Edge states using ultracold atoms

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K14639
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Institute for Molecular Science
• Principal Investigator: Sugawa Seiji 分子科学研究所, 光分子科学研究領域, 助教 (70768556)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 冷却原子 / 人工ゲージ場 / ボース・アインシュタイン凝縮体 / 量子制御 / 幾何学的位相 / 非可換ベリー位相 / リュードベリ状態

Outline of Final Research Achievements

In physics and chemistry, geometrical and topological properties of quantum systems can characterize their physical properties and even determines their macroscopic behaviors. Here, using Bose-Einstein condensate of rubidium atoms dressed with precisely-tuned microwave-fields, we successfully quantum-engineered a non-Abelian SU(2) gauge field. By adiabatically controlling the Hamiltonian such that the state follows an adiabatic closed trajectory, we observed a Wilczek-Zee phase, a non-Abelian extension of Berry's geometric phase. We successfully evaluated the Wilczek-Zee phase using quantum process tomography and characterized them in a gauge-independent way in terms of the Wilson loop.

Free Research Field

冷却原子実験

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

量子系の幾何学的・トポロジカルな特性は、物理や化学など分野横断的に議論されており、物性を特徴づけ、マクロな振る舞いさえも決定するなど重要性が高い。冷却原子系は量子シミュレータ、量子コンピュータ、量子センサーのプラットフォームとして注目されており、本研究成果は、非可換な幾何学的位相を用いたスピン・デバイスや量子シミュレーション、量子センサー、ホロノミック量子コンピューティングへの応用が期待される。