“光を止めて操る” 人工原子を開発

小さすぎる原子の壁――超伝導が導く突破口

量子の世界で扱われる「原子」や「分子」は、通常とても小さく、電子顕微鏡や特殊な観測手段を使わなければ目にできません。

また、自然に存在する原子や分子は、そのエネルギー状態（電子がとりうる軌道や遷移周波数など）が生まれつき決まっているため、自由に変えるのは極めて困難です。

これまでの量子実験や量子コンピュータの研究では、こうした“自然の原子”に何とか手を加えたり、工夫をこらしたりして利用してきましたが、制御の難しさや実験条件の厳しさが大きなハードルとなっていました。

そこで注目されているのが、抵抗がゼロになる超伝導状態を利用した「人工原子」です。

人工原子とは、超伝導状態の電気回路を使って、まるで“自然の原子”のような性質を再現したものです。

自然界の原子は、電子がとりうるエネルギーの階段（離散的なエネルギー準位）が決まっていますが、人工原子ではこのエネルギー階段を「回路の設計」や「外部からの磁束制御」で自由に調整できるようにしているのです。

具体的には、ジョセフソン接合（超伝導体を極薄の絶縁膜で挟んだ素子）やコンデンサ、コイルなどを配置し、電流が超低温環境で抵抗なく流れるように工夫します。

このとき電子同士が量子的に結びついた“クーパー対”（超伝導を担う電子ペア）が形成され、自然の原子における電子軌道のように離散的なエネルギー準位をつくり出すのです。

自然の原子は、エネルギーの階段があらかじめ決められているため、「もう少し階段の幅を広く（あるいは狭く）したい」と思ってもほとんど調節はできません。

一方、人工原子は回路パラメータや外部磁場を変えることで、エネルギー準位の間隔を大きくしたり小さくしたりできるという大きな特徴があります。

今回の研究では、この特性を利用して複数（5つ）の人工原子を異なる周波数に設定し、一斉にマイクロ波を吸収して再放出するタイミングを精密にコントロールしています。

さらに重要なのが、人工原子を結合させる“超伝導共振器”の存在です。

共振器は、特定の周波数で電磁波を行き来させる装置で、マイクロ波の光子（エネルギーのかたまり）を効率よく出し入れする舞台となります。

人工原子と共振器を一緒に設計すると、光子が行き来するルートと、人工原子が受け取るエネルギーのルートが結びつき、マイクロ波をためておけるうえに、その放出の仕方を好きなように制御できるというわけです。

自然の原子では考えにくいほど柔軟に「エネルギーの階段」と「光とのやり取り」を操れる――それが、この人工原子の最大の強みなのです。