研究概要

極低温リュードベリ原子を用いた超高速量子シミュレータ・量子コンピュータ

私たちは、これまでの研究(分子やバルク固体における波束干渉)で培ってきたアト秒精度の超高速コヒーレント制御技術を、全く異なる対象である極低温リュードベリ原子に適用し、新しいタイプのリュードベリ原子量子シミュレータ・量子コンピュータを開発しています。

リュードベリ原子とは、最外殻電子を非常に高いエネルギー(大きい主量子数n)へと励起した原子のことです。電子の波動関数の大きさはn2でスケールし、数100 nm以上にもなります。また、このような遠距離にあるリュードベリ電子と原子核が形成する電気双極子もまた大きくなり、2つのリュードベリ原子間には大きな双極子-双極子相互作用が生じるため、原子同士が数μm程度離れていてもお互いに相互作用するようになります。この相互作用は、主量子数nや原子間の距離を調整することで制御できます。

最先端のレーザー冷却技術トラップ技術を用いて、原子の位置や速度を極限まで制御することで極低温状態を作り出すことができます。リュードベリ原子間の双極子-双極子相互作用は、原子間の距離に非常に敏感であるため、量子物理学が許す限り極限まで原子の位置や速度の自由度を制御する必要があります。そこで、光で構成されたトラップ(=光格子や光ピンセット)を使って原子をトラップした後、原子を量子領域まで冷却して熱揺らぎを取り除きます。光トラップの底に閉じ込められた原子は、数10 nm程度の微小な量子揺らぎのみを持った状態となります。

私たちは、超高速で原子をリュードベリ状態へと励起する技術を持っています。リュードベリ原子を用いた従来の研究では、主にCW(連続波)レーザーを使って原子をリュードベリ状態へと励起しており、基底状態の電子とリュードベリ電子の波動関数の空間的重なりの小ささとレーザー光出力の限界に起因して、励起には通常0.1 μs程度の時間がかかります。これはリュードベリ電子の寿命(~100 μs)と比較すると高速ですが、リュードベリ軌道間のエネルギー差で決まる半径方向の電子の運動周期(~10 ps)の1万倍程度の時間がかかっていることになります。私たちは、パルスレーザー技術を用いてピコ秒という短時間にレーザー光強度を集中させることで、このギャップを解消し、リュードベリ状態の超高速励起を実現しました。さらに、スペクトル整形技術によりパルス時間を制御することで、複数のリュードベリ電子軌道の重ね合わせ状態を作り出し、リュードベリ電子波束を形成することも可能です。超高速化によって、強く相互作用しあうリュードベリ原子を使ったエキサイティングな新しい物理を探求することが可能になっています。

超高速・極低温リュードベリ量子シミュレータ・量子コンピュータ

上記の技術やアイデアを組み合わせることで、私たちは量子物理学の新しい領域を探求しています。技術開発から基礎物理の探索に至るまで、多様な疑問や課題に挑戦しています。

  • どのくらい高速に、原子を単一のリュードベリ状態へと励起することができるのか?リュードベリ電子波束状態をどのように利用することができるか?リュードベリ励起に特化した、より強力で安定したパルスレーザーを開発することができるか?
  • 光ピンセットを使って2つの原子をどこまで近づけることができるか?熱揺らぎを取り除いた後、トラップ中での原子の位置をさらに圧搾するにはどうすればよいか?
  • リュードベリ電子軌道が重なり合うほど接近した状態を作り出すことはできるか?生成後、この状態はどう時間発展するのか?金属の場合と同様に、リュードベリ電子が原子配列の上で非局在化することはあるだろうか?
  • どのくらい速く2つの原子が相互作用し、エンタングルメントを生成することができるか?生成したエンタングルメントをどれだけ正確に制御できるか?また、このエンタングルメントを利用して超高速量子ゲートを作ることは可能か?
  • どのようにして、数個から数万個に至る多数の相互作用し合うリュードベリ原子のダイナミクスを観測できるか?また、そのダイナミクスをどうモデル化することができるか?
  • 超高速量子シミュレータを、スケーラブルで高コヒーレンスな量子コンピュータへと拡張できるか?

これらの問いに答えるために、私たちは自らの手で一から3世代の実験装置を開発してきました。

【第1世代装置】
※ここに画像
図1. 第一世代装置の概念図:光双極子トラップ中の原子集団をパルスレーザーを用いてリュードベリ状態へと励起する。文献[1]より引用。

第1世代装置では、87Rb原子を磁気光学トラップで冷却し、光双極子トラップに移した後、平均原子間距離が1 μmの無秩序な原子集団を形成することに成功しました(図1)。ここでは、光双極子トラップを用いて発生させた強相関・極低温リュードベリ気体中の超高速・多体電子ダイナミクスを、超高精度コヒーレント制御技術によってアト秒スケールで観測・制御する事に成功しています [1]。

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