ＮＴＴの物性科学基礎研究所とＪＳＴが開発した超伝導永久電流アトムチップは、チップ表面に作られた超伝導体の閉回路を流れる永久電流により磁場を発生させるため、外部電源を必要とせず、原理的にまったく雑音が発生しないことから、従来のアトムチップで課題となっていた電源や熱による雑音の問題を根本的に解決し、原子一つ一つを制御する技術へとつながるものと考えられます。さらに、この技術によって原子を思いのままに配列することが可能となれば、原子を量子ビットに用いた量子コンピュータの実現に新たな道が開かれるものと期待されます。
本研究は、ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業チーム型研究（CRESTタイプ）の研究領域「量子情報処理システムの実現を目指した新技術の創出」（研究総括：山本喜久）の研究課題「中性原子を使った量子演算システムの開発」（研究代表者：清水富士夫 ＮＴＴリサーチプロフェッサ）により行われました。今回の成果は2007年6月29日（米国東部時間）発行の米国科学誌 「Physical Review Letters」に発表されます。
＜開発の経緯＞
量子コンピュータの構成要素である量子ビット※２として、半導体ナノ構造や超伝導接合などの微小固体素子の研究が盛んに進められています。しかしながら、これらの素子では個々の量子ビットの特性が微細加工によって決まるため、複数の量子ビットを用いて演算を行う場合、加工の精度やばらつきが大きな問題となります。
また、固体では原子同士が密接しているため、原子の熱振動などの影響によって、量子状態が壊れやすいことが問題となっています。一方、原子が真空中に単体で存在する場合は、他の原子からの影響を受けないため、量子状態が長く保たれます。また原子を量子ビットとして用いた場合、エネルギー準位間隔など、個々の量子ビットの特性は原子の種類によって決まっているため、量子ビットごとのばらつきの問題もありません。このように真空中の原子は量子ビットとして優れた特性を持っていますが、空間を無秩序な方向に飛び回っているため、その運動を制御しない限り量子ビットとして用いることはできません。
アトムチップは、エレクトロニクスの技術によって原子の動きを制御する素子で、それによって真空中の原子が持つ量子ビットとしての優れた特性を引き出すことが可能になるものと期待されています。その原理は、素子表面に作りつけた微小な回路に電流を流し、その電流が発生する磁場によって原子を捕まえるというものです。しかしながら、従来のアトムチップでは、電源や熱による雑音のため、原子を閉じ込める磁場が不安定で、多数の原子の集団を捕捉することはできても、数個レベルの原子を安定した状態で閉じ込めることは不可能とされていました。
今回私たちは、電源を必要とせず、かつ原理的に全く雑音が無い新型のアトムチップを開発し、そのような素子を用いて実際に原子を安定的に捕捉することができることを世界で初めて実証しました。
＜実験の概要＞
（１）外部電源を必要としない、超伝導永久電流アトムチップを開発
サファイア基板上に作成した超伝導体（MgB2）のループ状回路を流れる永久電流※３により、電源不要のアトムチップを実現しました（図１）。今回開発したアトムチップの特徴は、回路の一部にレーザ光を照射することで超伝導状態を壊し、回路を開閉することができる点にあります。永久電流は、この技術を用いて以下の手順により発生させました（図２）。
素子全体を液体ヘリウム温度（絶対温度4.2度）に冷却。
回路が超伝導状態（電気抵抗ゼロの状態）になったところで回路の一部にレーザ光を照射し、部分的に温度を上昇させ超伝導状態を壊し、回路を開く。
外部から回路に垂直に磁場を加えた後、レーザ光を止め回路を閉じ磁束をループ内に閉じ込める。
外部から回路に加えた垂直磁場を取り除くと、閉じ込められた磁束を一定に保つように、ループ回路に永久電流が流れ始める。
（２）アトムチップ上の空間にルビジウム原子※４が80秒以上閉じ込められることを実証
ループ回路に永久電流を流した後に、磁気光学トラップ※５によって冷却されたルビジウム原子をチップの近くまで運び、永久電流が作る磁場と、アトムチップ面に平行に加えた別の外部磁場（以下、補助磁場）によって作られる閉じ込めポテンシャルによって、アトムチップ上の小さな空間（大きさ：1.6×0.1×0.1 mm3）に原子を閉じ込めました。原子が閉じ込められている様子は、チップに平行に光を入射し、透過する光に映る原子の影を撮影することによって観察することができます（図３、図４）。また、閉じ込められた原子のチップ表面からの距離や空間的な広がりから、逆に、ループ回路を流れる永久電流の大きさを2.5 アンペアと見積もることができます。この実験では、永久電流に捕まえられた原子は、アトムチップ表面から 0.3 ミリメートルの位置に80秒以上とどまっていることが確認されました。また、捕捉された原子の数は約60万個、温度は200マイクロケルビンと推測されます。
＜今後の展開＞
今後は、素子の構造に工夫を施し、補助磁場を必要としない、完全自己完結型の素子の開発に取り組んでいきます。
今回開発した超伝導永久電流アトムチップは、原理的に全く雑音がないものと考えられ、この技術を発展させることで、原子１個１個を捕まえる技術へ道が開かれるものと考えられます。
固体素子の上で原子１個１個を思いのままに配列させることが可能になれば、原子を量子ビットとした量子コンピュータの実現につながる技術として期待されます。
| 図１：超伝導永久電流アトムチップおよび原子捕捉の原理 |
| 図２：永久電流の駆動方法 |
| 図３：捕捉された原子の観測方法（概念図）および実験結果と計算の比較 |
| 図４：永久電流の大きさによる原子の捕捉状態の変化 |
| ＜用語解説＞ |
＜論文名＞
「Persistent Supercurrent Atom Chip」
（超伝導永久電流アトムチップ）
doi: 10.1103/PhysRevLett.98.260407
＜研究領域等＞
| 戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（CREST） | |
| 研究領域： | 「量子情報処理システムの実現を目指した新技術の創出」 |
| 研究総括： | 山本 喜久（情報・システム研究機構国立情報学研究所 教授／スタンフォード大学 教授） |
| 研究課題名： | 「中性原子を使った量子演算システムの開発」 |
| 研究代表者： | 清水 富士夫（ＮＴＴリサーチプロフェッサ） |
| 研究期間： | 平成１５年１０月～平成２１年３月 |
＜本件に関するお問い合わせ先＞
ＮＴＴ先端技術総合研究所
(物性科学基礎研究所)
企画部 広報担当 岸根、飯塚
Tel: 046-240-5152
http://www.ntt.co.jp/sclab/contact.html
独立行政法人科学技術振興機構
戦略的創造事業本部 研究推進部 研究第一課
瀬谷 元秀（せや もとひで）
〒102-0075 東京都千代田区三番町5 三番町ビル
TEL：03-3512-3524 FAX：03-3222-2064
E-mail：
独立行政法人科学技術振興機構
広報・ポータル部 広報課
福島 三喜子（ふくしま みきこ）
〒102-8666 東京都千代田区四番町5番地3 サイエンスプラザ
TEL:03-5214-8404 FAX:03-5214-8432