^<43>Ca^+を用いた長コヒーレンス時間量子ビット実現のための実験的研究

• Project/Area Number: 15740255
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 原子・分子・量子エレクトロニクス・プラズマ
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 豊田 健二 大阪大学, 大学院・基礎工学研究科, 助手 (20314403)
• Project Period (FY): 2003 – 2005
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2005)
• Budget Amount: ¥3,700,000 (Direct Cost: ¥3,700,000); Fiscal Year 2005: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2004: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2003: ¥1,400,000 (Direct Cost: ¥1,400,000)
• Keywords: イオントラップ / 同位体選別 / レーザー冷却

Research Abstract

まずカルシウムイオンの光による二段階イオン化の実験については、前年度までの成果を発展させ、本研究の主要な目的である存在比0.13%の微量同位体イオン^<43>Ca^+の捕獲を行うことに成功した。具体的には、まずビーム化した中性カルシウム原子に423nmの半導体レーザー光源および391nm遷移の励起のためのハイパワーのLEDを照射することで二段階光イオン化を行った。さらに冷却および再励起用のレーザーとして^2S_<1/2>(F=4,3)→^2P_<1/2>遷移に共鳴した2本の397nm光を、また^2D_<3/2>状態からの再励起用として866nmのレーザーを用いて捕獲実験を行った結果、数個程度の^<43>Ca^+を捕獲することに成功した。
さらに単一^<40>Ca^+イオンのサイドバンド冷却実験については、まずマイクロ運動等について最適化した上で予備冷却としてのドップラー冷却を行い、ドップラーサイドバンド測定により到達温度としてドップラー冷却限界温度(0.5mK)にほぼ等しい0.6mK程度、軸方向の平均振動量子数<n_z>〜3を得た。さらに軸方向運動のサイドバンド冷却実験を行い、到達平均振動量子数として<n_z>〜0.2と、振動基底状態付近までの冷却を行うことに成功した。
また、サイドバンド冷却において十分高いピークラビ周波数を得るために、さらに729nm遷移を用いたコヒーレント状態操作のために必要である、共振器内電気光学変調器付きチタンサファイアレーザーを用いた高安定高出力光源の開発を行った。参照用共振器として長期、短期安定度いずれも優れた高フィネス(〜10000)のULE共振器を用い、Pound-Drever法を用いて誤差信号を得て、制御帯域1MIIz程度の負帰還を電気光学変調器に対して行うことにより、これまでに2kHz/1msという短期安定度、出力として800mW程度を得た。またこれを用いて単一カルシウムイオンのドップラーサイドバンドスペクトルを得ることに成功した。

Research Products

• [Journal Article] Ultraviolet diode laser system based on the resonant optical feedback method with the capability of fast continuous sweep (2006)
  • Author(s): K.Toyoda, et al.
  • Journal Title: Appl.Phys.B 82 Pages: 25-25
• [Journal Article] Observation of motional sidebands in single ^<40>Ca^+ ions with improved detection efficiency (2005)
  • Author(s): H.Sawamura, et al.
  • Journal Title: Appl.Phys.B 80 Pages: 1011-1011
• [Publications] K.Toyoda et al.: "Sideband-resolved spectroscopy on the 4^2S_<1/2> - 3^2D_<5/2> transition in single Ca-+ ions using fundamental waves of diode lasers"Opt.Lett.. (in press). (2004)
• [Publications] T.Nishimura et al.: "A Compact 209-nm Deep UV cw Source for Spectroscopy Using Frequency Doubling of a Diode Laser"Jpn.J.Appl.Phys.. 42(8). 5079-5081 (2003)
• [Publications] 森俊彦ら: "イオントラップポテンシャルの非調和性による捕獲イオンの非線形共鳴"レーザー研究. 31(7). 477-481 (2003)
• [Publications] 豊田健二ら: "冷却イオンの量子状態制御"光学. 32(4). 245-252 (2003)