量子情報を磁性材料から超伝導回路へ伝達するハイブリッド回路を開発(From spin wave to superconducting circuit: A one-way street for quantum information)

2026-10-13 アルゴンヌ国立研究所(ANL)

米国アルゴンヌ国立研究所(ANL)とイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校などの国際研究チームは、磁性体中を伝わるスピン波と超伝導回路を結合したハイブリッド量子デバイスを初めて実証した。研究成果は学術誌 Physical Review Letters に発表された。スピン波は磁性体内の電子スピンの集団的な振動であり、情報を運ぶ媒体として利用できる。研究チームは、低エネルギー損失で知られるイットリウム鉄ガーネット(YIG)の薄膜上に超伝導共振回路を直接形成し、伝搬するスピン波が回路内にマイクロ波を励起する構造を実現した。これにより、スピン波とマイクロ波の強い結合を実現するとともに、両者が形成するハイブリッドモードで一方向の信号伝搬を可能にした。従来の一様な磁化運動を利用する方式とは異なり、薄膜中を伝搬するスピン波を活用することで、信号の逆流や不要なノイズの抑制に役立つ小型オンチップ・マイクロ波アイソレータへの道を開く。材料面では、低温でマイクロ波を吸収する希土類元素を含む基板を避けることが重要だった。本成果は、量子コンピューターや量子情報処理回路の高効率化に向けた基盤技術となる可能性があるが、実用システムへの統合にはさらなる検証が必要である。

量子情報を磁性材料から超伝導回路へ伝達するハイブリッド回路を開発(From spin wave to superconducting circuit: A one-way street for quantum information)
Two layers of the device are shown separately to clarify the coupling between them. Spin waves in the thin film excite microwaves in the L-shaped superconducting circuit. The microwaves then travel to the rest of the device through the path indicated by the wavy arrows. (Image: Yi Li/Argonne National Laboratory)

<関連情報>

超伝導共振器における伝搬スピン波とマイクロ波光子の強い結合 Strong Coupling between Propagating Spin Waves and Microwave Photons in a Superconducting Resonator

Yi Li, Jinho Lim, Xingzhi Wang, Tomas Polakovic, Carissa Kiehl, Moojune Song, Phuoc Cao Van, Ralu Divan, Ulrich Welp et al.
Physical Review Letters  Published: 10 September, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/8t91-w9nn

Abstract

We demonstrate strong coupling between propagating spin-wave modes and microwave photons in superconducting resonator-magnetic thin film hybrid circuits. By fabricating the resonator directly on yttrium iron garnet thin films grown on rare-earth-free Y3⁢Sc2⁢Ga3⁢O12 substrates, we achieve strong coupling of both Damon-Eshbach and backward-volume spin-wave modes to the resonator, with coupling strengths exceeding both the magnon and photon damping rates. Furthermore, we observe nonreciprocal spin-wave radiation of the hybrid magnonic mode in the Damon-Eshbach configuration, highlighting the potential for incorporating intrinsic spin-wave nonreciprocity into hybrid magnonic systems. These results open new avenues for integrating spin-wave magnonics with cavity magnonics and for harnessing spin waves for potential applications in quantum information science.

0403電子応用
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