フォトンカウンティングによるリドベルグ状態での Rb 原子の EIT 信号観測
中川研究室 学部 4 年 須藤 慎
1 背景
近年、光や原子の量子力学的な性質を利という測定器を用いた。これは光子 1 個が用して古典力学では不可能な高速計算を可きたら、1 個の電気的パルス信号を出す機能にする量子コンピューターや理論上盗聴器である。これを用いて単位時間当たりの不可能な量子暗号といった研究が世界的に光子の数をカウントすることで単一光子レ行われている。量子暗号の研究には一定レベルの微弱な光でも測定が可能になる。

ートかつ必要な時に光子 1 個を出せる安定

この手法をフォトンカウンティングと呼的な単一光子源が必要になってくる。[1]ぶ。ここで問題になってくるのが微弱な光

最近、Thibault Peyronel の研究グループを測定することによる SN の劣化である。

によってリドベルグ状態の冷却原子集団となので今回は Rb セルの EIT 信号測定でのEIT(電磁誘導透明化)と呼ばれる現象を用

SN を評価して、今後行う予定の冷却原子

いて単一光子レベルの微弱な光での非線形集団に移行した場合でも問題なく同様の実効果が確認された。[2]リドベルグ状態とい験を行って SN 良く EIT 信号が観測できう高い励起状態する近傍の原子のリドベルるかの評価を行った。また SPCM から出グ状態への励起が抑制されるリドベルグブる TTL 信号を任意のゲート時間でカウンロッケードと呼ばれる現象が実証されたこ

トしてオシロスコープでリアルタイムにカとになる。リドベルグブロッケードの効果

ウント値を表示するカウント回路の作成をにより複数の原子がまるで一つの原子のよ行った。

うにふるまう集団励起状態の生成ができたことになり、これは量子暗号に必要な安定的単一光子源の開発に利用できる可能性がある。

３ リドベルグ状態
リドベルグ状態とは原子の中の電子が主量子数 n と大きな高いエネルギーの励起状態にあることをいう。このような原子をま2 本研究の目的
自分の研究は安定的な単一光子源の開発たリドベルグ原子と呼ぶ。主量子数 n が10 以上のリドベルグ原子は基底状態に比への前段階として、リドベルグ状態でのべて非常に大きな双極子モーメントおよびRb 原子セルの EIT 信号を光子一個レベル分極率を持つため、リドベルグ原子間にはの微弱な光で測定できる実験系の開発を目

以下式で表される相互作用が働く。

指した。しかし、このとき光子一個レベルの非常に弱い光だと、PD（フォトダイオ

𝑉𝑖𝑛𝑡 (𝑅) =(𝜇1 ∙ 𝑟)(𝜇2 ∙ 𝑟)
1 𝜇1 ∙ 𝜇2[ 3 −3]4π𝜀0 𝑅𝑅5ード）は熱雑音により、ほとんど検出する

𝜇1 と𝜇2 は各原子の双極子モーメントで、ことができないた代わりに APD を内蔵しR=｜r｜は原子間距離を表す。ｎ～70 のた SPCM(Single Photon Counter Module)

Rb 原子のリドベルグ状態を考えると、さきほどの相互作用の大きさは距離 R が 5µm

4 EIT(電磁誘起透明化)と離れていても周波数にして 10MHz 以上

EIT とはある物質に対して共鳴なプローにもなる。このためリドベルグ状態に共鳴ブ光およびその光とは別の特定な波長を持するレーザー光によって一個の原子が励起つコントロール光を同時に入射することでされると、その周辺 5µm 以内の他の原子の生じる量子干渉効果によりプローブ光の吸エネルギー準位が 10MHz 以上シフトし収が抑制されて、あたかも原子がプローブて、レーザー光の共鳴周波数から外れ、こ光に対して透明になったように見える現象の原子のリドベルグ状態への励起が抑圧さである。[3]れる。

先行研究では光双極子トラップで冷却した
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Rb原子集団にプローブ光とコントール光の二つの光を EIT 信号が観測できる条件で入射して、透過したプローブ光の測定を行ったところ、光のパワーを大きくしていくほど EIT による透過が減っていく単一光子レベルでの非線形効果が確認された。

図 1 リドベルグブロッケード効果
このような励起抑圧効果をリドベルグブロッケード効果と呼ぶ。リドベルグブロッケード効果によって、複数の原子があたかも一つの原子のようにふるまう集団励起状態ができて、安定的単一光子源や単一光子ス

図 3 先行研究の実験概要図

イッチングの開発への応用が期待されている。

この原因はリドベルグ状態によるエネルギー準位のシフトによって EIT の条件が満たされなくなったことが考えられる。よってリドベルグブロッケード効果による集団励起状態の生成が実証されたことで、リドベルグ原子の単一光子源の開発へ応用が期
図 2 単一光子生成のイメージ待されることになった。

5 カウンタ回路
今回測定で用いたのは SPCM という測定器で、これは光子一個がきたら TTL で電気的パルス信号を一個出す。自分は測定結果をオシロスコープでリアルタイムに結果を表示させるためのカウンタ回路を作成した。回路の概要を次の図に示す。

図 5 カウンタ回路実験の結果作成したカウンタ回路は１カウントする毎に約 0.31V 上がるように設定した。実験結果からカウント数に対しておおよそ設定通りの出力値を出すことが確認できた。以上
図 4 カウンタ回路の概要図から作成したカウンタ回路が EIT 信号測定でも十分動作することが確認できた。

仕組みを簡単に説明すると、IC(74HC590)に SPCM からくる TTL 信号をいれてカウントした値をオペアンプを用いた DA コンバーターでアナログ値に変化させている。

6 Rb セルでの EIT 信号観測
今回の実験で用いた Rb 原子のエネルギー準位を次の図に示す。

FG の設定を変えることでゲート時間を任意変えることができる。
今回作成した回路が実際に実験で使えるか実験を行った。冷却原子で行うときには短い掃引時間で測定を行う必要があるため、ゲート時間はおおよそ 10µs で、SPCM からくるパルス信号の幅は 35ns である。な

図 6 Rb 原子のエネルギー準位図

ので FG でパルス幅 35ns のダミーの信号を作成したカウンタ回路に入れて、ゲート今回の実験系は次のようになっている。

時間 9µs にして回路の出力をオシロスコープで測定してカウントが実際に出来ているか検証した。測定結果は次のようになった。
図 6 EIT 信号観測実験系の概要図

ここでは波長 780nm と 480nm のレーザー

時間を 10µs で、最大パワーを SPCM の限光を用いている。480nm の光は 960nm の界である 120fW として SN を計算したと光を非線形波長変換で第二高周波を発生さころ約 0.43 という結果になった。なのでせている。AOM で 480nm の周波数をシフ

今の実験系では SN 良く EIT 信号を測定トさせながら、SPCM で透過光(780nm) をするのは難しいことが分かった。この原因

ゲート時間 100ms で 100 回カウント値をと主に考えられるのはレーザーのパワーゆ測定した。結果を次の図に示す。横軸は波長らぎや透過光以外の光の散乱の影響などが480nm の光の離調で縦軸は 100 回測定し挙げられる。

たカウント値の平均である。
8 まとめ
今回 Rb セルでの微弱な EIT 信号の測定と結果をリアルタイムにオシロスコープでモニターするカウンタ回路の作成を行った。EIT 信号の測定結果から現状では冷却原子に移行した時、レーザーのパワーゆらぎや透過光以外の光の散乱などの影響によって SN 良く EIT 信号を測定することは困難であることが推測された。今後の予定
としては、今回作成したカウンタ回路を用
図 7 EIT 信号測定結果

いて Rb セルでの EIT 信号をゲート時間10µs にして測定を行い、SN が実際どうな最大カウント数は 3337 個で SPCM の量子るかを確認してみたいと考えている。

効率とファイバーのカップリングロスを考慮して実際のパワーを計算したところ、最9 参考文献

大パワー8.4fW という結果になった。よって今回、非常に微弱な光で EIT 信号を観

[1]中川 賢一 「レーザー励起リドベルグ測することができた。

原子を用いた量子もつれ状態の生成とその量子情報への応用」レーザー研究7 SN の評価[2] Thibault Peyronel 「Quantum nonlinear

も EIT 信号が SN 良く観測できるか計算

optics with single photons enabled bystrongly interacting atoms」 Nature

した。今回の測定ではゲート時間 100ms[3] 海上 智行 「二次元格子中の 87Rb原子で SN は EIT によるカウント数の増加とにおけるリドベルグブロッケード」 修士論文

測定結果から冷却原子に移行した場合でカウントのばらつきの平均からおおよそ11 という結果になった。ここで今ショット雑音しか考慮しないこととして、ゲート