人工原子中发现有光子纠缠的稳定分子状态

日本信息通信研究机构（NICT）2016年10月11日宣布，与NTT、卡塔尔环境能源研究所（QEERI）共同发现了超导人工原子中存在的新型最低能态（基态），类似有光子纠缠的分子状态。由于可以提供在比原来大得多的能量范围内对物质与光的相互作用进行控制的方法，因此有望为查明量子相变的物理原理，以及将其应用于使用薛定锷猫状态等非传统光状态的量子技术开辟道路，并为量子通信、量子模拟与计算、新一代超高精度原子表的开发等量子技术领域的研究做出贡献。

此次测量中使用的超导电路 （a）等价电路。X或x表示约瑟夫森结，蓝色和黑色为LC电路，红色和黑色为超导人工原子电路。（b）嵌入量子LC电路的超导人工原子（红框内）。白色部分为铝基板，灰色部分为硅基板。（c）超导人工原子电路（b图红框内部分的放大图）（摘自NICT的发布资料，下同）

早在约40年前，也就是1970年代就有人预言，如果原子与光的相互作用极强，就会存在性质上全新的最低能态（基态）。后来还出现了关于“如果在现实条件下准备好这种情况，能否实现该预言”的争论。此次共同研究者——QEERI的S.Ashhab博士等人几年前曾对采用超导电路形成这种新状态所需的条件进行过理论方面的探讨。

新型深强结合状态的分光测量结果 横轴表示人工原子的偏压能量，纵轴表示输入微波频率。只有试料中存在由光子和人工原子组成的稳定分子状态，才能解释零偏压附近的异常透射光谱。

此次的实验使用了与采用微细加工技术制作的原子具有同等量子性质的超导人工原子，以及封闭在超导电路中的光子。为了让具有大零点噪声电流的LC共振电路与超导永久电流量子比特共享较大的约瑟夫森电感，并非常强有力地结合在一起，研究人员对电路进行了精心设计。并对该电路进行了分光实验，通过对获得的光谱进行分析，发现了曾被预言的新状态。

以前的超导人工原子-微波光子系统研究成果 超导人工原子与光子的结合强度在最近12年里提高了100倍以上，此次首次达到深强结合（g/ωo>1）范围，为新基态的实质性发现做出了贡献。

电路中的人工原子的全部能量是光自身带有的能量、原子自身的能量、光与原子的相互作用能量的总和。此次运用宏观量子系统的优点，成功使光与原子的相互作用能量增大到了高于光自身的能量及原子自身能量的水平（实现“深强结合”）。在“深强结合状态”下，在光和原子系统中出现了新的对称性，并在量子迁移中发现了选择法则，同时还观测到了一些显示出来的性质，比如在包括基态在内的所有状态下，实现了光与原子的量子纠缠。

该研究小组今后将继续推进相关研究，以查明多个超导人工原子与光子能否观测到同样的状态。另外，为了应用于量子通信节点技术，提高包括基态在内的多体系量子状态控制技术，将针对该分子状态的人为操作、光子吸收与发光过程的动态特性，以及利用这种状态生成新纠缠的方法等展开研究。

此次的研究由NICT负责实验和分析，NTT负责制作试料，QEERI负责理论说明。研究成果已于2016年10月11日发表在《自然物理》（Nature Physics）电子版上。（特约撰稿人：工藤 宗介）

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