量子ダイナミクスの加速の研究：量子制御の高速化に向けて

• Project/Area Number: 24740254
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Mathematical physics/Fundamental condensed matter physics
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 増田 俊平 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 客員研究者 (90546897)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2015: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2014: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2013: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2012: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
• Keywords: 量子ダイナミクスのコヒーレント制御 / fast-forward protocol / counter-diabatic field / ボーズ-アインシュタイン凝縮体の制御 / 分子の振動準位の制御 / 荷電粒子の制御 / 量子状態の高速コヒーレント制御 / 国際情報交換、アメリカ / 国際情報交換、ウズベキスタン / 国際情報交換 / Los Alamos National Lab.

Outline of Annual Research Achievements

微細加工技術の進歩により、現在では量子状態を精密に制御することが可能になってきており、分子や原子一つ一つをコントロールすることまで可能である。しかし、それらの量子制御を正確かつ高速で行うことが出来なければ将来の工業的応用は望めない。本研究の目的は原子や分子の運動や内部状態を正確に短時間でコントロールするための理論的な枠組みを構築する事であった。本研究課題の成果は大きく分けて次の３点である。1）量子ダイナミクスの加速理論を多体系、離散系へ拡張した。2）異なるエネルギー固有状態間の遷移を加速する外場の導出。3）高速で量子状態の制御を行う事で、擾乱の少ない量子制御を可能にした。
研究期間全体を通し該当研究について6編の論文が採用され、APSを始めとする国際的な会議において７回以上研究成果を発表した。該当研究の成果が評価され2014年度の日本物理学会若手奨励賞を受賞した。特に顕著な成果として最終年度に行った分子の振動準位間の遷移を制御するレーザーパルスのデザインに関する研究が挙げられる。パルスの強度やパルス間のタイミングをどのように調整すればよりたくさんもターゲット状態が得られるかという指針を与える理論的研究を行った。この研究は上記の目的１と２に対応する。　研究期間を通してボーズ-アインシュタイン凝縮体を光格子内に数μ秒から数十μ秒の短時間で閉じ込める方法に関する研究など、さまざまな量子制御の精密化高速化についての成果を発表する事ができた。この研究はPhysical Review LetterのEditors' suggestionに選ばれた。
原子や分子の運動はそれにかかる外場によって変わる。本研究は異なる外場によって駆動される一見異なる量子ダイナミクスの間に関係を見いだすことで、それを制御に利用するという理論的な側面を持っており、今後も応用と理論のさらなる発展が期待される。

Research Products

• [Journal Article] Selective Vibrational Population Transfer using Combined STIRAP and Counter-Diabatic Fields (2015)
  • Author(s): Shumpei Masuda, Stuart A. Rice
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry Volume: 印刷中 Issue: 26 Pages: 14513-14523
  • DOI: 10.1021/jp507923s
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Fast-Forward Assisted STIRAP (2015)
  • Author(s): Shumpei Masuda, Stuart A. Rice
  • Journal Title: Journal of Physical Chemistry Volume: 119 Issue: 14 Pages: 3479-3487
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.5b00525
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] High-fidelity rapid ground-state loading of an ultracold gas into an optical lattice (2014)
  • Author(s): Shumpei Masuda, Katsuhiro Nakamura, Adolfo del Campo
  • Journal Title: Physical Review Letter Volume: 113 Issue: 6 Pages: 063113-063117
  • DOI: 10.1103/physrevlett.113.063003
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Rapid coherent control of population transfer in lattice systems (2014)
  • Author(s): S. Masuda and S. A. Rice
  • Journal Title: Phys. Rev. A Volume: 89 Issue: 3 Pages: 33621-33627
  • DOI: 10.1103/physreva.89.033621
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum state protection by successive translation (2013)
  • Author(s): S. Masuda
  • Journal Title: Phys. Rev. A Volume: 88 Issue: 1 Pages: 13625-13630
  • DOI: 10.1103/physreva.88.013625
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Acceleration of adiabatic transport of interacting particles and rapid manipulations of dilute Bose gas in ground state (2012)
  • Author(s): 増田俊平
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 86 Issue: 6 Pages: 63624-63624
  • DOI: 10.1103/physreva.86.063624
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Fast-forward protocol in lattice systems: Site-to-site population transfer of a Bose-Einstein condensate in an optical lattice (2014)
  • Author(s): Shumpei Masuda
  • Organizer: Shortcuts to Adiabaticity, Optimal Quantum Control, and Thermodynamics Conference
  • Place of Presentation: The Telluride Intermediate School
  • Year and Date: 2014-07-14 – 2014-07-18
• [Presentation] Controlling quantum dynamics with fast-forward protocol (2014)
  • Author(s): Shumpei Masuda
  • Organizer: Shortcut to Adiabaticity 2014
  • Place of Presentation: Shanghai University
  • Year and Date: 2014-07-01 – 2014-07-04
• [Presentation] Rapid coherent control of population transfer in lattice systems (2014)
  • Author(s): S. Masuda
  • Organizer: APS march meeting
  • Place of Presentation: デンバー, US
• [Presentation] 早送り理論を用いたボーズ-アインシュタイン凝縮体の高速コヒーレント制御 (2014)
  • Author(s): 増田俊平
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 東海大学
  • Invited
• [Presentation] Quantum Protection by Successive Coherent Controls using Fast-Forward Theory: Protection of Bose-Einstein Condensates (2013)
  • Author(s): S. Masuda
  • Organizer: PRACQSYS
  • Place of Presentation: モンテレー, US
• [Presentation] Acceleration of quantum dynamics in chain model (2013)
  • Author(s): S. Masuda
  • Organizer: First Dynamics Days Central Asia
  • Place of Presentation: サマルカンド、ウズベキスタン
  • Invited
• [Presentation] Rapid control of Bose-Einstain Condensates with less disturbance (2013)
  • Author(s): 増田俊平
  • Organizer: GCOE International symposium ""Weaving science web beyond Particle Matter Hierarchy"
  • Place of Presentation: 東北大学
• [Presentation] Reduction of effect of noise by rapid manipulation with fast-forward scaling theory (2012)
  • Author(s): 増田俊平
  • Organizer: QIT27
  • Place of Presentation: 慶応義塾大学
• [Presentation] Fast-forward theory in many body systems and decrease of effects of noise on quantum states by rapid manipulation (2012)
  • Author(s): 増田俊平
  • Organizer: STA
  • Place of Presentation: EHU, Bilbao, Spain