| 研究課題/領域番号 |
22K03496
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分13020:半導体、光物性および原子物理関連
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| 研究機関 | 学習院大学 |
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研究代表者 |
柴田 康介 学習院大学, 理学部, 助教 (90735440)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
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| キーワード | 量子非破壊測定 / ボースアインシュタイン凝縮体 / スピンショットノイズ / 量子気体 / 冷却気体 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
量子力学における測定の重要性は、量子情報処理、量子計測などの多岐にわたる。その中で、量子非破壊測定を用いた物理量の連続測定は、量子力学の基礎の検証という学術的意義に加え、古典限界を上回る計測を達成しうる手段としても注目される。これまで、単一の量子系の量子非破壊的連続観測が実証されてきている。本研究では、従来の研究の枠を超えて、量子非破壊的な連続観測を複数の物理量について行う。具体的には、中性ルビジウム原子のボース・アインシュタイン凝縮体(BEC)の集団スピンを複数の地点について連続的にプローブし、系のダイナミクスや量子相関（スピンスクイージング）について研究する。
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| 研究実績の概要 |
本研究では、ルビジウム原子のボースアインシュタイン凝縮体のスピンを連続的に量子非破壊測定する。原子集団を通過したプローブ光の偏光回転角を測定することで、スピンの量子非破壊測定が実現される。この偏光回転測定によるスピン測定の信号対雑音比は、原理的にプローブ光の光ショット雑音で制約される。一方で、ボースアインシュタイン凝縮体のスピン測定においては、プローブ光による原子集団の加熱およびスピン状態の変化を十分に小さくする必要があり、プローブ光を強めることができない。この理由によって、スピン測定の精度が光ショット雑音によって制約されていた。この制約を克服するため、スピンによる偏光回転信号の増大を目指し、ボースアインシュタイン凝縮体の形状変更技術の開発に取り組んだ。音響光学素子を用いてボースアインシュタイン凝縮体を捕獲するトラップ光のプローブ進行方向に沿ったサイズを拡大した。拡大されたトラップ光中にボースアインシュタイン凝縮体を準備することにも成功した。さらに、複数のボースアインシュタイン凝縮体の並列測定を可能とすべく、波長532nmの斥力光ポテンシャルを導入し、ボースアインシュタイン凝縮体を分割できるようにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
ボースアインシュタイン凝縮体のスピンの量子非破壊測定にあたっては、プローブ光のもたらす好ましくないスピン変化とプローブ光によるフォトンショット雑音とのトレードオフが避けられない。本年度に開発した原子集団の整形技術は、測定の量子非破壊性を高めるために重要なものであったと考える。また、本研究課題の目標の１つは、相互作用する複数の系の連続的量子非破壊測定であり、相互作用性のコントロールに使える斥力ポテンシャルの導入に成功したことで、目標の実現に近づいたと考える。
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| 今後の研究の推進方策 |
測定によって条件づけられた非古典的状態が、長時間にわたって維持されるのかを第一に検証する。空間的なエンタングルメントが形成される可能性にも着目する。また、連続的な量子非破壊測定を利用し、環境雑音の下でも古典限界を上回る精度でスピンを測定できる可能性がある。ただし、どの程度古典限界を超えられるかは、雑音の特性によるため、実際のBECにおいて、連続非破壊測定によって環境雑音に対して堅牢なスピン空間分布を測定可能か検証する。
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