中ノ勇人 角柳孝輔 齊藤志郎 仙場浩一 髙柳英明*
量子電子物性研究部 *東京理科大学応用物理学科
量子ビットの状態読み出しは、典型的な「プローブを用いた量子測定」である。今回我々は、実際に実験も行っている、ジョセフソン分岐増幅器 (JBA) をプローブとする超伝導磁束量子ビットの読み出し過程を、量子ダイナミクスとして理論的に分析することに成功した。
JBAは非線形共振器であり、駆動振動数や駆動振幅など動作パラメータのわずかな違いによって、2種類の振動モード（低振幅モード G状態、と 高振幅モード E状態）のどちらの共振状態をとるかが決定する。これをプローブとして量子ビットと相互作用させると、量子ビットの状態（ミクロな情報）に依存する実効的な動作パラメータのわずかな変化を、2種類の共振モードの違い（マクロな情報）として増幅して読み出すことができる[1]。この方法は、測定後の量子ビットの状態に対する破壊の程度が小さく、量子情報処理に適している。このミクロからマクロへの情報変換過程は、まぎれもなく、量子ビットとJBAの合成系の量子力学に従った時間発展（量子ダイナミクス）であるが、我々はその過程を理論的に明らかにした[2]。特に、量子ビットの状態が重ね合わせであるときに、読み出しがどうやって確率的な射影になるのかが重要である。JBAを駆動し始めると、量子ビットとの実効的な相互作用が徐々に強くなり、ユニタリーな時間発展によって量子ビットとJBAが相関を持つ2つの状態のエンタングルした状態が形成される（0
< t < τ1：図1, 2参照、以下同様）。この2つの状態のJBAは、やがてＥ状態へと転移するものとそのままG状態に留まるものであり、結合している量子ビットは、それぞれ基底状態gおよび励起状態eである。駆動をさらに強くすると、この一方だけがE状態への遷移を開始し、その瞬間にJBAへのデコヒーレンスが急激にエンタングル状態を破壊する
(t ~ τ2)。こうして、量子ビットとJBAの合成系は、「量子ビットがg JBAがE」と「量子ビットがe JBAがG」のマクロに異なった2状態のどちらか一方が実現している混合状態になる
(t ~ τ3)。このときのJBAの状態を通常の古典的な方法で測定すれば、判別されたJBAの状態に応じて量子ビットの状態も決まる。
[1] I. Siddiqi et al., Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 207002.
[2] H. Nakano, S. Saito, K. Semba, and H. Takayanagi, Phys. Rev. Lett. 102 (2009) 257003.
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