Quantum simulator for many body systems using cold Rydberg atoms in optical microtrap arrays

• Project/Area Number: 17H02935
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Atomic/Molecular/Quantum electronics
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: Nakagawa Kenichi 電気通信大学, レーザー新世代研究センター, 教授 (90217670)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宮本 洋子 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (50281655)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥19,240,000 (Direct Cost: ¥14,800,000、Indirect Cost: ¥4,440,000); Fiscal Year 2019: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2018: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2017: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
• Keywords: 量子シミュレーション / 量子もつれ / 冷却原子 / 量子情報 / リュードベリ原子 / 量子スピン系 / 量子多体系 / イジングモデル / リドベルグ原子

Outline of Final Research Achievements

We have developed a quantum simulator for many-body quantum systems with cold Rydberg atoms in optical trap arrays. We demonstrate the generation of the entangled states of few atoms using Rydberg blockade. We also demonstrate a quantum simulation of the Ising type spin model using the Rydberg atom quantum simulator. From these demonstrations, we evaluate the performance of the quantum simulator. These results are useful for the development of future large-scale quantum simulations.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、個々の原子の量子状態を操作および観測することが可能な量子シミュレーターを実現して実験でその性能を詳細に評価したもので、このような量子シミュレーターの実現は先行する数グループ以外にほとんどなく、実験で得られた情報は将来の本格的な量子シミュレーターの実現に向けての研究に大きく貢献するものである。またこの量子シミュレーターは物性の問題以外にも従来の計算機シミュレーションでは計算が難しい問題への応用が期待されており、量子コンピューターと同様に科学だけでなく産業界を含む幅広い分野への応用が期待される。

Research Products

• [Journal Article] Analysis of coherent dynamics of a Rydberg-atom quantum simulator (2020)
  • Author(s): Hikaru Tamura, Tomotake Yamakoshi, and Ken’ichi Nakagawa
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 101 Issue: 4 Pages: 043421-043421
  • DOI: 10.1103/physreva.101.043421
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 量子技術のための単一冷却原子・イオンの操作 (2018)
  • Author(s): 中川賢一
  • Journal Title: 光学 Volume: 47 Pages: 276-282
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optical frequency synthesizer for precision spectroscopy of Rydberg states of Rb atoms (2017)
  • Author(s): Naoto Watanabe, Hikaru Tamura, Mitsuru Musha, and Ken'ichi Nakagawa
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 56 Issue: 11 Pages: 112401-112401
  • DOI: 10.7567/jjap.56.112401
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Rb原子のRydberg状態励起用波長420 nm干渉フィルタ安定型半導体レーザーの開発3 (2020)
  • Author(s): 高瀬直美, 奥野央志, 中川賢一
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] Rb原子のRydberg状態励起用波長420nm干渉フィルタ安定型半導体レーザーの開発II (2019)
  • Author(s): 高瀬直美、奥野央志、中川賢一
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会
• [Presentation] Quantum simulation of many-body systems with cold Rydberg atoms (2019)
  • Author(s): Ken’ichi Nakagawa, Hikaru Tamura, Tomotake Yamakoshi
  • Organizer: 2nd Asia-Pacific Workshop on Trapped Quantum System (KAIST, Daejeon, South Korea)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] リュードベリ原子を用いた量子シミュレーションの最前線 (2019)
  • Author(s): 中川賢一
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会 シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Rb原子のRydberg状態励起用波長420nm干渉フィルター安定型半導体レーザーの開発 (2019)
  • Author(s): 高瀬直美、岸本哲夫、中川賢一
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会 (九州大)
• [Presentation] Towards quantum simulations of many-body systems using 2D arrays of cold Rydberg atoms (2018)
  • Author(s): Hikaru Tamura, Tomotake Yamakoshi, and Ken’ichi Nakagawa
  • Organizer: The EMN(Energy Material and Nanotechnology) meeting on Quantum Technology 2018 (Dubrovnik, Croatia)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Quantum simulation of many-body systems with cold Rydberg atoms (2018)
  • Author(s): Ken'ichi Nakagawa, Hikaru Tamura, Tomotake Yamakoshi
  • Organizer: The 8th International Symposium on Cold Atom Physics (Wuhan, China)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 冷却リュードベリ原子を用いた量子多体系シミュレータ (2018)
  • Author(s): 中川賢一
  • Organizer: 物性研究所 短期研究会「量子情報・物性の新潮流」
  • Invited
• [Presentation] Programmable quantum simulators based on cold Rydberg atoms (2018)
  • Author(s): Ken'ichi Nakagawa, Hikaru Tamura, Tomotake Yamakoshi
  • Organizer: the 13 th Japan-US Joint Seminar on Quantum Electronics and Laser Spectroscopy (Kanazawa, Japan)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ホログラムの作製のための電子線レジストの多重露光特性の研究 (2018)
  • Author(s): 早瀬茂法, 宮本洋子, 落合洋介
  • Organizer: 日本光学会 コンテンポラリーオプティクス研究グループ「ダイバーシティの光明」
• [Presentation] 経路干渉計法による光子の軌道角運動量重ね合わせ状態検出用ホログラムの作製 (2018)
  • Author(s): 早瀬茂法, 宮本洋子, 落合洋介
  • Organizer: 日本光学会 Optics and Photonics Japan 2018
• [Presentation] 冷却リュードベリ原子を用いたプログラマブル多体系量子シミュレータ (2018)
  • Author(s): 中川賢一、田村光、山越智健
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] Observation of spatially ordered Rydberg excitation in an one-dimensional optical microtrap array (2017)
  • Author(s): Hikaru Tamura, Tomotake Yamakoshi, Ken’ichi Nakagawa
  • Organizer: International Conference on Laser Spectroscopy(ICOLS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Towards quantum simulation of Ising spins using cold Rydberg atoms in microtrap arrays (2017)
  • Author(s): H. Tamura, T. Yamakoshi, and K. Nakagawa
  • Organizer: 24th Congress of the International Commision for Optics (ICO-24)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] リドベルグ原子を用いたスピン系量子シミュレーション (2017)
  • Author(s): 田村光、山越智健、中川賢一
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会 岩手大学
• [Presentation] Quantum simulator with cold Rydberg atoms in micro trap arrays (2017)
  • Author(s): Ken'ichi Nakagawa
  • Organizer: 1st-Asia-Pacific Workshop on Trapped Quantum Systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Experimental parameters for observation of high-dimensional effect in orbital (2017)
  • Author(s): Y. Miyamoto and S. Hayase
  • Organizer: 24th Congress of the International Commission for Optics (ICO-24)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光子の軌道角運動量もつれ合い状態の同時計数確率に関するシミュレーション (2017)
  • Author(s): 早瀬茂法, 宮本洋子
  • Organizer: 第14回原子・分子・光科学（AMO）討論会
• [Presentation] Parameter optimization for observation of high-dimensional (2017)
  • Author(s): Yoko Miyamoto, Shigenori Hayase, and Yuma SawaYoko Miyamoto, Shigenori Hayase, and Yuma Sawa
  • Organizer: Optical Manipulation Conference (OMC '18)
  • Int'l Joint Research