2018 Fiscal Year Research-status Report
共振器中のRydberg原子を用いた量子光源の開発
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18K13479
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
鈴木 はるか (丹治はるか) 電気通信大学, レーザー新世代研究センター, 准教授 (40638631)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 光共振器 / Rydberg原子 / 量子光学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成30年度には、原子冷却用の真空装置の準備、光共振器の設計および共振器用マウントとミラーの作製、Rydberg励起用光源の開発を行った。
真空装置については、超高真空チャンバーの組み立ておよびRb原子源の導入を行った上でベーキングを行ったが、ビューポートにおいて漏れが生じたため、部品を交換して再度のベーキングを行っているところである。ベーキングが終了すれば、原子冷却を行うための真空装置の準備が整ったことになる。
光共振器に関しては、フィネスが高いほど原子が共振器モード中に光子を放出する確率が高くなる一方で、ミラーの反射率が高いことによりミラー表面での損失が有意になり、共振器中に放出された光子を外部へ取り出すことが困難になる。本研究ではさらに、原子集団の協働現象を利用して共振器モード中への光子の放出確率の増大を図る。そこで、最終的に外部に光子を取り出す確率を最大化するような共振器のフィネスと、それに対応して必要となる原子集団の密度について検討を行った。その検討結果に基づいて、ミラーの反射率および許容される散乱損失と共振器の幾何学配置を決定し、共振器マウントおよび低損失の特注ミラーを作製した。今後はミラーの特性評価を行ったのち、共振器を構築する。
Rydberg励起用光源に関しては、Ti:sapphireレーザーの960 nmの光を基本波とし、Bow-tie型共振器中のPPKTP結晶を用いて480 nmの倍波を発生させ、共振器のアラインメントと温度位相整合の最適化を行うことでパワーの最大化を図った。さらに、87Rb原子の吸収線に対して安定化させた780 nmの光源を準備し、室温のガスセル中で、n=41, 50, 60, 70 のRydberg状態について、電磁場誘起透明化のスペクトルの観測に成功した。このスペクトルの観測により、Rydberg励起用光源の安定化の目途が立った。
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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
平成30年度に予定していた、光子の取り出し確率を最大化させるための光共振器のフィネスの最適値およびそれに対応して必要となる原子集団の密度についての検討は完了した。さらに、ミラーに関して許容される散乱損失についても検討を行い、実際に共振器マウントおよびミラーの作製も行った。
原子の磁気光学トラップについては、真空装置に漏れが見つかり、十分な真空度を得ることができなかったため、トラップの作製には至っていない。
一方、当初は次年度に予定していたRydberg遷移に対する光源の安定化については、当初の想定を上回る進捗が見られた。具体的には、Ti:sapphireレーザーの960 nmの光を基本波とし、Bow-tie型共振器中のPPKTP結晶を用いて480 nmの倍波を発生させ、共振器のアラインメントと温度位相整合の最適化を行うことでパワーを最大化させた。さらに、Rb87の吸収線に対して安定化させた780 nmのレーザー光源を準備した。これら2つの光源を利用することにより、n=41, 50, 60, 70までのRydberg状態の電磁場誘起透明化スペクトルを用いた分光が実現した。このスペクトルを誤差信号として利用することで、光源の安定化が実現すると見込まれる。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度は、まず超高真空チャンバーの構築を完了し、四重極磁場用コイルおよび周辺光学系の構築を行った上で、原子の冷却を試みる。さらに、冷却した原子を用いたRydberg状態の分光を行う。
一方、光共振器用のミラーの特性評価を行った上で、光共振器の構築を行う。続いて、光共振器にRb原子の共鳴光が共振するように共振器長の安定化を行う。
さらに、光共振器モードに一次元光格子を作製し、その中に原子を補足して密度の評価を行う。この際に、目標の密度に達していない場合には共振器に垂直な方向の光双極子トラップの導入を検討する。
さらに、これまでに得られたRydberg遷移のスペクトルを利用して、Rydberg励起用光源の安定化を試みる。
令和2年度には、単一光子発生に向けた、冷却Rb原子の2光子励起を試みる。さらに、480 nmのレーザー光による脱励起を行い、放出される780 nmの光子の自己相関関数を測定することにより、単一のRydberg励起の実現を確認する。さらに、光子の検出確率から、共振器中で原子集団の協働現象による超放射が起きていることを確認する。この際に、脱励起光のアラインメントを調整することにより、光共振器モードへの超放射の最適化を試みる。ここまでで、単一光子の任意時刻における特定の空間モードへの発生のための準備が整うこととなる。続いて、実際に、任意時刻における特定の空間モードへの単一光子発生を試みる。
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| Causes of Carryover |
非対称共振器に使用する2種類のミラーのうち、低損失高フィネスミラーについては、すでに研究室で保有しているものが使用可能であることが判明したために次年度使用額が発生した。当該助成金は、原子密度のさらなる向上を図るための光双極子トラップ用の光学系を構築するために使用する予定である。
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