光マイクロトラップアレーへの単一原子ローディング効率の向上
中川研究室

1. 研究背景山口 裕介
高いローディング効率を実現する方法

近年、光子や原子などの量子の性質をとして光誘起衝突を利用してトラップ内利用した量子情報処理に関する研究が盛の原子を 1 個にする方法が最も一般的でんに行われている。古典的なコンピューある。これは、共鳴に近い光を照射し、ターでは計算が困難であった数学的問題トラップ内の原子ペアの衝突を誘起し、を解くことができる量子コンピューター、 原子ペアに運動エネルギーを与えられる自然界に存在する複雑な量子系を制御性ことを利用してトラップから原子を逃がの良い量子系を用いてシミュレートを行す方法である。従来の赤方離調光によるう量子シミュレーションなどが代表的な方法の場合、1 つの光マイクロトラップ内例である。に単一原子を用意できる確率が約 50%と我々の研究室では、光マイクロトラッなる。これは衝突過程で原子ペアに与えプ内の単一中性原子を用いて量子もつれられる運動エネルギーに制限がないため状態を持った原子を複数個生成し、量子である。この場合、例として 50 個のトラ情報処理への応用を目指おり、すでに光ップにすべて単一原子ローディングするマイクロトラップと空間光変調器(SLM)場合、その確率は(1/2)50 となる。対して、を組み合わせることで 50 個以上の光マ青方離調光による光誘起衝突を用いる方イクロトラップの形成に成功している[1]。 法は共鳴に対して青方離調した光を用いこれにより任意の配置に単一原子を用意る場合、原子ペアに与える運動エネルギすることが可能になった。しかし、形成ーの上限を離調の大きさによって決めるするトラップの数が増えるほど、すべてことができるため、離調を最適化するこのトラップに単一原子を用意できる確率とで単一原子を用意できる確率の向上をは減少する。すべてのトラップに高効率図ることができる。この方法を用いて他に原子を用意することは今後量子情報処グループでは約 90%の確率を実現した理への応用に向けて不可欠な要素である。 [2,3]。我々はこれまで青方離調光による光誘起衝突を利用して単一原子を用意できる確率の向上を図ってきたが、同確率は 62％程度にとどまっていた。今回、私はトラップの深さなどいくつかの改善を行い、さらなる単一原子を用意できる確率の向上を図った。
図 1 トラップされた原子の平均蛍光画像

2. 原理2.1.

2.2.

衝突ブロッケード

光誘起衝突

光マイクロトラップ内で起こりうる原子ロスには 2-0 ロス(a)、2-1 ロス(b)、1

光双極子トラップ内の原子を 1 個にする体ロスの 3 つの過程がある。2-0 ロス、ために我々は光双極子トラップの光にビー

2-1 ロス過程は光によって誘起された衝

ムウエストが約 1μm の非常に小さなトラッ突過程によるロスである。1 体ロスはバプ(光マイクロトラップ) を用いている。光マックグラウンドガスとの衝突過程によるイクロトラップ内の原子は原子間の距離がロス、あるいは温度上昇によるロスであ非常に小さくなり、トラップからの原子ロスはる。

衝突によるロスが支配的となる。
図 2 は赤方離調光下における MOT からトラップへのローディングレートとトラップ内原子数の関係を示した図である([4]より引用)。
𝜔0 = 0.7μm のときを見ると 𝑅𝑤 < 𝑅 < 𝑅𝑤の領域では、トラップ内平均原子数⟨N⟩ は上限を約 0.5 に制限される。これは、衝突レートが大きいため 1 個の原子がローディングされたトラップに 2 個目の原子がローディングされたとしてもすぐに 2-0 ロスが起こり、トラップ内の原子数が 0 個もしくは 1 個のみとなるためである。この効果は衝突ブロッケードと呼ばれている。

図 3 光誘起衝突による原子ロストラップ内への単一原子ローディング効率を向上させるためには 2-1 ロスが起こる頻度を 2-0 ロスのそれに対して大きく上回る必要がある。赤方離調光下では2-0 ロス、青方離調光下では 2-1 ロスが起こる確率が高くなるため、光誘起衝突を利用した単一原子ローディングには青方離調光を用いられる。
光マイクロトラップ内の原子の共鳴周波数に近い周波数のレーザー光を照射すると、励起状態 P の原子と基底状態 S の原子間衝突が支配的となる。図 3、4 のよ

図 2 ローディングレートに対するトラッ
プ内原子数

うに原子間距離が小さくなると引力ポテンシャルと斥力ポテンシャルの 2 つに分裂する。

2.1. 赤方離調光による光誘起衝突2.2. 青方離調光による光誘起衝突

図 4 のようにトラップ内の原子の共鳴

次に、図 5 のようにトラップ内の原子の周波数からΔだけ赤方離調した光をトラ

共鳴周波数からΔだけ青方離調した周波

ップ内の原子ペアへ照射した場合につい数の光をトラップ内の原子ペアへ照射して考える。このとき、原子ペアはた場合について考える。このとき、原子1⁄3で共鳴となり引力ポテンペアは𝑅𝑐 = (𝐶3 ℏΔ)1⁄3 で共鳴となり引力シャルへ遷移する。𝐶3 は励起された原子ポテンシャルへ遷移する。励起された原ペアは、ポテンシャルの坂を下り𝑅𝑠 で自子ペアは、初期運動エネルギー分だけポ然放出し|S + S⟩ へと遷移する。この遷

テンシャルを登ったのち、再び Rc に戻移は非弾性遷移なので、原子ペアにポテる。ここで誘導放出が起こる場合と Rc をンシャルの坂を下った分の運動エネルギ通り過ぎ、そのうち自然放出する場合がーが与えられる。この遷移により原子ペ考えられる。前者の遷移は弾性遷移で原アに与えられるエネルギーは通常、トラ子のペアに与えられるエネルギーはない。

ップの深さより十分大きく原子ペアは両対して後者の遷移は非弾性遷移なので、方ともトラップから逃げることになる。

原子ペアに Rc からポテンシャルの坂をこのことから、赤方離調光による光誘起下った分の運動エネルギーが与えられる。

衝突を用いると、トラップ内の初期原子

ここで重要なのがこの時のエネルギーは数が奇数個のときのみ 1 個の原子が残り、ℏΔ が上限となる点である。これにより離偶数個のときは 0 個となってしまうこと調の大きさΔで原子ペアに与えるエネルがわかる。よって、トラップ内に原子 1 個ギーを上限のみだが決めることができる。

𝑅𝑐 = (𝐶3 ℏΔ)

のみローディングできる確率は 1/2 となってしまう。

図 4 赤方離調光による光誘起衝突図 5 青方離調光による光誘起衝突

3. 実験系
3.1.

観測系の概略図を図 7 に示す。

光学系

本実験では磁気光学トラップ、光双極子トラップになどに必要な光、加えてプッシュ光や観測光、青方離調光などの光が必要となる。各光の周波数設定を図 6 に示す。
図 7 観測系
使用しているカメラは、Andor 社製「iXon Ultra 897」で画素数は 512×512、ピクセルサイズは 16×16μm である。原子からの蛍光を焦点距離 8mm のレンズと 200mm のレンズによってカメラの受光面に集光している。画素分解能は 0.64μm/pixel である。図 8 に示した画像はトラップ内の原子を 1000 回撮影して得られた 1000 枚の画像を平均化した画像で
図 6 各レーザーの周波数設定ある。この画像から図 9 のようなヒストグラムを作成し確率を求める。

本実験では、青方離調光として D1 ラインの F = 1 → F’= 2 から青方離調した光を用いている。外部共振器型半導体レーザーを光源とし、電流変調法を用いて D1ラインの F = 1 → F’= 2 の共鳴周波数に安定化している。
ポンプ光は、青方離調光照射時に基底

図 8 単一原子ローディング実験の CCD状態の F = 2 に原子が溜まり、青方離調より得られる平均画像光を吸収しなくなってしまうため、励起状態の F’ = 2 に励起するための光である。
3.2.

観測系

本実験では、光マイクロトラップ内の原子の蛍光を EM-CCD カメラで撮影し、トラップ内の原子数を測定することで単一原子ローディング効率を求める。

図 9 蛍光量ヒストグラム(1000 回測定)

4. 実験結果
4.1.

4.2.

トラップ内の光シフト測定

単一原子ローディングの高効率化

青方離調光による光誘起衝突を用いて、トラップ内の原子は、トラップ光によ光マイクロトラップ内に単一原子ローデって内部エネルギー準位に光シフトが生ィング効率の向上を図った。ポンプ光のじる。測定方法としては、トラップ内のパワーは 350μW に設定している。高効原子の共鳴に近い光をプッシュ光として率化実験の時間系列を図 12 に示した。測用いて、その周波数を掃引し最もトラッ定回数は 1 サイクルに 1 回で、これをプから原子が逃げる周波数を探すことで1000 サイクル行った。また、サイクル終光シフト測定を行った。トラップの数は 2了ごとにトラップ内の原子を初期化する個で行い、その結果を図 10,11 に示す。

ためトラップを開放し、共鳴光を当てた。

図 10 離調に対する原子残留確率

図 12 高効率化実験の時間系列

トラップ 14.2.1. 青方離調光のパワー依存性
まず、単一原子ローディング効率の青方離調光のパワー依存性について測定した。トラップの深さを 3.8mK、青方離調光の離調を 80MHz、照射時間を 200msに設定して測定を行った。図 13 よりピーク確率は 450μW で 76.3% となった。青方離調光のパワーが強いと輻射圧による加熱効果による原子ロスが生じる。対し図 11 離調に対する原子残留確率てパワーが弱いと加熱効果による原子ロトラップ 2スはあまり生じなくなるが、原子に与え電圧表記は光マイクロトラップのパワーるエネルギーが小さくなり原子ペアがトをモニターしているフォトディテクター

ラップから逃げず、観測時の赤方離調光の電圧値を示している。

による原子ロスにより確率が下がっていると考えられる。

4.2.3. 青方離調光の離調依存性
次に、単一原子ローディング効率の青方離調光の照射時間依存性について測定した。青方離調光のパワーや照射時間は最適化した値に設定して測定を行った。
図 14 より離調が 90MHz でピーク確率は82.2% となった。

図 12 青方離調光のパワー依存性
4.2.2. 青方離調光の照射時間依存性
次に、単一原子ローディング効率の青方離調光の照射時間依存性について測定した。トラップの深さを 3.8mK、青方離調光の離調を 80MHz、パワーを 450μWに設定して測定を行った。図 13 の結果を見ると MOT を切り青方離調光のみ照射

図 12 青方離調光の離調依存性されている 150ms 以降、確率は大きく上5. まとめ昇し、ピーク確率は 230ms で 77.9% と本研究では、青方離調光による光誘起衝なった。赤方離調光と青方離調光の差は 2突を用いて光マイクロトラップ内の単一個目の原子がトラップ内にローディング原子ローディング効率の向上を図った。

され、衝突が生じてい る 100ms から今回、トラップの深さを 1.5mK から200ms の間の確率の変化から確認できる。 3.8mK にし、青方離調光を D2 遷移からD1 遷移に変更を行い、また青方離調光の離調、照射時間、パワーを最適化した結果、82.2% まで向上することができた。

参考文献[1] Hikaru Tamura, et al., OE.24.008132(2016)

図 13 青方離調光の照射時間依存性[2] M. F. Andersen, et al., Laser
Phys. Lett. 10, 125501 (2013)[3] B. J. Lester et al., Phys. Rev. Lett.
115, 073003 (2015)[4] N. Schlosser et al., Phys. Rev.
Lett. 89, 023005 (2002).