量子物理学：回路量子電磁力学向けのしきい値動作ボロメーター
Nature 586, 7827 doi: 10.1038/s41586-020-2753-3
吸収された放射線の加熱効果に基づく放射線センサーは、一般に操作が簡単で入力周波数に関して柔軟性があるため、ガス検知、セキュリティー、テラヘルツ撮像、天体物理学的観測、医療応用において広く使用されている。最近は量子技術、特に量子力学的に動作する電気回路である回路量子電磁力学から、いくつかの重要な応用が出現している。この分野では、単一光子マイクロ波検出器や、特定のタスクでは古典的なスーパーコンピューターより優れた量子コンピューターが実現されている。熱センサーは、量子雑音が加わらず、よく使われている進行波パラメトリック増幅器よりも小型かつ単純で消費電力が約6桁少ないため、そうしたデバイスを改善できる可能性がある。しかし、熱センサーの速度が大きく向上し、雑音レベルが大きく低下しているにもかかわらず、時定数が数百ナノ秒でエネルギー分解能が10h GHz（hはプランク定数）のオーダーという回路量子電磁力学のしきい値を満たすボロメーターはこれまで実現されていなかった。今回我々は、このしきい値で動作し、雑音等価電力が既報の最低値に匹敵する30 zW Hz−1/2で、熱時定数が2桁短い500 nsに達するボロメーターを実験的に実証する。これらの値はどちらも同一デバイスで直接測定されており、熱量分解能として30h GHzという正確な推定値が得られた。これらの改善は、活性物質に、比熱が極めて小さい単層グラフェンを使用したことに起因する。200 nsという最小観測時定数は、超伝導キュービットについて報告されている約100 μsという位相緩和時間より大幅に短く、現在使用されている読み出しスキームの時間スケールに適合しており、これによってボロメーターへの回路量子電磁力学の応用が可能になる。
