Laser Focus World JAPAN　レーザーフォーカスワールドジャパン

November 20, 2013, Calgary--国際的研究チームが、原子は相互に独立してではなく、協働して光を共有できることを初めて示した。
量子物理学者は以前からそのような効果を議論してきたが、実験的に示すことができなかった。
研究チームには、実験を行ったETHチューリッヒ(ETH Zürich)の研究者、理論研究を行ったケベックのシャーブルック大学(Université de Sherbrooke)とカルガリー大学(University of Calgary)の研究者が含まれる。
研究チームは、1次元の量子システムに閉じ込められた人工原子間の光共有、「フォトンに媒介された相互作用」を明らかにした。
2つの人工原子は「コヒレント交換相互作用、開放環境における離れた量子系ではこれまでに見られなかった作用である」とETHチューリッヒ量子デバイスPhD学生、Arjan van Loo氏は言う。
1次元で個々の量子系間で基本的な量子相互作用を実現することは、量子ベースのデバイスの発展には極めて重要。
「このような系は、量子情報処理や量子通信に使用するデバイスの量子通信回線(1D導波路)で量子情報ルーティングに役立つ」とETHチューリッヒ固体物理学教授、Andreas Wallraff氏は説明している。
また、Université de Sherbrookeの助教授、Alexandre Blais氏は、「この研究は、人工の電子回路を、自然の量子系では不可能な振る舞いをするように設計可能であることを示している」と言う。
カルガリー大学ディレクタ、Sanders氏によると、人工の原子を協働させることは超伝導回路におけるマイクロ波場の制御につながり、「ノイズ」、つまり信号に対する障害から量子情報を守る方法を含む利点がある。
この研究チームのアプローチの決め手は、3Dではなく1Dで実験を行った点。3Dでは原子の相互作用は弱くなり、距離とともに大きく減衰するからだ。
「われわれの実験でこうした限界は、人工的な量子系の重要特性を特別な処理によって克服された」とArkady Fedorov氏は説明している。同氏は、実験当時はETH Zurichのポスドク、現在はオーストラリアクイーンズランド大学ARC Centre for Excellence for Engineered Quantum Systemsグループリーダー。
研究グループは、導波路を使って人工原子を1Dに閉じ込めた(光を光ファイバに閉じ込めることと同じ)。これにより、2つの系が相互作用する可能性が大きくなり、研究グループはこの相互作用を計測できるようになった。
超伝導回路を使い、研究チームは導波路に沿って2つの人工原子を置き、この1D導波路(伝送路)を通してマイクロ波場を送った。
一般的な量子系では極めて長い約2㎝の距離で、2つの原子状の系がフォトンを交換することで、ある種の弱く結合した分子を形成した。
(論文:Photon-mediated interactions between distant artificial atoms/ Science)