光共振器中のルビジウム原子を用いた単一光子発生に向けた実験系の構築
丹治研究室
電気通信大学松山佳生

レーザー新世代研究センター

１． 研究の目的

Rydberg 状態を使って行う。Rydberg

光子は高速で移動する性質があり、状態にある原子は大きな双極子モーメ

現代では光ファイバーなどの通信手段ントを持つため、Rydberg 原子間の強として利用され、情報伝達には最適ない双極子相互作用によってある範囲内ものである。そのため、従来の技術のでは、一つの原子のみしか Rydberg 状限界を打ち破ることが期待される量子態にあげられないという性質

情報通信[1]においても光子が通信媒（Rydberg blockade）がある。この性質体としての最有力候補である。量子情を利用し、単一の Rydberg 励起状態を報通信・処理技術においては光の量子単一光子に変換するという手法による状態制御が重要な役割を担う。我々の単一光子発生を目指している。

研究室では、光の量子状態制御の重要まず単一光子発生に向けて共振器のな要素として、高効率な単一光子発生設計を行った。単一光子を cavity modeを目指している。ここで単一光子といから取り出す確率𝑃spは、うのは、特定の空間モードである時間幅で観測したときに必ず 1 個のみの光子がいるような状態のことである。
本研究の目的は、単一光子発生に向けた光共振器と冷却原子集団の作製で𝑃sp =𝑁𝜂
1×′
1 + 𝑁𝜂 + 𝑁 𝜂 1 + 𝑁 ′ 𝜂と表せる。ただし、𝑁は blockade 範囲内の Rb 原子数、𝑁 ′ は blockade 範囲外4𝑔 2ある。以下でこれらの実験系の構築にの Rb 原子数、𝜂 = 𝜅𝛾 は協働パラメーついて述べる。

タである。協働パラメータは原子と光子の結合の強さを表す[2]。ここでは簡単のために𝑁 ′ = 0とする。𝑃sp > 99 %２． 共振器の設計にしたいとすると、

�𝑁𝜂 ≳ 100

Rb原⼦雲��となる。

480 n m単一光子を単一空間モードに取り出Blockade範囲すためには、cavity の片側から取り出780 n m

図 1 共振器す必要がある。そこで透過率の異なる2 枚のミラーを用いた非対称な FabryPerot 共振器を考える。光子を取り出単一光子発生は、ルビジウム原子のす方のミラーの透過率を𝑇1 、もう一方のミラーの透過率を𝑇2 とすると、光子が片側のミラーから出る確率𝑃ss は
𝑃ss =

𝑇11
≃1−
𝑇1 + 𝑇2αとなる。ただし、α ≡T1𝑇2である。この時、パワー透過率𝑇tot は、𝑇tot =𝑇1 𝑇242 =α𝑇 + 𝑇2(𝐿 + 1)2と必要な原子密度𝑛は𝑛 > 2.1×1011 /cm3となる。これは圧縮磁気光学トラップ(cMOT)で実現可能な値である[3]。
以上から、高効率な単一光子源作製のための原子集団は cMOT により実現可能であることが分かったので、以下では磁気光学トラップ（MOT）実現に向けた実験系の構築について述べる。となる。この 2 式から最適なαの値を３． 磁気光学トラップ(MOT)の実現に向け検討した結果α = 100とする事にした。

たアンチヘルムホルツコイルの設計

ここから

MOT はドップラー冷却と四重極磁𝑃ss ≃ 99 %, 𝑇tot ≃ 4 %場を利用して行う。ドップラー冷却はが得られるので、ミラーのロスを原子がレーザー光を吸収するときに起10 ppmとしてそれぞれの透過率をこるドップラーシフトを利用して原子𝑇1 = 1000 ppm, 𝑇2 = 10 ppmを冷却する手法である[4]。と見積もった。以上のことから光子をCavity の片側から取り出せる確率𝑃𝑓 は𝑃f = 𝑃sp ×𝑃ss > 98 %となる。これらの結果から最低限必要な原子密度を算出していく。ミラーの透過率、ロスの値からフィネスℱはℱ ≃ 6300
原子の共鳴を考慮したときの共振器長

図 2 ドップラーシフト

及びミラーの曲率半径は、
𝐿 = 44 mm, 𝑅 = 50 mmとなり、ビームウエストは四重極磁場を利用することでレーザーの偏光によって原子が受ける力に位𝑤0 ≃ 79 μm

置依存性を持たせることができる。ことなる。得たパラメータを協働パラメの時、磁場を発生させるためにはアンータに代入するとチヘルムホルツコイルが必要となる。

𝜂=24ℱ ≃ 0.12𝜋𝑤02 𝑘 2

アンチヘルムホルツコイルとは、半径a の 2 つのコイルを 2a の間隔に設置しとなる。𝑁𝜂 ≳ 100より、逆向きに電流を流したものである。今𝑁 ≳ 833 個回は20 Aの電源（KIKUSUI, PAN 60-である。Blockade 半径を10 μmとする20 A）を使用し、コイル同士の中間点において最大20 G/cmの磁場勾配をかける必要があるため、この時に必要となるコイルの巻き数を求めた。半径𝑎の𝑁巻き円形コイル（電流𝐼,円の面積𝑆）がコイルの中心軸上で中心からの距離𝑟の位置に作る磁場は、ビオ・サバールの法則から
𝐵(𝑟) =𝜇02𝜋𝐼𝑆3𝑁(𝑟 2 + 𝑎2 )2となる。コイルの中心の中間点を原点
O とする（図 3）と、２つのコイルが

図 3 アンチヘルムホルツコイル
４． MOT 用の真空系の構築
今回、MOT はガラスセル内に設置

つくる磁場は、した共振器中で作製する。そのため、

𝐵total (𝑟) = 𝐵(𝑟 + 𝑎) + 𝐵(𝑟 − 𝑎)

ガラスセルを超高真空状態にするため=+𝜇02𝜋 ((𝑟𝜇02𝜋 ((𝑟−𝐼𝑆3𝑁+ 𝑎)2 + 𝑎2 )2𝐼𝑆

3𝑁− 𝑎)2 + 𝑎2 )2となり、これから𝑟 = 0における磁場勾𝑑𝐵(0)配 𝑑𝑟 を導出すると、
𝑑𝐵(0) 3√2 𝜇0 𝐼𝑆=𝑁𝑑𝑟8 𝜋𝑎4となる。

𝑑𝑟

そこで MOT を実現するためにガラスセルや Rb 供給源、イオンポンプといった様々な機器をすべて接続できるような構造を既製品で構築した。その上で、高真空の妨げとなるチャンバー内の不純物を排気するためにベーキングを行った。真空チャンバー全体にヒモ状のヒーターを巻き、その上からアルミホイルを何重にも重ねて温めた。今𝑎 = 0.05 m 、 𝐼 = 20 A 、 磁 場 勾 配
𝑑𝐵(0)の真空チャンバーをつくる必要がある。

= 20 G/cmとして 1 個あたりのコ回はガラスセルを除いた装置全体に対して 1 週間かけて平均 270℃の温度でベーキングをした。現時点での真空度

イルの巻き数を求めるとはターボポンプのみの使用で室温にお𝑁 = 36巻

いて4.0×10−6 Paに到達している。今となった。したがって、それぞれ 36 巻

後はイオンポンプも合わせて最終的に以上のコイルを作製すれば、必要な磁10−8 Pa前半の真空度を目指していく。

場勾配が得られることがわかった。

持部材を設計し、製作した。さらに四重極磁場発生のために使用するアンチヘルムホルツコイルの設計では必要なコイルの巻き数を算出し、一つのコイルにつき 36 巻が必要であるということがわかった。今後はさらに詳細なパラメータを導出し、実際に cavity の製作を行っていく予定である。また、タ
図 4 真空チャンバーーボポンプでの排気で得た真空度は十

上記と並行して 3D CAD ソフトを分なものではないため、今後は排気を用いて、真空チャンバーを安定的に支よくするために再度ベーキングを行い、える保持部材を設計、製作をした。

MOT に必要な真空度を得るのが目標である。
６． 参考文献[1] NICT 国立研究開発法人 情報通信研究機構 HP（http://www.nict.go.jp/quantum/index.html）

図 5 3DCAD で設計したチャンバー[2] Erwan Bimbard. et al.,“Homodyne Tomography of aSingle Photon Retrieved on
Demand from a Cavity-Enhanced
Cold Atom Memory”Phys. Rev.
Lett. 112, 033601 (2014)[3] Wolfgang Petrich,et al.,“Behavior of atoms in a

図 6 設計・製作した保持部剤

compressed magneto-opticaltrap”J. Opt. Soc. Am. B 11, 1332-

５． まとめ展望1335 (1994) .

実験を行うために必要な cavity の[4] Christpher J. Foot，”Atomic

様々なパラメータを導出した。最終的

Physics”（OXFORDに得た必要な原子密度は cMOT で実UNIVERSITY PRESS、2011）

現可能な値であることがわかった。次に MOT の真空機器の配置を決め、それらの機器を安定に固定するために保