超低温分子の内部自由度を利用した誤り耐性量子計算の実現
| Project/Area Number |
22KJ1949
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| Project/Area Number (Other) |
22J20903 (2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
中村 勇真 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000)
Fiscal Year 2024: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2023: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
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| Keywords | 冷却原子 / 冷却分子 / イッテルビウム / 量子計算 / 光ピンセットアレイ / リドベルグ状態 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、誤り耐性を備えた量子計算実現に向けて、極低温分子の内部自由度を利用した量子計算の実装を目指す。微小な光トラップ内でレーザー冷却されたイッテルビウム原子から極低温分子を生成し、分子の振動準位や核スピンなどの豊富な自由度を量子ビットとして利用する。また、分子の基底状態から高励起状態であるリドベルグ状態へ励起し、リドベルグ分子間に働く相互作用を利用して複数の分子を接続することで、量子回路の構築を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
光ピンセット中での極低温分子生成に向けて、本年度は光ピンセットアレイの大規模化に取り組んだ。はじめにイッテルビウム（Yb）原子の1S0-1P1（波長399nm）遷移を用いた単一Yb原子の蛍光イメージングを行い、原子の有無判定における誤判定確率が0.5%以下の高忠実度なイメージングを実現した。これまで用いてきた1S0-3P1（波長556nm）遷移によるイメージングでは、ピンセット光（波長532nm）によるバックグランドノイズの影響が大きく、アレイの大規模化における課題となっていたが、1S0-1P1遷移をイメージングに用いることでこれを解決した。次に、光ピンセットアレイ生成において、音響光学偏向器を利用した方法から空間光変調器による方法へと切り替えることでアレイの大規模化を可能にし、200サイト程度からなるアレイ生成と単一Yb原子のトラップおよびイメージングに成功した。さらに、音響光学偏向器による動的な光ピンセットを組み合わせることで原子の再配列を試み、4行8列の光ピンセットアレイにおいて、約50％のローディング確率でランダムに原子がロードされた状態から4行4列の無欠損原子アレイを生成することに成功した。これは大規模無欠損原子アレイ生成に向けた重要な成果である。
極低温分子が持つ振動や回転の自由度の他に核スピン自由度も量子ビットとして利用可能である。これに向けて1/2の核スピンを有するフェルミ同位体である171Ybの光ピンセットによる単一原子トラップを試み、これまで利用してきた174Ybと同程度の高忠実度な蛍光イメージングを実現した。
以上の結果を学会で報告した。また、昨年度に行った174Ybの単一原子トラップ、1S0-3P2遷移の狭線幅分光、3P2状態からの1光子リドベルグ励起およびリドベルグ分光の結果をまとめ、論文にて発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
分子生成において必要な光ピンセットアレイ中における単一原子のサイト間移動を、音響光学素子による動的光ピンセットシステムの開発によって実現した。さらに、多数の分子を生成するためにはアレイの大規模化が必要であるが、これも大規模化において課題となっていたバックグラウンドノイズを低減することで実現した。また、Yb2分子の振動準位の数値計算を行うことでエネルギー準位の推定を行い、断熱誘導ラマン遷移に用いる振動準位の検討と、それに必要なレーザー光源の準備を進めることができている。
極低温分子の核スピン利用に向けては、フェルミ同位体の171Ybのトラップとイメージングに成功した。さらに、分子生成において重要となる振動基底状態までのラマンサイドバンド冷却の準備を進め、必要なレーザー光源と光学系の構築を完了した。
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| Strategy for Future Research Activity |
フェルミ同位体の171Ybに対して、1S0-3P1状態間の遷移波長である556nmの光を用いたラマンサイドバンド冷却を試み、3次元におけるすべての方向について振動基底状態付近までの冷却を実現する。その後、単一原子のサイト間移動を行うことで、一つのサイトに2つの単一原子を用意し、断熱誘導ラマン遷移を用いて分子生成を行う。分子生成の後に、分子から原子へ戻す逆過程を行って原子のイメージングを行うことで、分子生成効率の評価を行う。また、生成した分子に対して、1S0-3P2状態間の遷移波長である507nmの光を照射し、準安定励起状態3P2への励起を試みる。これと並行して、3P2状態からリドベルグ状態への遷移波長である325nm光のレーザー光源の開発と周波数狭窄化に取り組む。
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Report
(1 results)
Research Products
(4 results)
