2014 Fiscal Year Annual Research Report
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26286068
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| Research Institution | NTT Basic Research Laboratories |
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Principal Investigator |
向井 哲哉 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 主任研究員 (70393775)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
稲葉 謙介 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 研究主任 (10564990)
今井 弘光 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 研究員 (00649551)
山本 俊 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (10403130)
生田 力三 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (90626475)
BYRNES TIMOTHY 国立情報学研究所, 大学共同利用機関等の部局等, 助教 (50597698) [Withdrawn]
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 量子メモリ / 量子ネットワーク / 冷却原子 / アトムチップ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
通信波長と可視光との量子変換技術を持つ大阪大学では、冷却Ｒｂ原子を量子メモリーとして利用する基礎技術の開発を行った。即ち、光周波数フィルタリングによる微弱光検出技術、および、高繰り返しパルス計測技術を冷却原子系に組み込んだ。その結果、磁気光学トラップにより捕捉した原子を励起して、１光子レベルの散乱光を得る測定を毎秒約100,000 回繰返し実施可能となり、イベント確率が小さい非弾性散乱過程に関しても統計的に優位なデータを得ることが可能となった。
一方冷却原子技術で蓄積を持つＮＴＴでは、アトムチップ上のＢＥＣの内部状態を制御する技術を高めると同時に、光ポテンシャルの導入に向けた準備を行った。即ち、ラジオ波＋マイクロ波で原子の内部状態を制御する技術を利用して、擬１次元磁場ポテンシャル中のボース原子ガスの空間分布を観測することで、冷却原子集団の空間コヒーレンスに関する知見を高めつつ、光ポテンシャルの導入に向けた準備を行った。また、原子と光子との強結合の実現を目的とする光共振器に関しては、ＮＴＴ内のフォトニック結晶（ＰｈＣ）研究グループとの議論により、本研究で使用するＲｂ原子と共鳴する７８０ｎｍの光を透過するＰｈＣに関する検討を開始した。ＰｈＣは、全てＮＴＴ研究所内で作成可能であり、ＰｈＣ研究チームからの協力も得られることから、当初の主たる方針であるファイバー端面を用いる光共振器から、ＰｈＣ共振器を用いる方法に研究の重心をシフトした。
量子情報理論を専門とするＮＩＩでは冷却原子集団を用いる量子情報処理技術に関する理論提案の論文化を行った。 ２０１４年末に本研究の共同研究者のＴｉｍ助教が国外の大学へ異動となった為、ＮＩＩとの共同研究が本科研費の範疇から外れてしまったのは想定外であるが、当初の目的の一つである量子情報処理スキームの論文化に至る成果を創出できたことは幸いであった。
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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
冷却原子系を用いて１光子レベルの量子計測を行う実験に関しては、先行研究を参考にしたレンズ型共振器フィルタを導入することで、当初懸念された冷却光の影響は問題に成らないレベルに抑えられた。また、原子の冷却と分光とを高速で繰返す計測も有効に働くことが確認され、毎秒約100,000個のデータを集めることが可能になった。
冷却原子の制御に関しては、チップ上のＢＥＣの内部状態をラジオ波＋マイクロ波で制御する技術を獲得したが、この方法では同一チップ上の複数の原子集団を独立に制御することは難しい。この点において、光による誘導ラマン遷移は、光を集光したり光導波路を使用できる為、原子集団を局所的に制御できる利点がある。また、誘導ラマン遷移を用いるＲｂ原子の内部状態制御に関しては、エネルギー準位の構造からＤ２線よりもＤ１線の方が有効である（論文準備中）と考えられる為、Ｒｂ原子のＤ１線励起用光源の準備を行い、実験に寄る検証の準備を進めている。
一方、原子-光子間の強結合に向けた光共振器に関しては、ＮＴＴ研究所内のフォトニック結晶研究チームからの協力が得られたことから、当初は代替手段の一つと考えていたフォトニック結晶共振器を用いる方法を第一候補に切り替えて、フォトニック結晶共振器の作製に向けた計算を開始した。また，フォトニック結晶共振器の表面近傍への冷却原子の空間制御に向けた光格子ポテンシャル用光源についても準備を始めている。
研究分担者の一部が、他部署や国外大学へ異動となり、本科研費の範疇から外れる変動は発生したものの、上記のように、研究は概ね順調に進捗している。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度（Ｈ２７年度）は、上記のような研究の進捗を考慮して、大阪大学では冷却原子からの非弾性散乱によるストークス・反ストークス光を用いた量子計測を開始する予定である。即ち、冷却原子集団への書き込み、読み出しに伴って発生するストークス・反ストークス光の内、片方の光子をＰＰＬＮ導波路を用いて通信波長帯へと量子変換し、光ファイバーにより長距離伝送を行った後、変換しなかった光子との間で量子相関を計測する実験を計画している。
またＮＴＴでは、アトムチップに１次元光格子ポテンシャルを導入することで、ボース凝縮体のチップ上での空間制御を行い、固体表面近傍における冷却原子の内部自由度の制御とコヒーレンスの計測を行う予定である。
またこれと並行し、ＮＴＴ内のフォトニック結晶研究グループの協力の下で、ＳｉＮフォトニック結晶光共振器の開発に着手し、フォトニック結晶を伝搬する光子と冷却原子との相互作用の観測を第一段階の目標として研究を進める予定である。
ＮＴＴの冷却原子実験研究では、人的リソースの不足が研究進捗を妨げる最大の課題となっているが、本年度は７月より仏国のＥＳＰＣＩより研修生を受け入れて、研究進捗を図る予定となっている。また、国外大学の准教授となり研究分担者からは外れたＴｉｍ氏の研究室から研修生を受け入れることも準備している。また、これら以外にも、可能な限りポスドク研究員の雇用等により、人的リソースの拡大を目指す計画である。
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| Causes of Carryover |
大阪大学にて、本年度内に購入予定の真空装置の納品が遅れ、２０１５年度の納品と成るため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
大阪大学にて現在使用中の真空装置の一部を改造し、複数の冷却原子を捕捉できる装置へと変更することにより、原子集団間での量子ネットワーク実験を可能とする。
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