一次元光格子中における 87Rb 原子の Rydberg ブロッケイドの実現
電気通信大学大学院 電気通信学研究科 量子・物質工学専攻
レーザー新世代研究センター 中川研究室 奥山大輔
1. 研究背景・目的

任意の原子間距離を得ることができる。

レーザー冷却技術によって少数個の原さらに、原子を一次元的に並べることで子を用意に冷却・トラップすることがで原子数に拡張性を持たせることができる

きる。そのようにして得られた原子の内ので将来的には複数個の原子間での量子部・外部状態を磁場やレーザーで操作す的演算を期待することができる。

ることで、原子の内部状態を量子ビットとして用いた量子的演算及び量子コンピュータの実現を目標としている。
古典コンピュータが 0 と 1 の離散的な

2. Rydberg 原子
Rydberg 原子とは主量子数 n が大きなRydberg 状態に励起された原子である。

ビットであるのに対し、量子コンピュー原子の軌道半径は n2 に比例するため

タでは個々のビットは量子状態(ベクトn=75 では軌道半径がおよそ 5600a0 となル)であり、重ね合わせ状態が許される。

るので非常に大きな双極子モーメントを量子コンピュータはこの重ね合わせ状態もつ。

を利用して量子並列計算を行う。実際に原子間に相関をもたせるために原子間任意の量子計算を行うためには、1 量子ビに働く相互作用を用いるが、中性原子のットのユニタリー変換(1 量子ゲート操作)

基底状態間に働く相互作用はとても小さと 2 量子ビットの C-NOT ゲート(2 量子く、数 100nm オーダーまで近づけないとゲート操作)があればよいことが知られて十分な相互作用を得ることができない。

いる。これらのことから、量子コンピュ

しかし、Rydberg では大きな双極子－双ータの実現には、任意に操作可能な量子極子相互作用が働くため、μm オーダービット(量子二準位系)と量子ビット間のでも十分な相互作用を得ることができる。

量子的相関が必要不可欠となる。さらに

図 1 のように原子が Rydberg 状態に励は実用的な意味で量子計算を行うには、起すると双極子－双極子相互作用によっ1000 ビット程度が必要になると言われてて近傍にある原子のエネルギー準位がシいるため、量子ビットには拡張性が求めフトする。励起に用いるレーザーの線幅られる。

がエネルギーシフトによって近傍にある

そこで私は光双極子トラップによる一原子の Rydberg 状態への励起が阻害され次元光格子中での量子的相関の観測を目る。これを Rydberg Blockade と言い、こ標として研究を進めてきた。の効果を用いることで原子間に相関をも一次元光格子を利用する利点として、格子間距離が原子の間隔に相当するためたせる。

図 3 一次元光格子

格子の間隔は波長 1064nm のレーザーを対向させて配置する場合、λ/2~0.5μm
図1

Rydberg Blockade イメージ図となる。しかし、図 3 のように cooling
光と repump 光を照射した状態で一次元3. 定在波型光双極子による一次元格子格子中の原子の蛍光を観測したところ図磁 気 光 学 ト ラ ッ プ (MOT) に よ っ て 冷

4 のように格子間隔より広がって原子が却・捕獲した原子を保存力である光双極分布されることが確認された。そこで、子トラップ(FORT)に移行して Rydberg

最近接原子間を原子間距離と定義し、原状態への励起を行う。本実験ではガウシ

子間距離についてのヒストグラムを取っアンビームを対向させることで生じる定た(図 5)。3μm 以下の部分は空間分解能

在波(一次元格子)型ポテンシャル中に原の影響で原子間距離が判断できなかった子をローディングしている。レーザーは部分ではあるが、5μm で頻度が高くなる

波長 1064nm の YAG レーザーを使用してことがわかる。 次に、原子間距離 3μmおり、ポテンシャルは図 2 のようになっ以下での空間分布を確かめるために原子ている。(beam waist:5μm、power:2W、の蛍光強度についてのヒストグラムを取z:ビームの進行方法、r:動径方向)った(図 6)。

図2一次元格子のポテンシャル

図 4 一次元格子中の原子の空間分布

図 5 原子間距離についてのヒストグラム

図7

図6

蛍光強度についてのヒストグラム

Collisionla Blockade イメージ図

図 4 の○印(3×3pixel)の部分で蛍光強することによって同一格子に 2 つの励起度について積分し、ヒストグラムをとっ状態の原子がローディングされた際に、た。別の解析からバックグラウンドの蛍衝突によって加熱されトラップから外れ光強度の平均が 0.66a.u と得られており、るというものである。

原子の数が蛍光強度で離散化されていることがわかる。この 2 つの解析結果から

4. Rydberg 励起光源の狭線幅化

我々が使用している一次元格子では各ポ先にも述べた通り Rydberg 励起に用いテンシャル中で原子がそれぞれ 1 つずつる光源は双極子－双極子相互作用によりローディングされていると考えることが周波数シフトよりも線幅が狭いレーザーできる。我々は一次元格子中で Collisinalを使用しなくてはならない。さらに、原Blockade(図 7)[1]が起こると想定してい子を Rydnerg 状態に励起する際のパルスたため、それを裏付ける結果となった。

時間の逆数より線幅を狭くする必要があ(Collisional Blockade とは、一次元格子る。そこの二点の要請から Rydberg 励起中の励起状態の原子が格子間をドリフト光源である probe 光と blue 光の線幅の合計を 250kHz 以下にすることを目標に狭狭線幅化には PDH 法(図 10)を用い、制御帯域を広げるために low-pass filter か線幅化を行った。
狭線幅化をするにあたって probe 光はら出た信号の一部を位相補償フィルター

cooling 光とのビートシグナル(図 8)をフを介して LD にフィードバックした。位ォトディテクターで検波し、blue 光は基相補償フィルターの設計に関しては改善本波である 960nm 光を自己遅延ヘテロ前の probe 光と 960nm 光のノイズを RFダイン法によるビートシグナル(図 9)を検スペクトルアナライザによって測定し、波してそれぞれの線幅を測定した。測定

発振しかけていた部分の位相をプラスし

結果より probe 光の線幅は 500kHz、blueた。また、PDH 法には表 1 に示す共振器

光の線幅は基本波の線幅 125kHz の二倍を用いた。blue 光に関しては前実験者がである 250kHz と見積もることができた。

製作した SHG 生成用の共振器[2]を使ったので分解能は高くない。

-20

probe - cooling beat signal-25 175 177 179 181 183 185 187 189

Power [dBm]-30-35

結果として probe 光の線幅は 25kHz、blue 光の線幅は 125kHz まで狭さく化す

Frequency [MHz]ることができ、probe 光と blue 光の線幅

Line width= 1M/2 =500k[Hz]の合計を目標であった 250kHz 以下にで1MHz-40-45きた。

-50-55-60-65

図8Power [dBm]-50-55 79-60-65-70-75-80-85-90-95-100

probe – cooling ビートシグナル

960nm beat signal
79.580250kH80.581Frequency [MHz]line width= 250k/2= 125kHz

図 9 自己遅延ヘテロダイ法による 960nm 光
ビートシグナル
1km のファイバーを使用したので分解能は 200kHz である。

図 10PDH(Pound-Drever hall)法

表1PDH 法に用いた共振器の性能

FSR [GHz]

Finesseprobe

1.5200blue

0.86

38

5. Rydberg 励起の観測

図 11 実験系

図 12 Rydberg 励起のタイムシーケンス

実験系は図 11 に示す通りで、ガラスセを Rydberg 状態へと励起するタイムシー

ル内の 87Rb 原子の蛍光を CCD カメラとケンスは図 12 となっており、始状態と終APD で観測している。CCD カメラでは状態の原子数を APD によって確認する

主に原子の空間分布を APD では原子のことで励起確率を観測している。Rydberg数をリアルタイムに観測している。原子状態に励起された原子は一次元格子で再トラップする際に正のポテンシャルを感じることでイオン化されトラップから外

6. まとめと今後の展望
今回の研究で私が主に行ったものは
1. Rydberg 励起光源の狭線幅化れ、蛍光が観測されなくなる。
Rydberg 励起の確率を精度よく観測す

2. 一次元格子中の原子の空間分布の解析るためには一次元格子への再トラップの3. 一次元光格子中における単一原子の確率が重要となるが、およそ 90%の確率

Rydberg 励起で再トラップされる(図 13)ことを確認しの 3 つである。

た。

1 については目標であった 250kHz(probe

その条件でバイアス磁場によるゼーマと blue の合計)を上回る 150kHz まで改ンシフトを打ち消すように 780nm の離善することができた。この光源を用いて調を変調させて原子を Rydberg 状態へとRydberg Blockade を観測し、先行研究に励起させた(図 14)ところ、約 70%の確率おける結果と比較する必要がある。

で Rydberg 状態への励起が確認できた。

2 については原子間距離と蛍光強度についてヒストグラムを取り、評価することで一次元格子中の原子が Collisional Blockadeによって各格子中にそれぞれ独立にトラップされているであろう結果が示せた。
3 については一次元光格子中にトラップされた原子が Rydberg 状態に励起されたことが観測された。これを足掛かりとして、1原子、2 原子のラビ振動を観測していきたい。
さらに、チャンバーの上から波長 785nmのレーザーを交差して入射することで一次

図 13

元格子の間隔を広げて CCD カメラでの観一次元格子への再トラップ測精度の向上などを模索している最中であ1る。

P(ground)

0.8

参考文献

0.6

[1] N.Schlosser‘’Collisional Blockade

0.4

in Microscopic Optical dipole Traps’’

0.2(2002)PRL89 023005[2] 渡 辺 智 貴 、 修 士 論 文 「 Rb 原 子 の0-5-4-3-2-1780nm detuning [MHz]図 14

Rydberg 状態への励起

0Rydberg ブロッケード実現のための高出力・高安定化 480nm 光源の開発」