高温超伝導体量子コンピュータの理論

高温超导量子计算机理论

• 批准号: 17710081
• 负责人: 川畑 史郎
• 金额: $ 2.3万
• 依托单位: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17710081/
• 关键词: 量子コンピュータ; ジョセフソン効果; 巨視的量子トンネル効果; 銅酸化物高温超伝導体; 異方的超伝導体; メゾスコピック系; 量子情報; スピントロニクス; 固有ジョセフソン接合

ナノ構造の高温超伝導体ジョセフソン接合における巨視的量子トンネル現象(MQT)および量子コンピュータへの応用に関する理論研究を行った。今年度は、以下のテーマについて研究を行った。[1]絶縁障壁/超伝導体界面に形成されるゼロエネルギー束縛状態(ZES)が巨視的量子ダイナミクスに及ぼす影響について解析を行った。その結果、ZESが絶縁障壁の両側に形成される接合においては、ZES-to-ZESの準粒子トンネルのために非常に強いオーミック散逸が生じることを明らかにした。そのため、このような接合においては実験的にMQTを観測するのが困難であることが明らかとなった。[2]BCS超伝導体と高温超伝体のハイブリッドジョセフソン接合における巨視的量子ダイナミクスの理論を構築し、高温超伝体接合に比べて、低エネルギー準粒子散逸の影響が著しく弱くなることを示した。これによりハイブリッド接合は量子コンピュータとして高いコヒーレンス性を有することを明らかにした。[3]Bi2212固ジョセフソン接合のMQTに関して、産総研の実験グループと共同研究を開始した。そして、0.5K程度の非常に高いクロスオーバー温度のMQTの観測に成功した。[4]強磁性絶縁体及びマルチフェロイック材料から構成されるジョセフフソンπ接合の巨視的量子ダイナミクス理論を構築した。そして、π接合から構成される超伝導リングにおいては、自発的に量子二準位系が形成され、外場の揺らぎ及び準粒子散逸の影響をうけない理想的な量子ビットが実現可能になることを示した。[5]経路積分量子モンテカルロ法を用いて、高温超伝導体量子ビット素子のコヒーレンス評価を行った。高温超伝導体接合においてはノード準粒子によってスーパーオーミック散逸が生じるが、散逸を強くしていくとコヒーレント相からインコヒーレント相にクロスオーバーを起こすことを大規模数値計算により示した。同時に、高温超伝導体量子ビット素子がコヒーレントに動作する温度領域を明らかにした。

我们对纳米结构高温超导约瑟夫森结中的宏观量子隧道效应（MQT）及其在量子计算机中的应用进行了理论研究。今年，我们围绕以下主题进行了研究。 [1] 我们分析了绝缘势垒/超导体界面处形成的零能束缚态（ZES）对宏观量子动力学的影响。结果表明，在绝缘势垒两侧形成 ZES 的结中，由于 ZES 到 ZES 的准粒子隧道效应，会发生非常强的欧姆耗散。因此，很明显，很难通过实验观察此类结点中的 MQT。 [2] 在 BCS 超导体和高温超导体之间的混合约瑟夫森结中建立了宏观量子动力学理论，并表明低能准粒子耗散的影响明显弱于高温超导体结。 。这表明混合结作为量子计算机具有高相干性。 [3] 我们已经开始与 AIST 的一个实验组就 Bi2212 固态约瑟夫森结的 MQT 进行联合研究。他们成功地观察到了具有约 0.5K 极高交叉温度的 MQT。 [4] 我们构建了由铁磁绝缘体和多铁性材料组成的 Joseph-Fusson pi 结的宏观量子动力学理论。此外，在由π结组成的超导环中，自发形成量子二能级系统，使得实现不受外部场波动和准粒子耗散影响的理想量子比特成为可能。 [5] 我们使用路径积分量子蒙特卡罗方法评估了高温超导量子位器件的相干性。在高温超导结中，由于节点准粒子而发生超欧姆耗散，但随着耗散变得更强，我们通过大规模数值计算表明，会发生从相干相到非相干相的交叉。同时，明确了高温超导量子位器件相干运行的温度范围。

项目成果

Macroscopic quantum dynamics of pi-junctions with ferromagnetic insulators

铁磁绝缘体 pi 结的宏观量子动力学

• 发表时间: 2006
• 期刊: Phys. Rev. B 74
• 作者: S.Kawabata;S.Kashiwaya;Y.Asano;Y.Tanaka;A.A.Golubov
• 通讯作者: A.A.Golubov

量子コンピュータの原理と研究開発の現状

量子计算机原理及研发现状

• 发表时间: 2005
• 期刊: 電子通信情報学会誌 88・9
• 作者: K.Inomata;S.Sato;K.Nakai ima;A.Tanaka;Y.Takano;H.B.Wang;M.Nagao;T.Hatano;S.Kawabata;川畑史郎
• 通讯作者: 川畑史郎

Theory of Macroscopic Quantum Tunneling in High-Tc Cuprate

高温铜氧化物宏观量子隧道理论

• 发表时间: 2006
• 期刊: Physica C 437-438
• 作者: S.Kawabata;Y.Tanaka;S.Kashiwaya;Y.Asano
• 通讯作者: Y.Asano

Macroscopic Quantum Tunneling in a d-wave High-Tc Bi2Sr2CaCu2O Superconductor

d 波高温 Bi2Sr2CaCu2O 超导体中的宏观量子隧道

• 发表时间: 2005
• 期刊: Physical Review Letters 95
• 作者: K.Inomata;S.Sato;K.Nakai ima;A.Tanaka;Y.Takano;H.B.Wang;M.Nagao;T.Hatano;S.Kawabata
• 通讯作者: S.Kawabata

MQT observation in Bi2212 intrinsic Josephson junctions

Bi2212 本征约瑟夫森结中的 MQT 观察

• 发表时间: 2007
• 期刊: Physica C 460-462
• 作者: S.Kashiwaya;T.Matsumoto;H.Kashiwaya;H.Shibata;H.Eisaki;Y.Yoshida;S.Kawabata;and Y.Tanaka
• 通讯作者: and Y.Tanaka