になる。
【００４１】
また、超伝導量子干渉計１０の超伝導ループ回路１３を貫く磁束によって、この臨界電流の値が変わることが知られている。図５は超伝導量子干渉計における臨界電流と印加磁束の関係との関係を示す図である。図５の横軸は磁束（単位は磁束量子φ0）、縦軸は臨界電流ＩC（単位はｎＡ）である。
【００４２】
以上のような超伝導量子干渉計１０の超伝導ループ回路１３の上に、濃度が１ｃｍ3あたり１０19個程度のＰ１センターを含有したダイヤモンド単結晶基板１１を固定する。このとき、ダイヤモンド単結晶基板１１の表面と超伝導量子干渉計１０（超伝導ループ回路１３）との距離が、数ｎｍから０．５μｍ以下の範囲になるように調整を行う。ダイヤモンド単結晶基板１１としては、基板の大きさが縦６μｍ×横２μｍ×厚さ２μｍ程度の大きさのものを用いる。
【００４３】
このダイヤモンド単結晶基板１１を、超伝導量子干渉計１０（超伝導ループ回路１３）の一部のみを覆うように配置する。このようなダイヤモンド単結晶基板１１の配置は例えば、集束イオンビームを用いて切り出した基板１１を、ナノマニピュレーターで動かすことで実行可能である（参考文献１）。
【００４４】
また、超伝導量子干渉計１０から１μｍ程度離れた箇所に、電子スピンを励起するためのマイクロ波ライン１２を設置しておく。磁場は、超伝導量子干渉計１０の面内方向に沿って数十ｍＴ程度印加する。
【００４５】
本実施の形態では、１０7程度の数の電子スピンがマイクロ波により励起される。電子スピンが全て基底状態の場合と、マイクロ波により電子スピンの半数程度が励起された場合では、超伝導量子干渉計１０を貫く磁束は数十ｍφ0程度異なる（φ0は磁束量子）。そのため、電子スピンが励起されると超伝導量子干渉計１０の臨界電流の値が変わる。
【００４６】
そこで、超伝導ループ回路１３に発生する電圧を制御線１５を通じて計測手段１６で計測しながら、計測手段１６から制御線１５を通じて超伝導ループ回路１３に電流をパルス状に印加することで、超伝導量子干渉計１０の臨界電流を計測する。図５の関係により臨界電流から、超伝導量子干渉計１０の超伝導ループ回路１３を貫く磁束を求めることができ、電子スピンの状態遷移が検知できる。
【００４７】
本実施の形態では、図４に示したような磁気共鳴装置を用いて、図６のフローチャートで示すようなステップでＰ１センターに対する電子スピン共鳴を実行する。
まず、超伝導量子干渉計１０とダイヤモンド単結晶基板１１とマイクロ波ライン１２とから構成される磁気共鳴装置を希釈冷凍機内に設置し、２０ｍＫ以下（数十ｍＫ程度）の低温に保つ（図６ステップＳ２００）。
【００４８】
磁場印加手段は、超伝導量子干渉計１０に磁場を数十ｍＴ程度印加する（図６ステップＳ２０１）。このとき磁場を印加する方向は、超伝導量子干渉計１０の超伝導ループ回路１３に対して面内を向くように調整する。
エネルギー緩和を利用して、電子スピン（Ｐ１センター）を基底状態に偏極させる（図６ステップＳ２０２）。
【００４９】
続いて、ダイヤモンド単結晶基板１１にマイクロ波ライン１２から周波数ωのマイクロ波を印加する（図６ステップＳ２０３）。
計測手段１６は、超伝導量子干渉計１０の臨界電流を計測する（図６ステップＳ２０４）。
【００５０】
磁束同定手段１７は、超伝導量子干渉計１０の臨界電流の値から、超伝導量子干渉計１０を貫く磁束の値を求める（図６ステップＳ２０５）。
予定している周波数ωの範囲における測定が終了するまで（図６ステップＳ２０６においてＹＥＳ）、印加するマイクロ波の周波数ωを変えながら（図６ステップＳ２０７）、ステップＳ２００〜Ｓ２０５の処理を繰り返す。
【００５１】
以上により、共鳴周波数同定手段１８は、超伝導量子干渉計１０を貫く磁束が最大となるときのマイクロ波の周波数ωを、電子スピンの共鳴周波数として求めることができ、１０7程度の数の電子スピンを検知できる。
【００５２】
図７は本実施の形態の磁気共鳴装置の測定結果の１例を示す図である。図７の横軸はマイクロ波の周波数ω（単位はＭＨｚ）、縦軸は超伝導量子干渉計１０を貫く磁束の値（単位は磁束量子φ0）である。マイクロ波の周波数ωが電子スピンのエネルギーと一致した際に、超伝導量子干渉計１０を貫く磁束が最大になる。これにより、図７から明らかなように、電子スピンの共鳴周波数を特定することができる。図７の例では、電子スピンの共鳴周波数は約４００ＭＨｚとなる。
【００５３】
本実施の形態の磁束同定手段１７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。
【００５４】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態では、ダイヤモンド基板中に含まれるＰ１センターと呼ばれる窒素不純物による電子スピンをマイクロ波で励起し、超伝導磁束量子ビットの分光測定を通して電子スピンの状態遷移を検知する場合を説明する。このような電子スピンの状態遷移の検知については、参考文献２に記載されている。
【００５５】
図８は本実施の形態の磁気共鳴装置の構成を示す模式図である。本実施の形態の磁気共鳴装置は、超伝導磁束量子ビット２０と、電子スピン集団を含む被測定試料であるダイヤモンド単結晶基板２１と、ダイヤモンド単結晶基板２１にマイクロ波を印加するためのマイクロ波ライン２２と、超伝導磁束量子ビット２０に磁場を印加する磁場印加手段（不図示）と、超伝導磁束量子ビット２０とダイヤモンド単結晶基板２１とを極低温に冷却する希釈冷凍機（不図示）と、超伝導磁束量子ビット２０の量子状態を検出する状態検出手段２５と、超伝導磁束量子ビット２０の状態の変化に基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定する共鳴周波数同定手段２６とを備えている。
【００５６】
超伝導磁束量子ビット２０は、ジョセフソン接合２４を３つ含む超伝導ループ回路２３により構成される。超伝導ループ回路２３としては大きさが縦５μｍ×横２０μｍ程度のものを使う。超伝導磁束量子ビット２０は、マイクロ波の照射により量子状態を任意の方向に回転させることが可能である。
【００５７】
さらに、超伝導量子干渉計もしくはジョセフソン分岐増幅器からなる状態検出手段２５を用いることで超伝導磁束量子ビット２０の量子状態の読み出しもできる。ジョセフソン接合２４の臨界電流値を設計することによって、超伝導磁束量子ビット２０の永久電流を１μＡ程度に調整する。超伝導磁束量子ビット２０のハミルトニアンＨFQは以下のように記述される。
【００５８】
【数１】
0006347489.tif 000002
【００５９】
ここで、σzとσxはパウリ行列、εは超伝導磁束量子ビット２０のエネルギーバイアス、Δは超伝導磁束量子ビット２０のトンネルエネルギーを、それぞれ表している。ここでεの値は、超伝導磁束量子ビット２０に印加する磁束を変えることにより調整することができる。本実施の形態ではεがΔよりも数倍程度大きい場合を考えるので、実効的なハミルトニアンＨFQは以下の式（４）のように記述される。
【００６０】
【数２】
0006347489.tif 000003
【００６１】
このとき、超伝導磁束量子ビット２０のエネルギーバイアスεについては、数ＧＨｚ程度に設定する。超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数が、電子スピンの共鳴周波数よりも一桁程度大きくなるため、周波数選択則を用いることで超伝導磁束量子ビット２０のみをマイクロ波で制御する、もしくは電子スピンのみをマイクロ波で制御することが可能になる。
【００６２】
超伝導磁束量子ビット２０について以下の（Ａ）−（Ｅ）のような分光測定を行うことで、その共鳴周波数を測定することができることが知られている（参考文献２）。
（Ａ）超伝導磁束量子ビット２０を希釈冷凍機に設置し、数十ｍＫまで冷やす。
（Ｂ）エネルギー緩和を利用して、超伝導磁束量子ビット２０を基底状態に用意させる。
（Ｃ）超伝導磁束量子ビット２０に、周波数ωFのマイクロ波を印加して飽和状態を作る。
（Ｄ）超伝導磁束量子ビット２０の量子状態を、超伝導量子干渉計もしくはジョセフソン分岐増幅器を用いて読み出す。
（Ｅ）印加するマイクロ波の周波数ωFを変えて、（Ａ）−（Ｄ）を繰り返す。
【００６３】
以上の手順により、印加するマイクロ波の周波数ωFが超伝導磁束量子ビット２０のエネルギーと共鳴するときのみ、超伝導磁束量子ビット２０の状態が変化するため、超伝導磁束量子ビット２０の状態を読み出すことで、超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数を同定することができる。
【００６４】
図９は超伝導磁束量子ビット２０の分光測定結果の１例を示す図である。図９の横軸はマイクロ波の周波数ωF（単位はＭＨｚ）、縦軸は超伝導磁束量子ビット２０が励起状態で読み出される確率Ｐである。
【００６５】
本実施の形態では、以上のような超伝導磁束量子ビット２０の上に、濃度が１ｃｍ3あたり１０15個程度のＰ１センターを含有したダイヤモンド単結晶基板２１を固定する。このとき、ダイヤモンド単結晶基板２１の表面と超伝導磁束量子ビット２０（超伝導ループ回路２３）との距離が、数ｎｍから０．５μｍ以下の範囲になるように調整を行う。ダイヤモンド単結晶基板２１としては、基板の大きさが縦６μｍ×横２μｍ×厚さ２μｍ程度の大きさのものを用いる。
【００６６】
このダイヤモンド単結晶基板２１を、超伝導磁束量子ビット２０（超伝導ループ回路２３）の一部のみを覆うように配置する。このようなダイヤモンド単結晶基板２１の配置は例えば、集束イオンビームを用いて切り出した基板２１を、ナノマニピュレーターで動かすことで実行可能である（参考文献１）。
【００６７】
また、超伝導磁束量子ビット２０から１μｍ程度離れた箇所に、電子スピンを励起するためのマイクロ波ライン２２を設置しておく。磁場は、超伝導磁束量子ビット２０（超伝導ループ回路２３）の面内方向に沿って数十ｍＴ程度印加する。
図８に示したような系のハミルトニアンＨは以下のように記述される。
【００６８】
Ｈ＝ＨFQ＋ＨI＋Ｈspin                                           ・・・（５）
【００６９】
【数３】
0006347489.tif 000004
【００７０】
【数４】
0006347489.tif 000005
【００７１】
【数５】
0006347489.tif 000006
【００７２】
ここで、Ｓ(j)zはｊ番目の電子スピンのスピン行列、ｇｊはｊ番目のＰ１センターと超伝導磁束量子ビット２０の結合、ωjはｊ番目のＰ１センターの共振周波数、ＮはＰ１中心の数を、それぞれ表している。
このハミルトニアンＨは以下のように書き換えることができる。
【００７３】
【数６】
0006347489.tif 000007
【００７４】
式（９）は、電子スピンの状態によって、超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数が変わることを意味している。本実施の形態の場合では、ｇの値は数ＫＨｚ程度に、Ｎは数千個程度になる。そのため、電子スピンが全て基底状態の場合と、マイクロ波により電子スピンの半数程度が励起された場合では、超伝導磁束量子ビット２０のエネルギーバイアスは数十ＭＨｚ程度異なる。超伝導磁束量子ビット２０のエネルギーバイアスの変化δεは印加磁束の変化と次のような関係式を持つ。
ｈδε＝２Ｉpδφex                                           ・・・（１０）
【００７５】
ここで、ｈはプランク定数、Ｉpは永久電流の値、δφexは印加磁束の変化を表す。そのため、電子スピンが全て基底状態の場合と、マイクロ波により電子スピンの半数程度が励起された場合では、超伝導磁束量子ビット２０を貫く磁束は数μφ0程度（φ0は磁束量子）異なる。
【００７６】
以上により、電子スピンが励起されると超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数が変化するため、超伝導磁束量子ビット２０の分光測定を通して電子スピンの状態遷移が検知できることが分かる。
【００７７】
図１０は電子スピン集団が励起状態もしくは基底状態にあるときの超伝導磁束量子ビット２０の分光測定結果の１例を示す図である。図１０の横軸はマイクロ波の周波数ωF（単位はＭＨｚ）、縦軸は超伝導磁束量子ビット２０が励起状態で読み出される確率Ｐである。図１０のＣ１は全電子スピンが基底状態のときの特性を示し、Ｃ２は全電子スピンが励起状態のときの特性を示している。図１０から明らかなように、電子スピンの状態により、超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数が変化する。
【００７８】
図１１は超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数と超伝導磁束量子ビット２０に印加する磁束との関係を示す図である。図１１の横軸は超伝導磁束量子ビット２０の超伝導ループ回路２３を貫く磁束（単位は磁束量子φ0の千分の一）、縦軸は超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数ωFQ（単位はＭＨｚ）である。図１１から明らかなように、電子スピンの状態により、超伝導磁束量子ビット２０を貫く磁束が変化し、超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数が変化する。
【００７９】
本実施の形態では、図８に示したような磁気共鳴装置を用いて、図１２のフローチャートで示すようなステップでＰ１センターに対する電子スピン共鳴を実行する。
まず、超伝導磁束量子ビット２０とダイヤモンド単結晶基板２１とマイクロ波ライン２２とから構成される磁気共鳴装置を希釈冷凍機内に設置し、２０ｍＫ以下（数十ｍＫ程度）の低温に保つ（図１２ステップＳ３００）。
【００８０】
磁場印加手段は、超伝導磁束量子ビット２０に磁場を数十ｍＴ程度印加する（図１２ステップＳ３０１）。このとき磁場を印加する方向は、超伝導磁束量子ビット２０の超伝導ループ回路２３に対して面内を向くように調整する。
エネルギー緩和を利用して、電子スピン（Ｐ１センター）と超伝導磁束量子ビット２０とを基底状態にする（図１２ステップＳ３０２）。
【００８１】
超伝導磁束量子ビット２０にマイクロ波ライン２２から周波数ωFのマイクロ波を印加して飽和状態を作る（図１２ステップＳ３０３）。このとき、周波数選択則を用いることで超伝導磁束量子ビット２０のみをマイクロ波で制御するようにする。
状態検出手段２５は、超伝導磁束量子ビット２０の量子状態を検出する（図１２ステップＳ３０４）。
【００８２】
予定している周波数ωFの範囲における測定が終了するまで（図１２ステップＳ３０５においてＹＥＳ）、印加するマイクロ波の周波数ωFを変えながら（図１２ステップＳ３０６）、ステップＳ３０３〜Ｓ３０４の処理を繰り返す。これにより、共鳴周波数同定手段２６は、超伝導磁束量子ビット２０が励起状態で読み出される確率Ｐが最大となるときの周波数ωFを、電子スピンが基底状態のときの超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数として求めることができる（図１２ステップＳ３０７）。
【００８３】
次に、ダイヤモンド単結晶基板２１にマイクロ波ライン２２から周波数ωのマイクロ波を印加する（図１２ステップＳ３０８）。このとき、周波数選択則を用いることで電子スピンのみをマイクロ波で制御するようにする。
【００８４】
続いて、超伝導磁束量子ビット２０にマイクロ波ライン２２から周波数ωFのマイクロ波を印加して飽和状態を作る（図１２ステップＳ３０９）。このとき、周波数選択則を用いることで超伝導磁束量子ビット２０のみをマイクロ波で制御するようにする。
【００８５】
状態検出手段２５は、超伝導磁束量子ビット２０の量子状態を検出する（図１２ステップＳ３１０）。
予定している周波数ωFの範囲における測定が終了するまで（図１２ステップＳ３１１においてＹＥＳ）、印加するマイクロ波の周波数ωFを変えながら（図１２ステップＳ３１２）、ステップＳ３０８〜Ｓ３１０の処理を繰り返す。これにより、共鳴周波数同定手段２６は、超伝導磁束量子ビット２０が励起状態で読み出される確率Ｐが最大となるときの周波数ωFを、電子スピンが励起状態のときの超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数として求めることができる（図１２ステップＳ３１３）。
【００８６】
そして、共鳴周波数同定手段２６は、ステップＳ３１３で求めた共鳴周波数とステップＳ３０７で求めた共鳴周波数との差を、周波数ωにおける超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数のずれδＥとして求めることができる（図１２ステップＳ３１４）。
【００８７】
予定している周波数ωの範囲における測定が終了するまで（図１２ステップＳ３１５においてＹＥＳ）、印加するマイクロ波の周波数ωを変えながら（図６ステップＳ３１６）、ステップＳ３００〜Ｓ３１４の処理を繰り返す。
【００８８】
以上により、共鳴周波数同定手段２６は、超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数のずれδＥが最大となるときのマイクロ波の周波数ωを、電子スピンの共鳴周波数として求めることができ、数千個程度の電子スピンを検知できる。
【００８９】
図１３は本実施の形態の磁気共鳴装置の測定結果の１例を示す図である。図１３の横軸はマイクロ波の周波数ω（単位はＭＨｚ）、縦軸は超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数のずれδＥ（単位はＭＨｚ）である。マイクロ波の周波数ωが電子スピンのエネルギーと一致した際に、超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数のずれδＥが最大になる。これにより、電子スピンの共鳴周波数を特定することができる。図１３の例では、電子スピンの共鳴周波数は約４００ＭＨｚとなる。
【００９０】
本実施の形態の共鳴周波数同定手段２６は、ＣＰＵ、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。
【００９１】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態では、ダイヤモンド基板中に含まれるＰ１センターと呼ばれる窒素不純物による電子スピンをマイクロ波で励起し、超伝導磁束量子ビットのラムゼ干渉を通して電子スピンの状態遷移を検知する場合を説明する。このような電子スピンの状態遷移の検知については、非特許文献４に記載されている。
【００９２】
図１４は本実施の形態の磁気共鳴装置の構成を示す模式図であり、図８と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の磁気共鳴装置は、超伝導磁束量子ビット２０と、電子スピン集団を含む被測定試料であるダイヤモンド単結晶基板２１と、マイクロ波ライン２２と、磁場印加手段（不図示）と、希釈冷凍機（不図示）と、状態検出手段２５と、超伝導磁束量子ビット２０のラムゼ測定の結果に基づいて電子スピンの共鳴周波数を同定する共鳴周波数同定手段２６ａとを備えている。
【００９３】
以下の（Ａ）−（Ｅ）のステップを実行すると、超伝導磁束量子ビット２０のエネルギーとマイクロ波の周波数との間にδωだけデチューニングが存在するとき、超伝導磁束量子ビット２０の励起確率Ｐがδωの周期で振動する。このような現象をラムゼ干渉と呼ぶ。
【００９４】
（Ａ）エネルギー緩和を利用して、超伝導磁束量子ビット２０を基底状態に用意する
（Ｂ）超伝導磁束量子ビット２０にマイクロ波を一定時間照射し、ｙ軸方向に９０度回転させることで、基底状態と励起状態の等しい重ね合わせの状態を生成する。このとき、マイクロ波のラビ周波数λはδωよりも十分に大きいとする。この場合、得られる状態は次式のように近似できる。
【００９５】
【数７】
0006347489.tif 000008
【００９６】
ここで｜ｇ＞は超伝導磁束量子ビット２０の基底状態、｜ｅ＞は超伝導磁束量子ビット２０の励起状態を表す。
【００９７】
（Ｃ）時間ｔ待つことで、基底状態と励起状態の間に相対的な位相をつける。この場合、得られる状態は次式のように近似できる。
【００９８】
【数８】
0006347489.tif 000009
【００９９】
（Ｄ）超伝導磁束量子ビット２０にマイクロ波を一定時間照射し、ｘ軸方向に９０度回転させた後に、超伝導量子干渉計もしくはジョセフソン分岐増幅器を用いて、超伝導磁束量子ビット２０の状態を読み出す。このとき、マイクロ波のラビ周波数λはδωよりも十分に大きいとする。このとき、超伝導磁束量子ビット２０が励起状態で読み出される確率Ｐは以下のようになる。
【０１００】
【数９】
0006347489.tif 000010
【０１０１】
（Ｅ）印加するマイクロ波の周波数ωを変えて、（Ａ）−（Ｄ）を繰り返す。以上の方法により、超伝導磁束量子ビット２０が励起状態で読み出される確率Ｐを実験的に求め、この確率Ｐから確率Ｐの振動周期δωの値を求めることができる。
【０１０２】
図１５は超伝導磁束量子ビット２０でラムゼ測定を行ったときの、超伝導磁束量子ビット２０の相対位相（δω・ｔ）と超伝導磁束量子ビット２０が励起状態で読み出される確率Ｐとの関係を示す図である。
【０１０３】
本実施の形態では、超伝導磁束量子ビット２０の上に、濃度が１ｃｍ3あたり１０14個程度のＰ１センターを含有したダイヤモンド単結晶基板２１を固定する。ダイヤモンド単結晶基板２１の固定の方法、および磁場の印加の方法などは、第２の実施の形態と同様にする。
【０１０４】
本実施の形態の例では、超伝導磁束量子ビット２０と結合する電子スピンの数は数百個程度になる。そのため、電子スピンが全て基底状態の場合と、マイクロ波により電子スピンの半数程度が励起された場合では、超伝導磁束量子ビット２０のエネルギーバイアスは数ＭＨｚ程度異なる。このような超伝導磁束量子ビット２０のエネルギーのずれをラムゼ測定により同定することで、電子スピンの励起を検知することができる。
【０１０５】
本実施の形態では、図１４に示したような磁気共鳴装置を用いて、図１６のフローチャートで示すようなステップでＰ１センターに対する電子スピン共鳴を実行する。
まず、超伝導磁束量子ビット２０とダイヤモンド単結晶基板２１とマイクロ波ライン２２とから構成される磁気共鳴装置を希釈冷凍機内に設置し、２０ｍＫ以下（数十ｍＫ程度）の低温に保つ（図１６ステップＳ４００）。
【０１０６】
磁場印加手段は、超伝導磁束量子ビット２０に磁場を数十ｍＴ程度印加する（図１６ステップＳ４０１）。このとき磁場を印加する方向は、超伝導磁束量子ビット２０の超伝導ループ回路２３に対して面内を向くように調整する。
エネルギー緩和を利用して、電子スピン（Ｐ１センター）と超伝導磁束量子ビット２０とを基底状態にする（図１６ステップＳ４０２）。
【０１０７】
ダイヤモンド単結晶基板２１の電子スピンにマイクロ波ライン２２から周波数ωのマイクロ波を印加する（図１６ステップＳ４０３）。このとき、周波数選択則を用いることで電子スピンのみをマイクロ波で制御するようにする。
【０１０８】
次に、超伝導磁束量子ビット２０にマイクロ波ライン２２からマイクロ波を一定時間照射し、超伝導磁束量子ビット２０をｙ軸方向に９０度回転させることで、基底状態と励起状態の等しい重ね合わせの状態を生成する（図１６ステップＳ４０４）。このとき、周波数選択則を用いることで超伝導磁束量子ビット２０のみをマイクロ波で制御するようにする。マイクロ波のラビ周波数は数百ＭＨｚ程度に調整する。この場合、得られる状態は式（１１）のように近似できる。
【０１０９】
時間ｔ（数十ナノ秒程度）待つことで、超伝導磁束量子ビット２０の基底状態と励起状態の間に相対的な位相をつける（図１６ステップＳ４０５）。この場合、得られる状態は次式のように近似できる。
【０１１０】
【数１０】
0006347489.tif 000011
【０１１１】
ここでδω’は、電子スピンが全て基底状態の場合と、ステップＳ４０３の処理で電子スピンが励起された場合との、超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数の差である。
次に、超伝導磁束量子ビット２０にマイクロ波ライン２２からマイクロ波を一定時間照射し、超伝導磁束量子ビット２０をｙ軸方向と直交するｘ軸方向に９０度回転させる（図１６ステップＳ４０６）。このとき、周波数選択則を用いることで超伝導磁束量子ビット２０のみをマイクロ波で制御するようにする。マイクロ波のラビ周波数は数百ＭＨｚ程度に調整する。
【０１１２】
状態検出手段２５は、超伝導磁束量子ビット２０の量子状態を検出する（図１６ステップＳ４０７）。超伝導磁束量子ビット２０が励起状態で読み出される確率Ｐは以下のようになる。
【０１１３】
【数１１】
0006347489.tif 000012
【０１１４】
ステップＳ４０４〜Ｓ４０７の処理をｎ回（ｎは複数）繰り返す（図１６ステップＳ４０８）。ステップＳ４０４〜Ｓ４０７の処理を複数回繰り返すことにより、共鳴周波数同定手段２６ａは、電子スピンが全て基底状態の場合と励起状態の場合とにおける超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数のずれδω’を式（１５）により求めることができる（図１６ステップＳ４０９）。
【０１１５】
予定している周波数ωの範囲における測定が終了するまで（図１６ステップＳ４１０においてＹＥＳ）、印加するマイクロ波の周波数ωを変えながら（図６ステップＳ４１１）、ステップＳ４００〜Ｓ４０９の処理を繰り返す。
【０１１６】
以上により、共鳴周波数同定手段２６ａは、超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数のずれδω’が最大となるときのマイクロ波の周波数ωを、電子スピンの共鳴周波数として求めることができ、数百個程度の電子スピンを検知できる。
【０１１７】
なお、超伝導磁束量子ビットのハミルトニアンは次式で記述されることが知られている。
【０１１８】
【数１２】
0006347489.tif 000013
【０１１９】
ここで、ωFQは超伝導磁束量子ビットのエネルギー、σzとσxはパウリ行列、λはマイクロ波の強度により決定されるラビ周波数、ωはマイクロ波の周波数、θはマイクロ波の位相を表す。超伝導磁束量子ビットを回転させるときの軸は、ωFQ、ω、θを調整することで決定できる。例えば、ｘ軸を中心に回転させるときはωFQ＝ω，θ＝０と設定する。あるいはｙ軸を中心に回転させるときはωFQ＝ω，θ＝π／２と設定する。そのため、上記のｘ軸とｙ軸とは、マイクロ波の位相と周波数によって決定される、量子状態の回転方向を表す軸である。
【０１２０】
図１７は本実施の形態の磁気共鳴装置の測定結果の１例を示す図である。図１７の横軸はマイクロ波の周波数ω（単位はＭＨｚ）、縦軸は超伝導磁束量子ビット２０の共鳴周波数のずれδω’（単位はＭＨｚ）である。マイクロ波の周波数ωが電子スピンのエネルギーと一致した際に、超伝導磁束量子ビット２０のエネルギーのずれ（共鳴周波数のずれδω’）が最大になる。これにより、電子スピンの共振周波数を特定することができる。図１７の例では、電子スピンの共鳴周波数は約４００ＭＨｚとなる。
【０１２１】
本実施の形態の共鳴周波数同定手段２６ａは、ＣＰＵ、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
本発明は、磁気共鳴装置に適用することができる。
【符号の説明】
【０１２３】
１，１３，２３…超伝導ループ回路、２，１４，２４…ジョセフソン接合、３…基板、４，１２，２２…マイクロ波ライン、１０…超伝導量子干渉計、１１，２１…ダイヤモンド単結晶基板、１５…制御線、１６…計測手段、１７…磁束同定手段、１８，２６，２６ａ…共鳴周波数同定手段、２０…超伝導磁束量子ビット、２５…状態検出手段。
【図１】
0006347489.tif 000014
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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