ナノ光ファイバー共振器と原子の結合系における基礎理論と量子情報処理

• Project/Area Number: 20K15190
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 山越 智健 電気通信大学, レーザー新世代研究センター, 研究員 (30801245)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2022: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: 量子光学 / 光共振器 / 非線形現象 / 量子エレクトロニクス / ナノ光ファイバ

Outline of Research at the Start

近年、原子とナノ光ファイバーが強く結合した系が実現している。このような系は周期構造の埋め込みや、複屈折性の制御が可能であり、イジング模型のシミュレートなどの量子情報処理への応用が期待される。一方で実験環境に起因する擾乱などの影響は、深く研究されていない。本研究では、周期構造と複屈折性を有するナノ光ファイバー共振器とデコヒーレンスを持つ単一原子列の結合系について数値計算を通して考察する。主として系の光学特性と量子制御の安定性について理論的な考察を行い、具体的な実験系のデザインを示す。

Outline of Annual Research Achievements

量子情報処理への応用に向けて、共振器系における量子操作についての解析を行った。解析する主な対象は、複屈折性を有する共振器系とグレーティングなどの周期構造の複合系である。多様な量子操作を研究するため、さまざまな共振器系や非線形現象について研究を行った。
比較的簡単な1次元化された共振器系について、多層膜系などに用いられる転送行列法を基に単純な２チャンネルの模型を構成し考察した。この模型では、量子操作において重要なFano共鳴や電磁誘起透明化などの共鳴現象が統一的に記述できる。この模型の解析解を導出することにより、複屈折率に相当する項などのパラメーター依存性を考察した。特に入射波が低エネルギーの極限にあるとき、入射波、反射波、および透過波の関係について、古典系との対応関係があることを見出した。またその結果について論文で発表を行った。
さらに、非線形現象を含む場合の量子操作についての検討を行った。様々な分野への応用を検討するために、非線形効果を記述する非線形シュレディンガー方程式(NLSE)の解について解析を行った。特に１次元の周期構造によって生成されるバンド構造に対して、非線形効果が与える影響について調べた。二つの異なる周期構造を持つ系について、時間非依存のNLSEを数値的に解く事により、非線形ブロッホ関数やソリトン解などの非自明な解が出現することを示し、またその特性について解析した。NLSEは冷却原子系においても有効な理論であり、冷却原子系におけるソリトン解の実験的生成法について数値計算を通して示した。またこの成果について論文で発表を行った。

Research Products

• [Journal Article] Dual-channel scattering problem in the cavity-like potential (2022)
  • Author(s): Tomotake Yamakoshi and Shinichi Watanabe
  • Journal Title: European Journal of Physics Volume: 43 Issue: 3 Pages: 035401-035401
  • DOI: 10.1088/1361-6404/ac4e63
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Loading ultracold atoms onto nonlinear Bloch states and soliton states in bichromatic lattices (2021)
  • Author(s): Tomotake Yamakoshi and Shinichi Watanabe
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 104 Issue: 1 Pages: 013309-013309
  • DOI: 10.1103/physreva.104.013309
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Controlled Four-Wave Mixing in a Nanotransducer (2021)
  • Author(s): Javaid Asma、Ahmed Sohail、Ghafoor Fazal、Yamakoshi Tomotake、Saif Farhan
  • Journal Title: Journal of Russian Laser Research Volume: 42 Issue: 2 Pages: 126-135
  • DOI: 10.1007/s10946-021-09941-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Signatures of inter-band transitions on dynamical localization (2020)
  • Author(s): Medhet Sara、Yamakoshi Tomotake、Ayub Muhammad、Saif Farhan、Watanabe Shinichi
  • Journal Title: The European Physical Journal D Volume: 74 Issue: 8
  • DOI: 10.1140/epjd/e2020-100489-1
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 二色光格子パルスによる極低温ボーズ原子のソリトン解へのローディング (2021)
  • Author(s): 山越 智健, 渡辺 信一
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会