Controllable interaction between photons and distant spins via vacuum Rabi oscillations
本論文は、複数の真空ラビ振動をエンジニアリングすることにより、超伝導共振器を介して離れた二つの電子スピン量子ビット間でのエネルギーの制御可能な転移を実証しており、それによって半導体スピン量子ビットと光学的リンクとをインターフェースするための基礎的な構成要素を確立している。
原論文は CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは以下の論文のAI生成解説です。著者が執筆または承認したものではありません。技術的な正確性については原論文を参照してください。 免責事項の全文を読む
宇宙を、エネルギーが音楽である巨大で目に見えないダンスフロアだと想像してみてください。量子物理学の世界では、最もエキサイティングなダンスは、二つの全く異なるパートナーが出会った時に起こります。それは「スピン」と呼ばれる、原子の中にある小さな回転する磁石のようなものと、「フォトン（光子）」と呼ばれる、光の単一のパケットです。通常、この二つが会話をすることはほとんどありません。しかし、もし特殊な箱（キャビティ）の中に光を閉じ込め、スピンと光を全く同じ速度で振動させれば、彼らは完璧でリズム感のある交換を始めることができます。彼らはエネルギーを交互にやり取りします。それはまるで、二人の子供がブランコで互いをより高く押し上げ合っているかのようです。これは「真空ラビ振動」と呼ばれます。科学者がこれを重視するのは、これが物質と光の究盟の握手だからです。もし私たちがこのダンスをマスターできれば、情報は光としてコンピュータ間を飛び交い、遠く離れた小さなプロセッサ同士を、まるで手紙を郵送するように光速でつなぐ「量子インターネット」を構築できるかもしれません。
今回の新しい研究において、デルフト工科大学とQuTechの研究者たちは、非常に特定のセットアップを用いて、このダンスを二つの離れたパートナー間で発生させることができるかどうかを確かめることにしました。彼らは、シリコンと超伝導金属で作られた極小のデバイスを構築しました。そこには、250マイクロメートル（人間の髪の毛の幅ほど）離して配置された二つの「ダブル量子ドット」（本質的には単一の電子を保持する小さな檻のようなもの）が備わっています。これらの檻は、マイクロ波フォトンのための高速道路として機能する超伝導ワイヤーによって接続されています。チームの目標は、一つの電子スピンから単一のエネルギー単位を取り出し、それをフォトンの形に変えてワイヤーへと送り、そして二つ目の電子がそれをキャッチして再びエネルギーへと戻すことができるかどうかを確認することでした。
研究者たちは、実際にこれを実現できることを見出しました。電圧パルスを注意深くタイミングよく制御することで、システムをオン・オフすることが可能になり、最初の一つの電子がマイクロ波キャビティと「踊る」ことができました。彼らはエネルギーが何度も往復する様子を観察し、スピンとフォトンの両者が密接に結合していることを確認しました。そのダンスは非常に強力であったため、ちょうど中間地点で止めることができ、エネルギーを単一のフォトンの状態でキャビティ内に効果的に閉じ込めることができました。そして、二つ目の電子をダンスに加えたのです。予測通り、二つ目の電子はフォトンの動きをキャッチしてそのエネルギーを吸収し、離れた場所にある一つのスピンからもう一つのスピンへのエネルギー転送を完了させました。
エネルギーが単なる「ぼんやりとしたエネルギーの雲」ではなく、真に単一のフォトンのものであることを証明するために、チームは巧妙なトリックを行いました。まず二つの励起された電子からスタートし、一方をキャビティへと入れ替え、キャビティの中に正確に一つのフォトンの状態を残しました。この「満たされた」キャビティに対して二つ目の電子を踊らせると、交換のリズムが加速しました。この加速は、単一のフォトンが存在することを示す既知の兆候であり、彼らが「フォック状態（粒子数が正確に決まっている状態）」を正常に作り出したことを裏付けるものです。チームはこの速度の変化を測定し、テスト中にキャビティには平均して約0.65から0.69個のフォトンが存在していたと算出しました。これは理想的な単一フォトンの数値に近いものの、完璧ではありませんでした。
論文では、ダンスは成功したものの、完全にはスムーズではなかったことも記されています。電子たちは、シリコンチップで通常見られるよりも少し早くリズムを失ってしまいました。これはおそらく、背景にある目に見えない電気的ノイズによるものです。しかし、このノイズがあるにもかかわらず、複数の回の振動を観察できたことは大きな前進です。研究者たちは、将来のデバイスにおいて、よりクリーンな材料と優れたエンジニアリングを用いることで、この手法が量子コンピュータ同士を連結するための信頼できる方法となり、これらの小さなシリコンスピンを巨大な光速ネットワークのノードへと変貌させることができるだろうと示唆しています。
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