(57)【要約】【課題】ポテンシャル極小点にトラップした中性原子の各々を区別する。【解決手段】モット絶縁状態にある光格子ポテンシャルに対して、波数ベクトルの比が有理数となる別の光ポテンシャルを重畳することにより、原子ａが詰まっていない空の光ポテンシャル極小点ｅを周期的に有する光超格子を製造する。この重畳の際に、光格子ポテンシャルと別の光ポテンシャルとの強度比の調整を断熱的に行う。モット絶縁状態にある３次元光格子ポテンシャルに原子ａが捕捉されている状態（図１（ａ））から、光超格子に原子ａが捕捉されている状態（図１（ｄ））まで滑らかに変化させることで、光超格子を実現する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子が詰まっていない空の光ポテンシャル極小点を周期的に有することを特徴とする光超格子。
【請求項２】
請求項１記載の光超格子において、
１つの軸方向に２個の原子と１個の前記空の光ポテンシャル極小点とを繰り返し有することを特徴とする光超格子。
【請求項３】
モット絶縁状態にある光格子ポテンシャルに対して、波数ベクトルの比が有理数となる別の光ポテンシャルを重畳することにより、原子が詰まっていない空の光ポテンシャル極小点を周期的に有する光超格子を製造することを特徴とする光超格子の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の光超格子の製造方法において、
前記光格子ポテンシャルの１つの軸方向の波数ベクトルをｋとするとき、前記軸方向の波数ベクトルが（３／２）ｋの前記別の光ポテンシャルを、前記光格子ポテンシャルと偏光方向を合わせて重畳することにより、前記軸方向に２個の原子と１個の前記空の光ポテンシャル極小点とを繰り返し有する光超格子を製造することを特徴とする光超格子の製造方法。
【請求項５】
請求項３又は４記載の光超格子の製造方法において、
前記重畳の際に、前記光格子ポテンシャルと前記別の光ポテンシャルとの強度比を調整することを特徴とする光超格子の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の光超格子の製造方法において、
前記光格子ポテンシャルと前記別の光ポテンシャルとの光強度の和が一定となるように前記強度比を調整することを特徴とする光超格子の製造方法。
【請求項７】
請求項５又は６記載の光超格子の製造方法において、
前記強度比の調整を断熱的に行うことを特徴とする光超格子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子コンピュータ等に応用が可能な、中性原子の運動を制御する技術に係り、特に中性原子の制御に用いる光超格子及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在の半導体素子を用いたコンピュータは、エネルギー損失や集積度の限界のために、処理能力の頭打ちが危惧されており、また複数個のコンピュータを並列に動かしたとしても、計算速度には限界がある。そこで、この両方の問題を克服できる可能性のあるものとして期待されているのが量子コンピュータである。
【０００３】
従来、量子コンピュータを構成する基本単位である量子ビット（ｑｕｂｉｔ）としてイオンや核磁気共鳴（ＮＭＲ）を用いたものでは、高々８個程度のｑｕｂｉｔを実現するに止まる状況であるが、中性原子を用いれば、１０００個以上のｑｕｂｉｔを作ることができると考えられる。電荷を持たない中性原子の運動を制御することは長らく困難であったが、近年のレーザー冷却技術の発展により、中性原子の運動を制御することが可能となった。
【０００４】
多数のｑｕｂｉｔを配列する方法としては、中性原子を光格子のポテンシャル極小点にトラップする方法があり、中性原子を等間隔に並べた光格子が提案されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。
【０００５】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【非特許文献１】M.Greiner，O.Mandel，T.Esslinger，T.W.Hansch，and I.Bloch， 「Quantum phase transition from a superfluid to a Mott insulator in a gas of ultracold atoms」，NATURE，2002，vol.415，p.39〜44
【非特許文献２】O.Mandel，M.Greiner，A.Widera，T.Rom,T.W.Hansch，and I.Bloch，「Coherent Transport of Neutral Atoms in Spin-Dependent Optical Lattice Potentials」，PHYSICAL REVIEW LETTERS，2003，vol.91，number１，p.010407-1〜010407-4
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１、非特許文献２に開示された技術では、光格子内の中性原子の各々を区別することができないという問題点があった。この問題は、ｑｕｂｉｔを実現する上での大きな障害となっていた。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ポテンシャル極小点にトラップした中性原子の各々を区別することができる光超格子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の光超格子は、原子が詰まっていない空の光ポテンシャル極小点を周期的に有するものである。
また、本発明の光超格子の１構成例は、１つの軸方向に２個の原子と１個の前記空の光ポテンシャル極小点とを繰り返し有するものである。
【０００８】
また、本発明の光超格子の製造方法は、モット絶縁状態にある光格子ポテンシャルに対して、波数ベクトルの比が有理数となる別の光ポテンシャルを重畳することにより、原子が詰まっていない空の光ポテンシャル極小点を周期的に有する光超格子を製造するようにしたものである。
また、本発明の光超格子の製造方法の１構成例は、前記光格子ポテンシャルの１つの軸方向の波数ベクトルをｋとするとき、前記軸方向の波数ベクトルが（３／２）ｋの前記別の光ポテンシャルを、前記光格子ポテンシャルと偏光方向を合わせて重畳することにより、前記軸方向に２個の原子と１個の前記空の光ポテンシャル極小点とを繰り返し有する光超格子を製造するようにしたものである。
また、本発明の光超格子の製造方法の１構成例は、前記重畳の際に、前記光格子ポテンシャルと前記別の光ポテンシャルとの強度比を調整するようにしたものである。
また、本発明の光超格子の製造方法の１構成例は、前記光格子ポテンシャルと前記別の光ポテンシャルとの光強度の和が一定となるように前記強度比を調整するようにしたものである。
また、本発明の光超格子の製造方法の１構成例は、前記強度比の調整を断熱的に行うようにしたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、原子が詰まっていない空の光ポテンシャル極小点を周期的に有する光超格子を用いることで、空の光ポテンシャル極小点との相対的な位置関係により、光超格子中の個々の中性原子を区別することができる。その結果、本発明では、同一種類、同一状態の原子のみで量子演算を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、原子が詰まっていない空の光ポテンシャル極小点を周期的に有する光超格子を用いることで、個々の原子を区別することを特徴としている。以下、本発明の実施の形態の光超格子の製造方法について説明する。まず、３次元の光格子ポテンシャルを、４本以上のレーザー光を交差させて生成する。近年最も良く用いられるのは、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸において、対向する３組の直線偏光により定在波を作り、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）各軸の偏光方向が直交するように（Ｙ，Ｚ，Ｘ）若しくは（Ｚ，Ｘ，Ｙ）方向とするように重ね合わせる方法である。
【００１１】
この３次元光格子ポテンシャルをボーズ凝縮体に断熱的に重畳することで、原子は光格子に充填される。このとき、充填されるボーズ凝縮体の密度によって、ポテンシャルの各極小点に充填される原子数は左右されるが、一般的には１よりも大きな値である。また、光格子ポテンシャルのポテンシャル障壁が小さい場合は、原子が各ポテンシャル極小点間を移動する超伝導状態にあるが、ポテンシャル障壁が高くなり、１つのポテンシャル極小点内に複数の原子が存在することによる原子間相互作用のエネルギーが、原子が各極小点間を移動するエネルギーよりも大きくなる場合、モット絶縁状態になる。
【００１２】
以上のようにして作られたモット絶縁状態は、各ポテンシャル極小点に１個の原子が充填された状態である。本実施の形態では、空間周波数ｆの３次元光格子中のモット絶縁状態を初期状態として、Ｘ軸方向に２個の原子が並んだ後に、１個の空の光ポテンシャル極小点が続き、更にまた２個の原子が並んだ後に、１個の空の光ポテンシャル極小点が続くというように、（有、有、無）の構造が周期的に繰り返される光超格子を製造する。
【００１３】
このような光超格子は、モット絶縁状態にある３次元光格子ポテンシャルに、光ポテンシャルの波数ベクトルの比が有理数となる別の光ポテンシャルを重畳することで製造できる。具体的には、空間周波数ｆの３次元光格子ポテンシャルのＸ軸方向の波数ベクトルをｋとするとき、Ｘ軸方向の波数ベクトルが（３／２）ｋ、すなわち空間周波数が（３／２）ｆの１次元光定在波ポテンシャルを、３次元光格子ポテンシャルの光定在波と偏光方向を合わせて重畳する。
【００１４】
この重畳の際に、３次元光格子ポテンシャルと１次元光定在波ポテンシャルとの光強度比を調整し、３次元光格子ポテンシャルの光強度を下げつつ、１次元光定在波ポテンシャルの光強度を上げる。この強度比の調整は、例えば３次元光格子ポテンシャルと１次元光定在波ポテンシャルとの光強度の和が一定となるようにする。また、この強度比調整の過程で、光格子内の原子がポテンシャル障壁を飛び越えることを避けるため、強度比の調整を断熱的に行う。
【００１５】
図１（ａ）〜図１（ｄ）に、以上の過程における原子の動きを模式的に示す。図１（ａ）〜図１（ｄ）の縦軸はポテンシャル、横軸はＸ軸方向の距離であり、ａはポテンシャルに捕捉された原子の位置を模式的に示し、ｅは原子が詰まっていない空の光ポテンシャル極小点を示す。図１（ａ）は初期状態、すなわちモット絶縁状態にある３次元光格子ポテンシャルに原子が捕捉されている状態を示し、図１（ｄ）は最終的な状態、すなわち本実施の形態の光超格子に原子が捕捉されている状態を示し、図１（ｂ）、図１（ｃ）は図１（ａ）の状態から図１（ｄ）の状態に至る途中の状態を示している。図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）、図１（ｄ）の順に滑らかに変化させることで、本実施の形態の光超格子を実現することができる。
【００１６】
図１（ｄ）に示すように、本実施の形態の光超格子は、Ｘ軸方向に（有、有、無）の構造、すなわち２個の原子と１個の空の光ポテンシャル極小点とが周期的に並ぶ構造を有する。この光超格子においては、隣接する２個の原子は、それぞれ空の光ポテンシャル極小点の右隣に位置するものと左隣に位置するものとに区別される。したがって、光超格子中の同一エネルギー、同一量子状態の原子であっても、空の光ポテンシャル極小点との相対的な位置関係により区別することができる。
【００１７】
図２は、本実施の形態の光超格子製造装置の構成を示すブロック図である。ここでは、空間周波数ｆの３次元光格子ポテンシャルを製造するための光として、波長７９８ｎｍのレーザー光を用い、空間周波数（３／２）ｆの１次元光定在波ポテンシャルを製造するための光として、波長５３２ｎｍのレーザー光を用いる。まず、空間周波数ｆの３次元光格子ポテンシャルの製造方法について説明する。
【００１８】
チタンサファイア（Ｔｉ：Ｓ）レーザー１は、波長７９８ｎｍのレーザー光を放射する。なお、図１では、Ｘ軸方向の１本の光路しか記していないが、３次元的な光格子のために、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向についても同様の光学系で、このレーザー１から分岐してレーザー光を発生している。音響光学変調器（ＡＯＭ）２は、チタンサファイアレーザー１から入射した光の１次回折光の回折強度を変調し、レーザー光の強度の安定化を行う。偏波保持シングルモードファイバ３は、ＡＯＭ２を出射したレーザー光を伝送すると同時に、空間モードを浄化するスペーシャルフィルターとしても機能する。ファイバ３を出射した光は、レンズ４とビームスプリッター５を通過する。このとき、ビームスプリッター５に入射した光の一部が反射され、光検出器６に入射する。ＰＩＤコントローラ７は、光検出器６の出力信号に基づいてＡＯＭ２を制御し、前述のように光強度の安定化を行う。
【００１９】
一方、ビームスプリッター５を通過した光は、ハーモニックセパレータ（ＨＳ）８に入射する。ＨＳ８は、波長７９８ｎｍの光と５３２ｎｍの光とを混合もしくは分離するために使用される。ここでは、ビームスプリッター５を通過した波長７９８ｎｍの光は、ＨＳ８を透過する。ＨＳ８を出射した光は、焦点距離１５０ｍｍのアクロマテックレンズ９に入射する。アクロマテックレンズ９は、光格子を作る点に、ビーム径１００μｍの焦点を結ぶために使用される。アクロマテックレンズ９を出射した光は、ＢＥＣ（ボーズ・アインシュタイン凝縮）ガラスセル１０に入射する。ＢＥＣガラスセル１０の内部は真空となっており、光の焦点で、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の光が互いに直交し、その交点にＢＥＣが生成されるようになっている。
【００２０】
ＢＥＣガラスセル１０を出射した光は、焦点距離１５０ｍｍのアクロマテックレンズ１１に入射する。アクロマテックレンズ１１は、ＢＥＣガラスセル１０内の焦点から広がる光を平行光線に戻すために使用される。アクロマテックレンズ１１を出射した光は、ＨＳ１２を通過し、圧電素子（ＰＺＴ）１４に接着された全反射ミラー１３に入射する。ＰＺＴ１４の長さを変えることで、全反射ミラー１３の位置を動かし、３次元光格子ポテンシャルの位置の安定化を行う。全反射ミラー１３で反射された光は、入射光と同じ光路を逆に進み、定在波ポテンシャルを形成する。そして、この反射光は直進してビームスプリッター５を通過するが、このときビームスプリッター５に入射した光の一部が反射され、光検出器１５に入射する。コントローラ１６は、光検出器１５の出力信号に基づいてＰＺＴ１４の長さを制御し、前述のように３次元光格子ポテンシャルの位置の安定化を行う。以上のようにして、ＢＥＣガラスセル１０の内部に、空間周波数ｆの３次元光格子ポテンシャルが生成される。
【００２１】
次に、全固体ＹＡＧレーザー１７は、波長５３２ｎｍのレーザー光を放射する。ＡＯＭ１８は、ＹＡＧレーザー１から入射した光の１次回折光の回折強度を変調し、レーザー光の強度の安定化を行う。偏波保持シングルモードファイバ１９は、ＡＯＭ１８を出射したレーザー光を伝送する。ファイバ１９を出射した光は、レンズ２０とビームスプリッター２１を通過する。このとき、ビームスプリッター２１に入射した光の一部が反射され、光検出器２２に入射する。ＰＩＤコントローラ２３は、光検出器２２の出力信号に基づいてＡＯＭ１８を制御し、前述のように光強度の安定化を行う。
【００２２】
ビームスプリッター２１を通過した光は、ＨＳ８に入射する。ＨＳ８は、この波長５３２ｎｍの光を反射する。ＨＳ８で反射された光は、アクロマテックレンズ９、ＢＥＣガラスセル１０、及びアクロマテックレンズ１１を通過して、ＨＳ１２に入射する。ＨＳ１２は、ＨＳ８と同様に、波長５３２ｎｍの光を反射する。ＨＳ１２で反射された光は、ＰＺＴ２５に接着された全反射ミラー２４に入射する。ＰＺＴ２５の長さを変えることで、全反射ミラー２４の位置を動かし、光ポテンシャルの位置の安定化を行う。全反射ミラー２４で反射された光は、入射光と同じ光路を逆に進み、定在波ポテンシャルを形成する。この反射光は、ＨＳ１２とＨＳ８で順次反射され、ビームスプリッター２１を通過するが、このときビームスプリッター２１に入射した光の一部が反射され、光検出器２６に入射する。コントローラ２７は、光検出器２６の出力信号に基づいてＰＺＴ２５の長さを制御し、前述のように光ポテンシャルの位置の安定化を行う。
【００２３】
以上のようにして、ＢＥＣガラスセル１０の内部で、空間周波数ｆの３次元光格子ポテンシャルに、空間周波数（３／２）ｆの１次元光定在波ポテンシャルが重畳される。２台のＡＯＭ２，１８の回折光強度を調整することで、７９８ｎｍと５３２ｎｍの光の強度を変え、光格子から光超格子へと断熱的に変化させることができる。
なお、波数ベクトルの比が有理数となる光定在波ポテンシャルは、複数の光を、その角度を調節して重畳させることによっても得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、中性原子の運動を制御する技術に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】空間周波数ｆの３次元光格子ポテンシャルに空間周波数（３／２）ｆの光定在波ポテンシャルを重畳したときの光ポテンシャルの変化及びポテンシャルに捕捉された原子の位置の変化を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る光超格子製造装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００２６】
ａ…原子、ｅ…空の光ポテンシャル極小点。
【図１】
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【図２】
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