2021 Fiscal Year Annual Research Report
強相関リュードベリ原子を用いた非平衡量子開放系の量子シミュレーション
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21H01021
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
素川 靖司 分子科学研究所, 光分子科学研究領域, 助教 (70768556)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 量子シミュレーション / 冷却原子 / 量子多体系 / 広帯域レーザー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、冷却原子集団をリュードベリ励起および量子制御し、大規模な開放量子多体系の量子シミュレーションを行うことを目的としている。本年度は孤立量子系の多体スピンダイナミクスの研究を進めた。格子間隔532nmの3次元光格子中に生成したルビジウム(Rb)原子のモット絶縁体を、広帯域レーザーによってリュードベリ励起し、アト秒精度の時間領域ラムゼイ干渉によって、ピコ秒スケールの多体ダイナミクスを観測することに成功している。イジング模型を用いた理論解析を行い、新たに論文にまとめた（arXiv:2201.09590）。観測した多体スピンダイナミクスは平均場近似と半古典近似では全く説明できず、多体相関を適切に取り入れた移動平均クラスター展開、厳密解によって説明できることを明らかにした。次に、上記の多体スピンダイナミクスの研究を、等方的ファンデルワールス相互作用が働くリュードベリ状態へ拡張するために、広帯域パルスレーザー系の改良を行い、バンド幅をより広範囲に調整できるようにするとともに、アト秒精度の時間領域ラムゼー干渉の最大遅延時間を数ナノ秒まで拡張した。極低温Rbモット絶縁体を単一のリュードベリ状態へ選択的に励起し、明瞭なラムゼイ干渉稿を観測するとともに、平均場近似では全く説明ができない多体ダイナミクスを観測することに成功した。これらの成果は、広帯域レーザーを用いることで、隣接サイト間のリュードベリ・ブロッケードさえも回避でき、GHzオーダーの長距離相互作用が働く大規模な量子多体系が実現できたことを意味している。
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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
研究実績の概要でも示した通り、強相関リュードベリ原子集団を用いた大規模な量子シミュレーションに向けて、3次元光格子中に生成した極低温Rb原子のモット絶縁体を、広帯域レーザーによってリュードベリ励起し、ピコ秒スケール多体ダイナミクスを観測した。さらに、イジング模型を用いた理論解析によって多体相関の形成について知見も得た（arXiv:2201.09590）。これらの成果は、極低温リュードベリ原子集団を用いた開放量子系の研究を進めていく上で重要なステップである。また、リュードベリ状態へのレーザー励起確率の増大と安定化を目的としたパルスレーザー系の技術開発を進め、周波数領域の光学干渉を用いたチャープ・パルスの評価手法等の研究を進めた。さらに、リュードベリ・ブロッケード効果が重要となる連続波(CW)レーザーを用いたリュードベリ励起に向けても光源等の準備を進めた。
関連論文としてプレプリントを含め計3報の学術論文を発表した。
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| Strategy for Future Research Activity |
極低温リュードベリ原子集団を用いて強相関量子開放系をエンジニアリングするための手法の開発を進める。具体的には、本課題で提案する励起手法を実現するために、広帯域パルスレーザー及び連続波レーザーを用いたリュードベリ励起の手法をそれぞれ確立することを目指す。まず、前者の広帯域レーザーを用いたリュードベリ励起については、冷却Rb原子集団中のほぼ全ての原子を単一のリュードベリ状態へ励起することを目指す。また、後者については、線幅狭窄化した半導体レーザー光源を用いて、冷却ルビジウム(Rb)原子を電子基底状態から単一リュードベリ状態へ2光子励起を実現する。リュードベリ・ブロッケード効果を観測し、ブロッケード半径を制御することを目指す。上記の実験と並行して、リュードベリ励起された原子の内部状態を量子制御する手法の開発も進める。加えて、広帯域パルスレーザーによってリュードベリ励起された極低温原子集団の非平衡多体ダイナミクスを理論・実験の両面から理解することを目指す。
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