Addressing Quantum Many-Body Dynamics by Ultrafast Coherent Control with Attosecond Precision

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H06289
• Research Institution: Institute for Molecular Science
• Principal Investigator: 大森 賢治 分子科学研究所, 光分子科学研究領域, 教授 (10241580)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 豊田 晴義 浜松ホトニクス株式会社, 中央研究所, 研究主幹 (80393940)
• Project Period (FY): 2016-04-26 – 2021-03-31
• Keywords: 超高速コヒーレント制御 / アト秒量子多体問題 / 量子シミュレーター / 極低温リュードベリ原子

Outline of Annual Research Achievements

(1) 光格子によって配列されたルビジウム（Rb）・リュードベリ原子集団の多体電子ダイナミクスをイオンカウンティングによって高精度に観測し、超高速量子シミュレーションを妨げ得る主要な要因の一つであるイオン化のメカニズムを解明した。ペニング・イオン化のタイムスケールは1～10ナノ秒以上であると見積られ、ピコ秒レベルで動作する我々の超高速量子シミュレータには性能上、影響を与えないことを予想した。
(2) 超高速量子シミュレータを実装することに成功し、アト秒精度の時間領域ラムゼイ干渉法によって、リュードベリ結晶の多体電子ダイナミクスを観測することに成功した。さらに、電子と電子が重なり合う、リュードベリ金属状態を実現して、明瞭な多体電子干渉を観測した。
(3) 浜松ホトニクス(HPK)グループと共同で、Rb原子集団の局所的な励起や観察、および原子の任意配列トラップを行うための装置開発を進めた。新規真空装置に単一原子観測及びトラップ光集光のための対物レンズを導入し、光トラップ配列を構築した。HPKグループで開発を進めているホログラムによる原子配列の任意制御技術「ホログラフィック3次元原子トラップ技術」を適用し、空間光変調器により光トラップ用レーザー光の空間的位相を変調することで、真空装置内の原子位置に複数個の光トラップを作ることに成功し、各サイトに占有率50%で単一のRb原子がランダムに捕獲されていることを観測した。捕獲した原子を用いて、光トラップの性能（深さ、サイズ）および光トラップ中の原子の特性（温度、寿命および蛍光量）を評価した。さらに、光ポンピングによる状態準備、およびマイクロ波を用いたラビ振動の観測実験を進めた。HPKグループでは、強集光領域でのホログラム再生の高精細化を図り、約1.06ミクロン間隔の原子配列用光パターン生成を確認した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

(1) 光双極子トラップ中の極低温Rb原子集団を広帯域の超短パルスレーザーで励起するという独自手法によって、超高速量子シミュレータのプロトタイプを開発することに成功した。
(2) 光格子中に3次元配列されたRb原子集団を超短パルスレーザーでリュードベリ状態へ励起することで、分子研独自の物質相である強相関リュードベリ結晶を実現した。超高速量子シミュレーションを妨げる要因となりうるイオン化のメカニズムを解明し、妨げにならないことを予測した。
(3) 超高速量子シミュレータの読み出しインターフェースであるアト秒精度の時間領域ラムゼイ干渉法において、世界最高レベルの確度に相当するほぼ100%のコントラストを達成した。
(4) 光格子中に配列したRb原子集団を用いて超高速量子シミュレータを実装し、時間領域ラムゼイ干渉法によって多体電子ダイナミクスを観測することに成功した。
(5) Rb原子集団を任意に配列し局所観測・操作する新規量子シミュレータの開発を進めた。ホログラフィック光トラップ配列技術を用いて、真空装置内の原子位置に20個の2次元光トラップを作ることに成功し、各サイトに占有率50%で単一のRb原子が捕獲されていることを観測した。さらに、サブミクロン分解能での個別原子の局所制御および観測のために高解像度対物レンズ系の評価・検討を進めた。
(6) HPKグループでは、強集光領域でのホログラムパターン生成・観測実験などにより、ホログラフィック3次元原子トラップ技術の開発・改良を進めた。また、量子シミュレータ専用の各種特殊光学部品を設計・製作し、分子研における実験装置構築を補佐した。超高速量子シミュレータ装置構成について、日本および米国に出願した特許の審査を請求し、知的財産権の確保を図るとともに、新たにホログラム再生パターンの高精細化に関して特許出願の準備を進めている。

Strategy for Future Research Activity

光トラップ中に配列された極低温ルビジウム（Rb）原子集団を超短パルスレーザーでリュードベリ電子状態に励起することによって強相関電子系を創り出すことができる。この強相関電子系の多体波動関数のダイナミクスを観測・制御することを目指す。
分子研では、原子を規則的に配列させるために、異なる光トラップ手法を用いた2種類の実験系を開発している。第一の実験系では、光格子を構築し、高密度のRb凝縮体を3次元立方格子状に配列することに成功している。これを任意配列へ拡張するため、第二の実験系では、浜松ホトニクス社(HPK)と共同で、ホログラフィック光トラップ配列技術を用いた数100個程度の2次元原子配列を構築する。秩序立った原子配列を準備するため、個別原子を再配列させる光学系を導入する。また、サブミクロン分解能での個別原子の局所制御および観測を可能にするため、対物レンズ系の評価・導入等に関してHPKと引き続き共同研究を進める。
強相関電子系を創り出し、多体波動関数の超高速ダイナミクスを観測するために、ポンプおよび遅延を付けたプローブパルスを照射する。これらのパルスはアト秒精度で位相ロックされており、1フェムト秒周期の超高速・多体電子運動をアト秒精度で観測・制御することが出来る。さらに、リュードベリ状態への励起効率、リュードベリ電子の軌道半径、プローブパルスの遅延時間を広範囲に調節できる柔軟な自由度を追求し、これら3つの観点から量子シミュレータの性能を向上させる。開発した超高速量子シミュレータを用いて、多体電子ダイナミクスを観測し、原理実証に取り組む。
HPKでは引き続き、ホログラフィック3次元原子トラップ技術の開発、およびそれに関連する光学技術の整備を行う。ナノメートル領域で任意の原子配列を実現するための高精度・高精細ホログラム技術開発も継続し、量子シミュレータ装置への導入を目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Strasbourg大学(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: Strasbourg大学
• [Int'l Joint Research] Oxford大学(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: Oxford大学
• [Int'l Joint Research] Heidelberg大学(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Heidelberg大学
• [Int'l Joint Research] Innsbruck大学(オーストリア)
  • Country Name: AUSTRIA
  • Counterpart Institution: Innsbruck大学
• [Journal Article] Ultrafast creation of overlapping Rydberg electrons in an atomic BEC and Mott-insulator lattice (2020)
  • Author(s): Michiteru Mizoguchi, Yichi Zhang, Masaya Kunimi, Akira Tanaka, Shuntaro Takeda, Nobuyuki Takei, Vineet Bharti, Kuniaki Koyasu, Tetsuo Kishimoto, Dieter Jaksch, Alexander Glaetzle, Martin Kiffner, Guido Masella, Guido Pupillo, Matthias Weidemueller, Kenji Ohmori
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 124 Pages: 253201
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.253201
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 光ピンセットによる冷却Rb原子の任意配列の実現に向けて (2020)
  • Author(s): 周諭来, Sylvain de Leseleuc, 富田隆文, Mahesh Tirumalasetty Panduranga, 孟増明, 素川靖司, 武井宣幸, 岡野泰彬, 千葉寿, 酒井寛人, 瀧口優, 安藤太郎, 大森賢治
  • Organizer: 日本物理学会 第75回年次大会、名古屋大学
• [Presentation] Discrete truncated Wigner近似のクエンチダイナミクスにおける性能評価 (2020)
  • Author(s): 國見昌哉, 長尾一馬, 後藤慎平, 段下一平
  • Organizer: 日本物理学会 第75回年次大会、名古屋大学
• [Presentation] Designing of diffractive arbitrarily shaped top-hat beam in non-paraxial systems (2020)
  • Author(s): 酒井寛人, 瀧口優, 大竹良幸
  • Organizer: Practical Holography XXXIV: Displays, Materials, and Applications, Photonics West 2020 OPTO, THE MOSCONE CENTER, SAN FRANCISCO, CALIFORNIA, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 空間光変調素子の開発 (2020)
  • Author(s): 豊田晴義, 田中博
  • Organizer: 第66回 応用物理学会春季学術講演会、上智大学 四谷キャンパス
  • Invited
• [Presentation] Development of an ultrafast quantum simulator (2019)
  • Author(s): Yeelai Chew, Zengming Meng, Mahesh Tirumalasetty Panduranga, Vineet Bharti, Seiji Sugawa, Nobuyuki Takei, Sylvain de Leseleuc, Hisashi Chiba, Hiroto Sakai, Yu Takiguchi, Taro Ando, Yoshiyuki Ohtake, Kenji Ohmori
  • Organizer: Les Houches predoc school on Light Matter Interaction in Dilute Media and Individual Quantum Systems, Les Houches, France
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 量子シミュレーションの国内外の動向と展望 (2019)
  • Author(s): 大森賢治
  • Organizer: JST CRDS セミナー、JST CRDS、JST東京本部、東京都
  • Invited
• [Presentation] Bistability of Bose-Einstein Condensates with a Local Loss Term and Pinning Potentials (2019)
  • Author(s): 國見昌哉、段下一平
  • Organizer: IAS Workshop on Quantum Simulation of Novel Phenomena with Ultracold Atoms, The Hong Kong University of Science and Technology, China
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrafast many-body electron dynamics in a strongly correlated ultracold Rydberg gas (2019)
  • Author(s): 大森賢治
  • Organizer: IAS Workshop on Quantum Simulation of Novel Phenomena with Ultracold Atoms, The Hong Kong University of Science and Technology, China
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Development of a Delay Pulse Generator (2019)
  • Author(s): Tomonori Toyoda, Hisashi Chiba, Nobuyuki Takei, Kenji Ohmori
  • Organizer: 第35回化学反応討論会, 東広島芸術文化ホールくらら, 広島
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a NIM Module adaptor (2019)
  • Author(s): Hisashi Chiba, Tomonori Toyoda, Nobuyuki Takei, Kenji Ohmori
  • Organizer: 第35回化学反応討論会, 東広島芸術文化ホールくらら, 広島
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrafast many-body electron dynamics in a strongly correlated ultracold Rydberg gas (2019)
  • Author(s): 大森賢治
  • Organizer: The 4th International Workshop on Rydberg Atoms and Molecules, Hangzhou, China
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Observation of ultrafast Rydberg wave-packet dynamics in disordered and ordered systems (2019)
  • Author(s): Y. Zhang, N. Takei，C. Sommer, Mizoguchi, A. Tanaka, V. Bharti, S. Sugawa, S. Takeda, H. Chiba, G. Pupillo, M. Weidemueller, K. Ohmori
  • Organizer: 第16回AMO討論会、電気通信大学、東京
• [Presentation] Rydberg excitation of a Bose-Einstein condensate and Mott insulator with a picosecond laser pulse (2019)
  • Author(s): V. Bharti, M. Mizoguchi, Y. Zhang, A. Tanaka, S. Sugawa, N. Takei, S. Takeda, K. Koyasu, H. Chiba, T. Kishimoto, M. Weidemueller, K. Ohmori
  • Organizer: 第16回AMO討論会、電気通信大学、東京
• [Presentation] Ultrafast many-body electron dynamics in a strongly correlated ultracold Rydberg gas (2019)
  • Author(s): 大森賢治
  • Organizer: International Symposium: Highly-excited States and Non-covalent Interactions, The University of Manchester, Manchester, UK
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ultrafast many-body electron dynamics in a strongly correlated ultracold Rydberg gas (2019)
  • Author(s): 大森賢治
  • Organizer: TSRC Workshop: Quantum Dynamics and Spectroscopy in Condensed-Phase Materials and Bio-Systems, Telluride Science Research Center (TSRC), Telluride, USA
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ultrafast many-body electron dynamics in a strongly correlated ultracold Rydberg gas (2019)
  • Author(s): 大森賢治
  • Organizer: P&A AMO Seminar, Rice University, Houston, USA
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ultrafast many-body electron dynamics in a strongly correlated ultracold Rydberg gas (2019)
  • Author(s): 大森賢治
  • Organizer: The 14th Femtochemistry Conference, Jin Jiang Hotel, Shanghai, China
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 極低温ボース－アインシュタイン凝縮体とモット絶縁体の超高速リュードベリ励起 (2019)
  • Author(s): 溝口道栄
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会、岐阜大学
• [Presentation] アト秒・ナノメートル精度の超高速量子シミュレータの開発と量子コンピューティングへの応用 (2019)
  • Author(s): 大森賢治
  • Organizer: JST戦略的創造研究推進事業・新技術説明会、JST東京本部別館, 東京
  • Invited
• [Presentation] Observation of a symmetry-protected topological phase of interacting bosons with Rydberg atoms (2019)
  • Author(s): S. de Leseleuc, V. Lienhard, P. Scholl, D. Barredo, S. Weber, N. Lang, H. P. Buchler, T. Lahaye, A. Browaeys
  • Organizer: The Fourth Kyoto-Beijing-Tokyo Workshop on Ultracold Atomic Gases, Kyoto University
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Calculations for Renyi entropy by using discrete truncated Wigner approximation (2019)
  • Author(s): Masaya Kunimi, Kazuma Nagao, Shimpei Goto, and Ippei Danshita
  • Organizer: The Fourth Kyoto-Beijing-Tokyo Workshop on Ultracold Atomic Gases, Kyoto University
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The development of an ultrafast quantum simulator (2019)
  • Author(s): Mahesh Tirumalasetty Panduranga, Yeelai Chew, Sylvain de Leseleuc, Takafumi Tomita, Seiji Sugawa, Z. Meng, Nobuyuki Takei, Hiroto Sakai, Yu Takiguchi, Taro Ando, Kenji Ohmori
  • Organizer: Les Houches predoc school on Interaction of light and cold atoms, Les Houches, France
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Panel discussion: International Cooperation in Quantum Technology (2019)
  • Author(s): 大森賢治
  • Organizer: The EU Quantum Flagship event in Helsinki, Aalto University, Helsinki, Finland
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ultrafast many-body electron dynamics in an ultracold atomic BEC and Mott insulator lattice (2019)
  • Author(s): 大森賢治
  • Organizer: The Conference "Quantum Computing in Near Term", Universitaet Wien, Vienna, Austria
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ultrafast many-body electron dynamics in an ultracold atomic BEC and Mott insulator lattice (2019)
  • Author(s): 大森賢治
  • Organizer: The Conference "Quantum Simulations in Optical Lattices and Beyond", Tian-Ping Hotel, Shanghai, China
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Observation of ultrafast Rydberg wave-packet dynamics in disordered and ordered systems (2019)
  • Author(s): Y. Zhang, N. Takei，C. Sommer, M. Mizoguchi, V. Bharti, S. Sugawa, A. Tanaka, S. Takeda, H. Chiba, G. Pupillo, M. Weidemueller, K. Ohmori
  • Organizer: The Conference "Quantum Simulations in Optical Lattices and Beyond", Tian-Ping Hotel, Shanghai, China
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrafast creation of overlapping Rydberg electrons in an atomic BEC and Mott-insulator lattice (2019)
  • Author(s): M. Mizoguchi, Y. Zhang, M. Kunimi, A. Tanaka, S. Takeda, N. Takei, V. Bharti, K. Koyasu, T. Kishimoto, D. Jaksch, A. Glaetzle, M. Kiffner, G. Masella, G. Pupillo, M. Weidemueller, K. Ohmori
  • Organizer: The Conference "Quantum Simulations in Optical Lattices and Beyond", Tian-Ping Hotel, Shanghai, China
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrafast many-body electron dynamics in an ultracold atomic BEC and Mott insulator lattice (2019)
  • Author(s): 大森賢治
  • Organizer: Topical Conference on Quantum Computing 2019 (TCQC2019), Kyoto Brighton Hotel, Kyoto, Japan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ultrafast creation of overlapping Rydberg electrons in an atomic BEC and Mott-insulator lattice (2019)
  • Author(s): M. Mizoguchi, Y. Zhang, M. Kunimi, A. Tanaka, S. Takeda, N. Takei, V. Bharti, K. Koyasu, T. Kishimoto, D. Jaksch, A. Glaetzle, M. Kiffner, G. Masella, G. Pupillo, M. Weidemueller, K. Ohmori
  • Organizer: Topical Conference on Quantum Computing 2019 (TCQC2019), Kyoto Brighton Hotel, Kyoto, Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Towards realization of a Rydberg quantum simulator with optical tweezers arrays for observation of ultrafast many-body dynamics (2019)
  • Author(s): Takafumi Tomita, Sylvain de Leseleuc, Yeelai Chew, Mahesh Tirumalasetty Panduranga, Seiji Sugawa, Nobuyuki Takei, Hiroto Sakai, Yu Takiguchi, Taro Ando, Kenji Ohmori
  • Organizer: Topical Conference on Quantum Computing 2019 (TCQC2019), Kyoto Brighton Hotel, Kyoto, Japan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 『液晶ディスプレイの先にある風景』～位相変調型空間光変調器とその応用～ (2019)
  • Author(s): 瀧口優
  • Organizer: 第1回光制御技術研究会、御茶ノ水ソラシティ
  • Invited
• [Presentation] 位相変調型空間光変調器と動的点像分布関数制御 (2019)
  • Author(s): 瀧口優
  • Organizer: ホログラフィック・ディスプレイ研究会 2019年第4回研究会、東北大学 青葉山キャンパス
  • Invited
• [Presentation] High Performance Liquid Crystal on Silicon Spatial Light Modulator (LCOS-SLM) and Flicker Noise Reduction of Multiple Spots (2019)
  • Author(s): 田中博, 酒井寛人, 宅見宗則, 豊田晴義
  • Organizer: International Display Workshops 2019, Sapporo Convention Center
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 空間光位相変調器の高速化のためのホログラム画像間のヒストグラム解析および位相差分最適化ホログラム設計 (2019)
  • Author(s): 酒井寛人, 瀧口優, 安藤太郎, 大竹良幸
  • Organizer: Optics & Photonics Japan 2019, 大阪大学コンベンションセンター
• [Presentation] Recent advancement in spatial light modulators and their applications (2019)
  • Author(s): 豊田晴義, 田中博, 瀧口優
  • Organizer: Photonic Device Workshop 2019 （電子情報通信学会 OPE/LQE/PICS および 半導体レーザ国際会議（ISLC）国内委員会）、早稲田大学 西早稲田キャンパス
  • Invited
• [Remarks] 分子科学研究所大森グループホームページ
  • URL: https://groups.ims.ac.jp/organization/ohmori_g/index.html