冷却リドベルグ原子集団を用いた非線形量子効果
中川研究室

修士 2 年

千葉学

提出日 2017 年３月１0 日

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研究背景・目的

ることができる。

近年、単一光子を用いた量子暗号通信や量子コンピュータの研究が世界中で行われdipole-dipoleinteractionている。量子暗号通信では、単一光子を伝送するため、光子と原子集団との強い相関を持たせる量子中継器として、リドベルグ状態の原子を利用した単一光子スイッチング[1]や単一光子トランジスタ[2]の実現に向けた研究が行われている。
リドベルグ原子とは、主量子数𝑛が非常に大図 1

きい準位に励起させた原子のことである。

我々の研究室では、冷却 87Rb原子集団を

この特徴は原子核から遠い原子軌道を通る用いた量子メモリや単一光子スイッチングため、双極子モーメントが非常に大きい。の実現を目指している。そのための冷却原

そのため、リドベルグ状態の原子には、強い子集団を用意し、その原子集団で非線形量原子間相互作用𝑉𝑑𝑑 (𝑅)が働く。

子光学効果を観測することを目的に実験を𝑉𝑑𝑑 (𝑅) =⃗ 1 ∙𝜇⃗2
𝜇𝑅3−⃗ −𝜇⃗)⃗ 1 ∙𝑅⃗ 2 ∙𝑅3(𝜇𝑅5

リドベルグブロッケード効果行った。

(1)

本研究目的は MOT 内での強い単一光子

R は原子間距離、𝜇1 , 𝜇2 は双極子モーメントの非線形効果を観測するため、先行研究[3]である。の実験条件を参考に、Double-MOT を用い

図１にリドベルグブロッケード効果の原理て冷却原子を用意した。さらに原子数を評を示す。1 つの原子がリドベルグ状態に励価するため、吸収像の撮影し、原子数、原子起した場合、原子間距離が近く、その原子間密度、原子温度を評価した。

相互作用が強く働く領域では、数 MHz の2シフトが起こり、共鳴のレーザー光を照射

Double-MOT によるトラップしても、リドベルグ状態に励起することが2.1 Double-MOTできない。これをリドベルグブロッケード

本実験では、2 つの磁気光学トラップ効果といい、この効果が働く原子間距離を（MOT）を組み合わせた Double-MOT をリドベルグブロッケード半径という。この構築し、実験を行った。図 2 に Double-効果と電磁誘起透明化(EIT)を組み合わせ

MOT の概略図を示す。1st-MOT チャンることで、単一光子を原子集団にトラップ

バ内に直径 2mm の穴の開いたλ/4板と金することができ、さらに単一光子を生成す

ミラーを組み合わせ 1st 側チャンバ内に1張り付けることで、原子を 1st 側で MOT

グラム MATLAB を用いて評価した。

により予備冷却し、穴あき部分の光がプッシュ光として用いられ、さらに 2nd 側で再捕獲することで 2 次側の真空度を保ったまま実験を行うことができる。これによりバックグラウンドガスの衝突を避
図 4 吸収像撮影光学系けることができる。

以後の実験はこの吸収像撮影光学系を用い2nd-MOT

1st-MOTて実験をしている。
2mm2.4 Time-of-Flight 法/4板＋ミラー

図 2冷却原子の温度を測るためには、トラップ

Double-MOT 実験系概略図

された原子が開放された後に、マクスウェルボルツマン分布で拡がっていく。その広2.2 光学系

がり幅と開放時間の関係から、原子の温度

本実験には私が設計、作製した干渉フィを求めることができる。この手法を Time-ルタを用いた外部共振器半導体レーザー

of-Flight 法(TOF 法)という。図 5 の時間系

（ECDL）を 2 台用いて、飽和吸収分光法

列 で 実 験 を 行 っ た 。 離 調 を -15MHz 、による吸収線にレーザーを安定化させる

repump の パ ワ ー 8mW 、 磁 場 勾 配 をことでクーリング光とリパンプ光、観測の18.7G/cm に設定し、2nd-MOT に 40s かけためのプローブ光を用意して実験を行ってローディングした。

た。実験準位図を図 3 に示す。

開放時間をそれぞれ、0ms、2ms、4ms、6ms、8ms、10ms と変え、各 5 点データをとり測定を行った。

図 5
図 3

TOF 法実験時間系列

𝟖𝟕𝐑𝐛実験準位図

吸収像撮影による原子数評価

図 6 に TOF による撮影した各開放時間にまず、原子数、密度、温度を評価するため対する吸収画像を示す。また図 7 は、図 6

プローブ光の吸収画像撮影光学系(図 4)の吸収の中心座標からの𝑥軸方向の光学密を構築し、3 枚の撮影画像から計測プロ度（OD）を表したグラフである。また図 72.32

の赤い線は、実験結果のプロットに対して𝑘 𝑇

𝐵𝜎𝑟 (𝑡) = √𝜎𝑟2 (0) + 𝑚𝑡2

ガウシアンフィッティングを行った線である。

(2)𝑚 は原子の質量であり、𝑘𝐵 はボルツマン係数である。𝑡 は開放時間である。図 8 の青の実線と緑の実線は式(2)のフィッティングによって得られた曲線である。

図 6

開放時間と吸収画像

図 7

開放時間と OD の関係

図 8

図 7 より、ガウシアンフィティングに対しTOF 実験結果

この実験結果から、MOT 中の原子の温度は、てほぼ一致しており、計測に行われた実験

𝑥軸方向の温度𝑇𝑥 は 416±4 μK であり、𝑦軸系やプログラムが機能していることがわか方向の温度𝑇𝑦 は 407 ±5 μK であった。

る。

MOT 中の原子は約 410μK まで冷却されて開放時間と原子の広がりの関係をまとめたいることが分かった。これにより、原子吸収グラフが図 8 である。図 8 の上のグラフが画像から原子温度評価に成功した。

𝑥軸方向の原子の幅であり、下のグラフが𝑦更なる冷却と原子密度の向上を行うため軸方向の原子の幅を表す。各 5 点データをに偏光勾配冷却（PGC）と圧縮 MOT（C-とったが、プロットが多くの部分で重なっMOT）を行った。この実験の時間系列は図ていることから、各試行による測定誤差は9 に示す。前実験同様の条件で MOT にロー少ないと考えられる。原子の温度の関係式

ディングし、磁場勾配を上げることで、空間(2) でフィッティングすることで原子の温的に圧縮した。さらに、磁場を切り、クーリ度𝑇を計測した。

ング光の離調を上げることで偏光勾配冷却3を行った。以後は同様に画像を撮影した。開約 2 倍程度 C-MOT の効果が得られ、PGC放時間を 0ms から 14ms まで 2ms ずつ変の効果が得られていることがいえる。

え各 5 点データをとった。この実験結果を

表 1

偏光勾配冷却による変化

図 10 に示した。

しかし先行研究[]の密度1.0 × 1010 /cm3 に
図 9

偏光勾配冷却実験の時間系列は不十分であった。

3

光誘起脱離効果(LIAD)の検証

通常ディスペンサを用いてRb原子の密度を上げるが、この方法であると、水素や窒素などの不純物のバックグラウンドガスによる衝突により、MOT の原子数が減少してしまう。またディスペンサのローディングの応答が遅く、最適な条件に合わせることが困難であった。これらの問題点を改善するた
め、光誘起脱離効果(LIAD)を用いて改善を試みた。光誘起脱離効果とは UV－LED 光を照射することで、Rb 原子がチャンバやガラス表面から脱離する効果である。これによりチャンバ内の原子数が瞬時に増え、こ
図 10

偏光勾配冷却 TOF 実験時間結果

れにより不純物が生成することなく、効率よく MOT にローディングすることができ、この実験結果から、MOT 中の原子の温度は、原子数が増加する。図 11 に光誘起脱離効果

𝑥軸方向の温度𝑇𝑥 は 47±1 μK であり、𝑦軸方の概略図を示す。

向の温度𝑇𝑦 は 51 ±1 μK であった。
この結果、ドップラー冷却限界の 146μK 以下まで冷却が行われ、原子の温度が約 49μK まで冷却されているといえる。
この実験結果をまとめたのが表 1 である。
図 11

原子数が9.2 × 107 個から、4.4 × 107 個と減

1st 側のチャンバに対して、近紫外の LED

少しているが、密度が1.2 × 109 /cm3 から9光誘起脱離効果を取り付け、照射した。これにより、2nd が32.6 × 10 /cm に高くなっていることから、4

わ MOT の原子数が増加するか、また密度表 2

吸収画像の LIAD 実験結果が増加するのか、検証を行った。
蛍光量による原子数のリアルタイムの評価を図 12 に示す。黒線が LIAD を行わずにローディングした結果であり、赤線が LIADを行った結果である。その結果、飽和するト

この実験結果から、原子数が増え、OD が増ラップ原子数は9 × 108 個から、1.8 × 109個えていることがわかる。しかし密度の向上に増えていることがわかる。またローディみられなかった。

ングレートを傾きから求めると、5.8 × 107

LIAD を導入し、原子数の 2nd-MOT への個/s から1.2 × 10 個/sに向上した。
つまりロローディングの効率化を達成した。これにーディングレートが約 2 倍向上しているこ

より、ローディングにかかる時間が短縮さとがこの結果からいえる。また LIAD なし

れ、実験の効率化が期待される。

8の定常状態の原子数の到達する時間は約 64秒であり、MOT へのローディング時間の短縮につながることがわかる。

原子セル中での Rydberg-EIT の観測
冷却原子集団での Rydberg-EIT 観測の準備実験として、APD を用いた Rb セル中での EIT の観測を行った。この実験系を図 14に示す。
まず 780nm のレーザーを変調移行分光法で分光を行い、|5𝑆1/2 , 𝐹 = 2⟩ → |5𝑃3/2 , 𝐹′ =3⟩の遷移に安定化し、Rb セルに照射させた。
図 12

また 960nm のレーザーを波長計で欲しい

光誘起脱離効果の蛍光量評価

また図５の実験条件で吸収像観測を行った。

励起準位の波長に設定する。さらにテーパ

その結果が 図 13 である。これより蛍光量ーアンプで増幅し、第２高調波発生(SHG)による評価同様、原子数が増えていることさせることで、リドベルグ励起用の 480nmがわかる。表 2 に結果をまとめた。の光を用いて、この光をセル内で対向させるように入射させ、960nm のレーザーを掃引させることで EIT 信号を得た。周波数の較正を行うために、PDH 法で用いていた、960nm のレーザー光の EOM を 15.9MHzで変調し、共振器の透過光をモニタとして

図 13

吸収画像による LIAD 評価オシロスコープ上で同時に観測し、サイドバンドをたてることで、周波数を決定した。
図 15 に実際に励起させたリドベルグ準図を示す。
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APD では 1nW 程度のプローブ光までのEIT 信号を観測することができた。今後はこの光源と共振器を利用して 960nm のレーザーを安定化させる Transfer Cavity を行うことで、リドベルグ励起用の光源を用意する、さらに APD を用いて MOT 中での冷却原子の EIT の観測を試みる予定である。
図 145

Rydberg-EIT 観測実験系

まとめと今後の展望
本実験では Double-MOT を用いた実験系を構築し、実際に冷却原子集団を用意した。
さらに原子数評価のための吸収像撮影実験系及び、計測プログラムを作成し、評価を行った。さらに、実験系の MOT へのローディング効率の改善を図るため、光誘起脱離効果（LIAD）の検証を行った。その結果原
図 15

Rydberg-EIT 準位図

子数のローディング効率が 2 倍向上し、原観測結果が図 16 である。この結果から線幅子数の増加も見られた。しかし密度の増加

5MHz の中間準位|5𝑃3/2 , 𝐹′ = 3⟩からリドベは得られなかった。

ルグ準位の|54𝐷5/2 ⟩へのプローブ光が弱い

今後は更なる偏光勾配冷却、圧縮 MOT の50nW での EIT 信号を観測することができ最適な条件を探り、原子の冷却、高密度化をた。この信号の SNR は約 50 であり、APD目指す。そして冷却原子中の Rydberg-EITを用いることで高感度に観測することがでの観測を行い、単一光子レベルの量子非線きていることがわかる。また他の中間状態形効果の観測を行うことで、量子中継器や、からの EIT や、ほかのリドベルグ準位が理単一光子スイッチングの実現を目指す。

論と一致する周波数間隔で観測されている

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参考文献

ことから、正しく欲しい準位での EIT 信号[1] T. Peyronel et al., Nature 488, 57 (2012).

が観測されていることが分かった。

[2] Daniel Tiarks, et al., Phys. Rev. Lett. 113,053602 (2014)[3] J. D. Pritchard, et. al, Phys. Rev. Lett 105,193603 (2010)

図 16

Rydberg-EIT の観測結果
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