2022 Fiscal Year Research-status Report
光共振器中のRydberg集団励起状態を利用した単一光子の高効率な生成
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21K03428
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
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) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 単一光子 / 光共振器 / リュードベリ原子 / 冷却原子 / 量子光学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年発展が目覚ましい量子情報や量子計測などの量子技術においては、量子もつれ状態や光子数状態などの量子力学的に特異な性質を持つ光(量子的な光)が重要な役割を担う。そして、このような量子的な光と物質のコヒーレントな相互作用により、光の量子状態の保存や量子的な光同士の非線形な相互作用も実現するなど、量子技術の応用の幅が大きく広がる。 最近、気体中性原子系は実用的な物質量子系として改めて脚光を浴びつつある。このような中で、原子系を用いた量子基盤技術をさらに発展させるために、原子系に適合する量子的な光の高度な生成・制御技術の必要性が増している。そこで、本研究では、高励起状態であるリュードベリ状態に集団的に励起された原子からの光の放射の増強と、光の放出の光共振器による増強効果を併用することで、高純度かつ高い同一性を備えた、原子系に適合する単一光子の高効率な生成を目指す。
本研究においては、高効率に単一光子を発生させるために、リュードベリブロッケード効果が有効な微小領域内に捕捉された冷却原子を用いたリュードベリ集団励起状態の生成と、光共振器による単一光子の単一モードへの放出確率の増大という二つの要素を実現する必要がある。それらに向けて、令和4年度には、リュードベリ集団励起状態を生成するための冷却原子集団の作製とその特性評価および、原子集団のリュードベリ状態への励起に用いる光源の周波数安定化を行った。また、単一光子発生の更なる高効率化を図るための光共振器については、共振器ミラーの再評価のための光学系の構築を進めるとともに、共振器安定化のための周波数基準を与えるレーザーの準備を行い、レーザー周波数安定化機構の構築に着手した。
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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
まず、リュードベリ集団励起状態の生成に向けて、ルビジウム原子のレーザー冷却を行い、磁気光学トラップに捕捉した冷却原子集団の密度を評価した。その結果、密度は10^9/cm^3となった。これにより、圧縮磁気光学トラップを用いた原子集団の高密度化の準備が整った。
また、光子の単一性を確保するための原子のリュードベリ状態の生成に関しては、二光子励起によるリュードベリ励起に用いるレーザー光のうち、波長480 nmのレーザーについて、前年度に生成した誤差信号を用いて実際に周波数安定化を行った。その結果、700±40 kHzの周波数安定度が得られた。これにより、二光子励起によるリュードベリ励起を観測するための準備が整った。
一方、単一光子発生確率増強のための光共振器の構築については、前年度に行った共振器ミラーの特性評価の際に用いたミラーの透過率と散乱ロスの計算方法に誤りが発見されたため、正しい計算方法による計算を行った。また、特性評価の結果、想定よりも大きな散乱ロスが観測されたため、改めて特性評価に着手した。
さらに、光共振器長安定化に向けて、共振器周波数の基準となる波長767 nmのレーザー光源を準備し、カリウム原子の飽和ガスセルの透過光を観測した結果、カリウム原子による吸収を観測することができた。
以上のことから、単一光子の高効率な生成に必要なすべての要素技術の開発が着実に進展しているため、本研究課題はおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、リュードベリ集団励起状態の生成については、磁気光学トラップに捕捉した冷却原子集団に対して、圧縮磁気光学トラップを行い、原子密度10^11/cm^3の実現を目指す。さらに、この原子集団を、リュードベリブロッケードが及ぶ領域である、直径8 μm以下の領域に光双極子トラップを用いて原子集団を捕捉することを目指す。
また、光子の単一性を確保するための原子のリュードベリ状態の生成については、安定化させた光源を用いて二光子励起によるリュードベリ励起の観測を目指す。まずは、リュードベリ励起を用いた電磁場誘起透明化の観測を行い、光源が正しい周波数に安定化されていることを確認する。さらに、二光子励起によるラビ振動の観測を行い、二光子ラビ周波数を測定する。。
単一光子発生確率増強のための光共振器の構築については、改めて共振器ミラーの特性評価を行い、真空チャンバー中に挿入するための光共振器を構築する。
また、光共振器長安定化に向けて、共振器周波数の基準となる波長767 nmのレーザー光源を用いてカリウム原子の飽和吸収スペクトルを観測し、modulation transfer法を用いてレーザー周波数をカリウム原子の遷移周波数に対して安定化させる。さらに、このようにして安定化させたレーザー光に対して光共振器を安定化させることを目指す。
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| Causes of Carryover |
旅費の支出が当初予算よりも少なかったために次年度使用額が生じた。次年度使用額は、次年度の助成金と合わせてに光学部品の購入に充てる予定である。
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