量子情報技術は、量子力学の基本原理に基づいて、現在のコンピューターでは処理の困難な計算やシミュレーションなどを可能にする革新的な技術として期待され、それを実現するシステムを見つけるべく、多くの手法で研究開発が進められています。イオントラップは、これらのうちの有力な手法の一つとして、世界的に研究が進められており、2012年にはこの分野の第一人者である米国のワインランド博士がノーベル物理学賞を受賞しています。大阪大学の占部研究室でもイオントラップを使った量子情報処理の研究を行っており、これまでに量子ゲートや量子シミュレーターの実験を進めています。

写真は、イオントラップの一例。
右上の画像は、トラップに捕捉され、三角形状に並んだカルシウムイオン。

今回、同研究室の野口篤史研究員が、イオントラップ中に三角形に配列したイオンを振動基底状態といわれる極低温まで、レーザーを使って冷やせることを初めて見出しました。イオンを二次元的に配列できることはこれまでに知られていましたが、これを振動基底状態まで冷やすことは難しいと考えられているため、これまでは一列に配列したイオンを使って、量子情報処理の研究が進められてきました。実験では、この三角形に配列したイオンの運動エネルギーを、断熱冷却という手法を用いてさらに数十ナノケルビンまで下げることにより、上向きと下向きの三角形の二つの安定点の間を、量子トンネル効果によって移り変わる量子回転子を実現することに成功しました。イオンの配列した三角形は数ミクロンの大きさです。量子回転子の状態は、三角形は上向きでもあり、また同時に下向きでもある重ね合わせの状態であり、その向きは観測するまでは確定しません。光学顕微鏡で識別可能なミクロンオーダーのサイズの単純な系で、このような重ね合わせ状態を実現したのは世界的にみて稀有な例です。

さらに、同グループと分子科学研究所の鹿野豊特任准教授（チャップマン大学量子科学研究所客員助教授を兼務）は協力して、量子回転子が二つの経路を通って移り変わるという量子干渉の性質を用いて、アハラノフ・ボーム効果の観測を行いました。この効果は、干渉計の二つの経路の囲む領域に電磁ポテンシャルがある場合は、電荷を持った粒子が直接電磁場によって力を受けなくても、干渉縞の位相に変化を与えるというものです。実験では、経路の囲む領域の磁場の強さを変えることで、この効果によって理論的に予言されるトンネル効果の確率が周期的に変化することを観測しました。アハラノフ・ボーム効果は、これまでに日立製作所の外村彰氏らによる、電子ビーム干渉計を使った実験による検証などで知られていましたが、今回の実験では、干渉計の経路のすべてをトンネル粒子が通過しており、古典的に許される軌道を全く持たない粒子を使ってアハラノフ・ボーム効果を初めて実証したことになります。

量子回転子はメチル基のような分子などの微視的な粒子においては観測されていますが、今回のようなミクロンサイズの光学的に識別可能な大きさで実現したのは初めてです。これは、量子情報処理の実現の目標の下に量子状態制御技術が近年飛躍的に向上したためです。この高い量子技術を物理学の基礎実験に対して応用し、量子力学に残された基本的な問題の一つであるトンネル効果の理解を促す結果です。

今後、本成果は、古典力学的世界と量子力学的世界の境界の解明や、古典計算機では解くことが困難とされる問題を自然にそのまま解かせてしまう量子シミュレーションの研究などにおける新しい実験手法を提供するものとして期待されます。そして、これらの実験を実装することにより、量子情報技術が更に高まるであろうと期待されます。また、トンネル効果中に電荷を持った粒子が電磁ポテンシャルと結合していることを実証した初めての実験例で量子電磁気学の基礎や物性研究分野などにも大きく貢献するものと期待されます。

本成果は、Nature Communications, vol. 5, 3868 (2014) に以下のタイトルで掲載されます。
Atsushi Noguchi, Yutaka Shikano, Kenji Toyoda, and Shinji Urabe,
“Aharonov-Bohm effect in the tunneling of a quantum rotor in a linear trap”

図1　量子回転子の二つの状態（一辺が6.8マイクロメートルの上向き三角形と下向き三角形）
量子回転子の状態は二つの重ね合わせの状態にある。

図2　アハラノフ・ボーム効果観測の概略図
量子回転子による量子干渉の二つの経路とそれにより囲まれた領域を通る磁場を示す。アハラノフ・ボーム効果によると、磁場の大きさにより三角形の間で遷移する確率が周期的に変化することが予想される。