量子気体顕微鏡による光格子中原子スピンとフォトンのハイブリッド量子制御

• Project Area: Science of hybrid quantum systems
• Project/Area Number: 16H01053
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 高橋 義朗 京都大学, 理学研究科, 教授 (40226907)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000); Fiscal Year 2017: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000); Fiscal Year 2016: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000)
• Keywords: 量子エレクトロニクス / 応用光学・量子光工学 / 原子・分子物理

Outline of Annual Research Achievements

量子気体顕微鏡とは、光格子中に導入された強相関原子系の原子の空間分布を、単一サイトの分解能かつ単一原子の感度での観測を可能にする技術である。これまで、アルカリ原子を主な対象として、様々な量子多体系の現象を直接観測することに適用され、威力を発揮してきた。ただし、これまでの測定は、全て、共鳴光を原子に照射したときの発光を高感度にＣＣＤカメラで検出する、発光イメージング法が用いられている。本研究では、新たに、非共鳴光パルスを用いた分散型イメージング技術である、いわゆるファラデー顕微鏡を、量子気体顕微鏡に対して開発する。特に、光格子中の個々の原子スピンと入射光パルスフォトンとの量子もつれを形成し、測定誘起および測定を介さない原子スピンの量子フィードバック制御を行い、光格子中の原子スピン系に対する新奇の量子制御技術を開拓することを目的とする。
本年度の研究実績として、上記の研究目的に向けて、概ね順調に研究を進めることができ、具体的には、まず、１）スクイーズド光を用いた非破壊型量子気体顕微鏡におけるスキャン型検出法の提案のより詳細な検討、に関する成果を得ることができた。各ビームの空間モードを合致させることで、ある程度の感度の減少を抑えることが可能であることを数値計算で確認した。さらに、２）2次元光格子中原子の局所的操作の実現、に成功した。原子集団の分布の一部が、局所操作用のレーザー光源の照射により、取り除かれる様子を、照射前後の量子気体顕微鏡の画像から確認することができた。また、3）新たなスピン依存型高分解能量子気体顕微鏡に向けた考察、を行った。分散型のファラデー量子気体顕微鏡と超狭線幅遷移を用いたサイドバンド冷却を組み合わせることで新たなスピン依存型高分解能量子気体顕微鏡が実現できることを着想しこの具体的な設計を進めることができた。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Observation of the Mott insulator to superfluid crossover of a driven-dissipative Bose-Hubbard system (2017)
  • Author(s): Tomita Takafumi、Nakajima Shuta、Danshita Ippei、Takasu Yosuke、Takahashi Yoshiro
  • Journal Title: Science Advances Volume: 3 Issue: 12
  • DOI: 10.1126/sciadv.1701513
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Beyond-Born-Oppenheimer effects in sub-kHz-precision photoassociation spectroscopy of ytterbium atoms (2017)
  • Author(s): Mateusz Borkowski, Alexei A. Buchachenko, Roman Ciurylo, Paul S. Julienne, Hirotaka Yamada, Yuu Kikuchi, Kakeru Takahashi, Yosuke Takasu, and Yoshiro Takahashi
  • Journal Title: Phys. Rev. A Volume: 96 Issue: 6
  • DOI: 10.1103/physreva.96.063405
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spin dependent inelastic collisions between metastable state two-electron atoms and ground state alkali-atoms (2017)
  • Author(s): Schafer Florian、Konishi Hideki、Bouscal Adrien、Yagami Tomoya、Takahashi Yoshiro
  • Journal Title: New J. Phys. Volume: 19 Issue: 10 Pages: 103039-103039
  • DOI: 10.1088/1367-2630/aa8cec
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spectroscopic determination of magnetic-field-dependent interactions in an ultracold Yb(3P2)-Li mixture (2017)
  • Author(s): F. Schafer, H. Konishi, A. Bouscal, T. Yagami, and Y. Takahashi
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 96 Issue: 3
  • DOI: 10.1103/physreva.96.032711
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Site-resolved imaging of single atoms with a Faraday quantum gas microscope (2017)
  • Author(s): R. Yamamoto, J. Kobayashi, K. Kato, T. Kuno, Y. Sakura, and Y. Takahashi
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 96 Issue: 3
  • DOI: 10.1103/physreva.96.033610
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetoassociation of a Feshbach molecule and spin-orbit interaction between the ground and electronically excited states (2017)
  • Author(s): Y. Takasu, Y. Fukushima, Y. Nakamura, and Y. Takahashi
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 96 Issue: 2
  • DOI: 10.1103/physreva.96.023602
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Interaction-driven shift and distortion of a flat band in an optical Lieb lattice (2017)
  • Author(s): Hideki Ozawa, Shintaro Taie, Tomohiro Ichinose, Yoshiro Takahashi
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 118 Issue: 17 Pages: 175301-175301
  • DOI: 10.1103/physrevlett.118.175301
  • NAID: 120006767896
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Collisional stability of localized Yb(3P2) atoms immersed in a Fermi sea of Li (2016)
  • Author(s): Hideki Konishi, Florian Schaefer, Shinya Ueda and Yoshiro Takahashi
  • Journal Title: New Journal of Physics Volume: 18 Issue: 10 Pages: 103009-103009
  • DOI: 10.1088/1367-2630/18/10/103009
  • NAID: 120005973372
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 極低温原子で紐解く階層横断エキゾチック物性現象 (2018)
  • Author(s): 高橋義朗
  • Organizer: 研究会「量子クラスターで読み解く物質の階層構造」
• [Presentation] トポロジカル量子ポンピングに対する乱れの効果 (2018)
  • Author(s): 中島秀太, 澤田あずさ, 久野義人, 高橋義朗
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] 光格子中原子における非局所原子相関の光円錐的伝搬 (2018)
  • Author(s): 高須洋介, 八神智哉, 塩津博章, 高橋義朗
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] 光超格子中の短距離量子磁性に対するスピン自由度の効果 (2018)
  • Author(s): 小沢秀樹, 田家慎太郎, 高橋義朗
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] 冷却原子を用いたサウレスポンプ (2018)
  • Author(s): 高橋 義朗
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] 1次元光格子おける拡張Wilson-Diracモデルの量子シミュレータの構築法とそのトポロジカル相 (2018)
  • Author(s): 久野義人, 一瀬郁夫, 高橋義朗
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] Quantum States and Dynamics in a Controlled OpenQuantum System with Ultracold Atoms in an OpticalLattice (2018)
  • Author(s): Takafumi Tomita, Shuta Nakajima, Ippei Danshita, Yosuke Takasu and Yoshiro Takahashi
  • Organizer: The 2nd CEMS International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems (DAQS2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Topological physics explored by ultracold ytterbium atoms (2018)
  • Author(s): Yoshiro Takahashi
  • Organizer: International workshop "Variety and universality of bulk-edge correspondence in topological phases: From solid state physics to transdisciplinary concepts" (BEC2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Hybrid Quantum Control of photon and atomic spin in an optical lattice by a quantum gas microscope (2017)
  • Author(s): Yoshiro Takahashi
  • Organizer: project meeting on MEXT, "Hybrid Quantum Systems" project
  • Place of Presentation: 理化学研究所和光地区生物科学研究棟鈴木梅太郎記念ホール(埼玉・和光市）
  • Year and Date: 2017-02-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum gas microscope for single Yb atom in optical lattice (2017)
  • Author(s): Shuya Yamanaka, Ryuta Yamamoto,Shinichi Sunami,Yoshiki Amano, Yutaro Suzuki, Jun Kobayashi,Yuto Sakura, Y.Takahashi
  • Organizer: project meeting on MEXT, "Hybrid Quantum Systems" project
  • Place of Presentation: 理化学研究所和光地区生物科学研究棟鈴木梅太郎記念ホール(埼玉・和光市）
  • Year and Date: 2017-02-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-equilibrium dynamics of isolated quantum systems on Hubbard model (2017)
  • Author(s): T. Yagami, Y. Takasu, H. Shiotsu, Y. Takahashi
  • Organizer: CREST「量子状態の高度な制御に基づく革新的量子技術基盤の創出」平成29年度第2回公開シンポジウム
• [Presentation] Dynamical quantum phase transition in two dimensional Bose-Hubbard model: Estimation of the Kibble-Zurek mechanism (2017)
  • Author(s): Y. Kuno, K. Shimizu, T. Hirano, Y. Takahashi and I. Ichinose
  • Organizer: CREST「量子状態の高度な制御に基づく革新的量子技術基盤の創出」平成29年度第2回公開シンポジウム
• [Presentation] Large-spin-enhanced short-range quantum magnetism of ultracold ytterbium atoms in a dimerized optical lattice (2017)
  • Author(s): H. Ozawa, S. Taie, Y. Takasu, Y. Takahashi
  • Organizer: CREST「量子状態の高度な制御に基づく革新的量子技術基盤の創出」平成29年度第2回公開シンポジウム
• [Presentation] Towards quantum control of ultracold atoms in an optical lattice by optical means (2017)
  • Author(s): S. Yamanaka, Y. Suzuki, D. Okuno, T. Tomita, S. Sunami, S. Nakajima, J. Kobayashi, Y. Takahashi
  • Organizer: CREST「量子状態の高度な制御に基づく革新的量子技術基盤の創出」平成29年度第2回公開シンポジウム
• [Presentation] Quantum simulation using the 1S0 and 3P0 states of fermionic ytterbium (2017)
  • Author(s): Y. Amano, J. Kobayashi, K. Ono, N. Umetani, F. Sch?fer and Y. Takahashi
  • Organizer: CREST「量子状態の高度な制御に基づく革新的量子技術基盤の創出」平成29年度第2回公開シンポジウム
• [Presentation] Effect of the dissipation on the quantum phase transition of the Bose-Hubbard system with ultracold atoms (2017)
  • Author(s): T. Tomita, S. Nakajima, I. Danshita, Y. Takasu, Y. Takahashi
  • Organizer: CREST「量子状態の高度な制御に基づく革新的量子技術基盤の創出」平成29年度第2回公開シンポジウム
• [Presentation] Development of advanced optical lattice quantum simulator by high-level control of cold atoms / 冷却原子の高度制御に基づく革新的光格子量子シミュレーター開発 (2017)
  • Author(s): 高橋 義朗(Yoshiro Takahashi)
  • Organizer: CREST「量子状態の高度な制御に基づく革新的量子技術基盤の創出」平成29年度第2回公開シンポジウム
• [Presentation] Topological Thouless pumping of ultracold fermions (2017)
  • Author(s): Yoshiro Takahashi
  • Organizer: Novel Quantum States in Condensed Matter 2017 Mini-sympojium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Controlling quantum many-body states and dynamics of strongly correlated bosons with an engineered dissipation (2017)
  • Author(s): T. Tomita, S. Nakajima, I. Danshita, Y. Takasu, Y. Takahashi
  • Organizer: The 2nd Tokyo-Beijing Workshop on Ultracold Atoms
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Non-Equilibrium Dynamics of Isolated Quantum Systems on Bose Hubbard model (2017)
  • Author(s): Y. Takasu, T. Yagami, H. Shiotsu, H. Asaka, Y. Fukushima, Y. Takahashi
  • Organizer: YITP Workshop Quantum：Thermodynamics:Thermalization and Fluctuations (熱力学 ― 熱平衡化とゆらぎ)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-Equilibrium Dynamics of Isolated Quantum Systems on Bose Hubbard model (2017)
  • Author(s): T.Yagami, Y. Takasu, H. Shiotsu, H. Asaka, Y. Fukushima, Y. Takahashi
  • Organizer: YITP Workshop Quantum：Thermodynamics:Thermalization and Fluctuations (熱力学 ― 熱平衡化とゆらぎ)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of the Mott Insulator to Superfluid Crossover of a Driven-Dissipative Bose-Hubbard System (2017)
  • Author(s): T. Tomita, S. Nakajima, I. Danshita, Y. Takasu, Y. Takahashi
  • Organizer: YITP Workshop Quantum：Thermodynamics:Thermalization and Fluctuations (熱力学 ― 熱平衡化とゆらぎ)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Yb原子の1S0と3P0状態を用いた2軌道系の研究 (2017)
  • Author(s): 小林淳, 小野滉貴, 天野良樹, 小西秀樹, 佐藤浩司, 高橋義朗
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] 有限温度ボース・ハバード系の熱力学的量の測定 (2017)
  • Author(s): 高須洋介, 稲葉謙介, 浅賀洋人, 福島由章, 中村悠介, 山下眞, 高橋義朗
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] Non-equilibrium dynamics of ultracold ytterbium atoms in optical lattices (2017)
  • Author(s): Y.Takahashi
  • Organizer: Quantum Optics Ⅸ
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Towards quantum control of ultracold atoms in an optical lattice by optical means (2017)
  • Author(s): S. Yamanaka, S. Sunami, D. Okuno, T. Tomita, Y. Suzuki, S. Nakajima, J. Kobayashi, Y. Takahashi
  • Organizer: International Symposium on Hybrid Quantum Systems 2017 (HQS2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observation of singlet-triplet oscillation of nuclear spins of ultracold neutral atoms in an optical super-lattice (2017)
  • Author(s): H. Ozawa, S. Taie, H. Shiotsu, T. Yagami, Y. Fukushima, Y. Takasu, Y. Takahashi
  • Organizer: International Symposium on Hybrid Quantum Systems 2017 (HQS2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-equilibrium dynamics of ultracold atoms in optical lattices studied with Ytterbium atoms (2017)
  • Author(s): Y.Takahashi
  • Organizer: Bose-Einstein Condensation 2017 - Frontiers in Quantum Gases
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum Feedback Control of Individual Atomic Spins in an Optical Lattice by Quantum Gas Microscopy with a Spatial Light Modulator (2017)
  • Author(s): S. Sunami, R. Yamamoto, S. Yamanaka, E. Chae, Y. Suzuki, Y. Amano, J. Kobayashi, T. Tomita, S. Nakajima, Y. Takahashi
  • Organizer: The 24th General Congress of the International Commission for Optics (ICO-24)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Interactions between localized metastable state Yb atoms and a degenerate Fermi gas of Li (2017)
  • Author(s): Hideki Konishi, Florien Schaefer, Yoshiro Takahashi
  • Organizer: ICOLS 2017 - International Conference on Laser Spectroscopy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Novel phenomena of ultracold atoms in an optical super-lattice (2017)
  • Author(s): Y. Takahashi
  • Organizer: Fudan University Physics Department Colloquium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Topological physics of ultracold atoms in an optical lattice (2017)
  • Author(s): Y. Takahashi
  • Organizer: International Workshop on Topological Structures in Quantum Matter
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Photo-association spectroscopy of ultracold ytterbium atoms: from quantum simulation to fundamental physics (2017)
  • Author(s): 高橋義朗
  • Organizer: 17th Symposium on Molecular Spectroscopy
  • Invited
• [Presentation] 超低温原子気体を用いた量子シミュレーション (2016)
  • Author(s): 高橋 義朗
  • Organizer: 東邦大学理学部コロキウム
  • Place of Presentation: 東邦大学理学部物理学科（東京）
  • Year and Date: 2016-10-16
  • Invited
• [Presentation] 分子の量子気体顕微鏡観測 (2016)
  • Author(s): 小林淳, 蔡恩美, 山中修也, 櫻勇人, 山本隆太, 加藤宏平, 高橋義朗
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学 角間キャンパス (金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-15
• [Presentation] Bose-Hubbard系の量子相転移に対する散逸の効果 (2016)
  • Author(s): 富田隆文, 中島秀太, 高須洋介, 高橋義朗
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学 角間キャンパス (金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-15
• [Presentation] モット絶縁体から超流動状態へのクエンチ後の非平衡ダイナミクスの研究 (2016)
  • Author(s): 浅賀洋人, 高須洋介, 高橋義朗
  • Organizer: 日本物理学会 2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学 角間キャンパス (金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-15
• [Presentation] 量子気体顕微鏡による光格子中原子スピンとフォトンのハイブリッド量子制御 (2016)
  • Author(s): 高橋 義朗,小林 淳,山中 修也,蔡 恩美,山本 隆太,櫻 勇人
  • Organizer: 第3回「ハイブリッド量子科学」領域会議
  • Place of Presentation: 東京理科大学 神楽坂キャンパス 森戸記念館(東京）
  • Year and Date: 2016-08-26
• [Presentation] 光格子中の単一Yb原子の顕微鏡観測 (2016)
  • Author(s): 山中修也,小林淳,山本隆太,蔡恩美,櫻勇人,高橋義朗
  • Organizer: 第3回「ハイブリッド量子科学」領域会議
  • Place of Presentation: 東京理科大学 神楽坂キャンパス 森戸記念館(東京）
  • Year and Date: 2016-08-25
• [Presentation] Inter-sublattice dynamics of ultracold atoms in an optical Lieb lattice (2016)
  • Author(s): Hideki Ozawa, Shintaro Taie, Tomohiro Ichinose, Shuta Nakajima, Yoshiro Takahashi
  • Organizer: The 25th Int'l Conference on Atomic Physics(ICAP2016)
  • Place of Presentation: COEX Convention & Exhibition Center(ソウル市,韓国）
  • Year and Date: 2016-07-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dissipative Bose-Hubbard system with cold atoms in an optical lattice (2016)
  • Author(s): Takafumi Tomita, Shuta Nakajima, Yosuke Takasu, Yoshiro Takahashi
  • Organizer: The 25th Int'l Conference on Atomic Physics(ICAP2016)
  • Place of Presentation: COEX Convention & Exhibition Center(ソウル市,韓国）
  • Year and Date: 2016-07-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum simulation using ultracold atoms in an optical lattice (2016)
  • Author(s): Yoshiro Takahashi
  • Organizer: International Symposium on New Horizons in Condensed Matter Physics
  • Place of Presentation: 東京大学本郷キャンパス小柴ホール(東京)
  • Year and Date: 2016-06-19
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] An ytterbium quantum gas microscope with narrow-line laser cooling (2016)
  • Author(s): Jun Kobayashi
  • Organizer: CEMS Topical Meeting on Cold Atoms
  • Place of Presentation: 理化学研究所大河内記念ホール(埼玉県和光市）
  • Year and Date: 2016-06-10
  • Invited
• [Presentation] A quantum gas microscope for ytterbium atoms (2016)
  • Author(s): Yoshiro Takahashi
  • Organizer: 47th Annual Meeting of the APS Division of Atomic, Molecular and Optical Physics
  • Place of Presentation: Rhode Island Convention Center(Providence, RI,USA)
  • Year and Date: 2016-05-25
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] 【news】冷却量子気体と長距離反強磁性秩序の発現 パリティ, Vol.33 No.04, (2018)
  • Author(s): J. L. ミラー 髙須洋介 訳,
  • Publisher: 丸善出版
  • ISBN: 4910175190481
• [Book] Quantum Simulation Using Ulyracold Ytterbium Atoms in an Optical Lattice(AAPPS, Vol.27, No.1) (2017)
  • Author(s): Yoshiro Takahashi
  • Publisher: AAPPS.BULLETIN
• [Remarks] 京都大学理学研究科量子光学研究室
  • URL: http://yagura.scphys.kyoto-u.ac.jp/
• [Remarks] 日本経済新聞電子版「京大、観測による量子多体状態の制御技術を確立」
  • URL: https://www.nikkei.com/article/DGXLRSP467212_V21C17A2000000/
• [Remarks] Physical Review A誌掲載論文：EDITORS' SUGGESTION
  • URL: https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.96.023602
• [Remarks] Physical Review A誌掲載論文：EDITORS' SUGGESTION
  • URL: https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.96.063405
• [Remarks] New Journal of Physics誌掲載論文：Highlights of 2017
  • URL: http://iopscience.iop.org/journal/1367-2630/page/Highlights-of-2017
• [Remarks] 高橋義朗研究室webページ
  • URL: http://yagura.scphys.kyoto-u.ac.jp/index.html