超伝導量子ビットと直径1mm磁石のコヒーレントな結合に成功：量子インタフェースや量子中継器への応用に期待（1/2 ページ）

　東京大学先端科学技術研究センターの中村泰信教授らによる研究グループは2015年7月、ミリメートルサイズの磁石が量子光学的に振る舞うことを確認したと発表した。さらに、超伝導回路を用いた量子ビット素子と強磁性体中の集団的スピン揺らぎの量子をコヒーレントに相互作用させることに成功し、磁化揺らぎ量子状態を自在に制御する方法を見出した。

　今回の成果は、東京大学先端科学技術研究センターの中村教授、田渕豊特任研究員（当時）、及び修士学生の石野誠一郎氏らによる研究グループと、理化学研究所創発物性科学研究センターとの共同研究によるものである。

　本研究では、直径1mmのイットリウム鉄ガーネット（YIG）単結晶球を、マイクロ波空洞共振器の中に配置して、YIG球の中のマグノンと共振器の中のマイクロ波光子の結合について調べた。磁場を加えてYIG球の強磁性共鳴周波数を調整し、空洞共振器の共鳴周波数（最大10GHz）と一致させたところ、両者の相互作用によって、共鳴スペクトルに反交差を確認することができた。

直径1mmのイットリウム鉄ガーネット（YIG）単結晶球を、マイクロ波空洞共振器の中に配置（上部）、マグノンとマイクロ波光子の相互作用によって、共鳴スペクトルに反交差を確認 （クリックで拡大） 出典：東京大学先端科学技術研究センター

　この効果は、−273.14℃の極低温環境のもと、熱揺らぎによるマグノン数、マイクロ波光子数が、ともに1以下となる量子極限で観測することに成功し、両者のコヒーレントな結合を実証した。このことは、目に見える大きさの強磁性体球の中で、スピン集団運動が量子学的に振る舞い、マグノンと光子が結合したマグノンポラリトンと呼ばれる複合量子が形成されていると理解することができるという。