マイクロ波単一光子の高効率検出を実現　
－マイクロ波光子を用いた量子通信、量子情報処理へ応用－

理化学研究所（理研）創発物性科学研究センター超伝導量子エレクトロニクス研究チームの猪股邦宏研究員、中村泰信チームリーダー（東京大学先端科学技術研究センター教授）、東京医科歯科大学の越野和樹准教授らの国際共同研究グループ^※は、超伝導回路上に「人工Λ（ラムダ）型原子^[1]」を実装し、その特性を応用することで、「マイクロ波単一光子^[2]」の高効率検出を実現しました。

超伝導回路によって構成される超伝導量子ビット^[3]は、次世代のコンピュータとして期待される量子コンピュータ^[4]の最も有力な最小構成要素として注目されています。超伝導量子ビットの制御や状態の読み出しには、その励起エネルギーに近いマイクロ波（周波数：数GHz～数十GHz、GHzは10億Hz）が用いられます。マイクロ波の“量子”であるマイクロ波光子の高効率検出や生成といった基盤技術は、量子コンピュータの早期実現やマイクロ波量子光学の発展に貢献すると期待されています。しかし、量子暗号通信^[5]分野などで用いられる近赤外光子（周波数：数百THz、THzは1兆Hz）と比較して、エネルギースケールが4～5桁小さなマイクロ波光子の高効率検出は、これまで困難を極めてきました。

量子光学分野を筆頭に、量子暗号通信、微弱光通信、蛍光測定などのさまざまな分野において、光子を高効率で捕捉し検出する高性能な光子検出器が求められています。これらの分野では、通信波長帯（波長1,550nm、周波数193THz、nmは10億分の1m、THzは1兆Hz）の光子が主に用いられ、光子の高効率な検出は、半導体や超伝導体を用いることによって既に実現されています。

一方、超伝導回路によって構成される超伝導量子ビットは、次世代のコンピュータとして期待される量子コンピュータの最も有力な最小構成要素として注目されています。近年、超伝導量子ビットとマイクロ波光子（数GHz～数十GHz、GHzは10億Hz）のコヒーレント（位相がきれいに保たれている状態）相互作用が実証され、マイクロ波を介した超伝導量子ビットの状態制御や読み出しといった量子コンピュータ実現のための研究が進められています。このような研究の発展とともに、「マイクロ波単一光子」検出の必要性が高まっています。しかし、マイクロ波光子のエネルギーは、量子暗号通信分野などで用いられる近赤外光子（周波数：数百THz、THzは1兆Hz）と比較してエネルギースケールが4～5桁小さく、その検出は困難を極めていました。

国際共同研究グループは、超伝導量子ビットの一つである磁束型量子ビット^[8]とマイクロ波共振器がコンデンサを介して結合した実験系を作製しました（図1(a)、(b)）。そして、この実験系の磁束型量子ビットに適切な周波数と強度をもつ外部電磁波を照射することにより、磁束型量子ビットとマイクロ波共振器とのエネルギー準位を利用し、人工的に「Λ（ラムダ）型原子」のエネルギー準位構造を実装しました（図1(c)“Λ状態”）。

状態 ｜1＞ にあるΛ型原子に対して、それに共鳴する（｜1＞ → ｜4 ＞ 遷移のエネルギーをもつ）信号マイクロ波光子を入射すると、Λ型原子は ｜1＞ → ｜4 ＞→ ｜2＞ の経路を経て100 ％の確率で状態｜2＞ へと遷移します。一方、入射したマイクロ波光子は、遷移に伴う周波数下方変換（周波数＝エネルギーの減少）を受け、人工Λ型原子から放出されます。このプロセスによって、磁束型量子ビットとマイクロ波共振器の結合系の状態は、基底状態（ ｜g, 0 ＞）から磁束型量子ビットの励起状態（ ｜e, 0＞ ）へ遷移します。マイクロ波単一光子の検出は“読み出し状態”において、磁束型量子ビットの励起状態を読み出すことで行われます（図1(c)）。

図2(a)は、信号マイクロ波周波数と駆動マイクロ波強度を変化させながらΛ遷移による磁束型量子ビットの励起確率を測定し、それをもとに評価したマイクロ波単一光子の検出効率を示したものです。信号マイクロ波光子周波数が人工Λ型原子と共鳴する10.268 GHzのときに、検出効率が最大となっていることが分かります。図2(b)は、(a)を10.268 GHzで切り出した断面図です。この図より、今回の実験において、マイクロ波単一光子の最大検出効率は66±6％に到達したことを確認しました。