イオンをもちいたハバード模型の量子シミュレーションに関する研究

• 研究課題/領域番号: 26400418
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 原子・分子・量子エレクトロニクス
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 豊田 健二 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (20314403)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2016年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2015年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2014年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
• キーワード: イオントラップ / 量子シミュレーション / 量子情報処理 / 量子情報 / レーザー冷却 / 量子計算 / 量子エレクトロニクス / ジェインズ・カミングス・ハバード模型 / ハバード模型

研究成果の概要

本研究では、トラップされたイオンの系を用い、固体中の強く相互作用する電子系の基本的な特徴を捉えるような物理的模型をシミュレートすることに向けて、また振動量子（フォノン）を用いた量子情報処理実現にむけて、基礎的な研究を行った。イオンを個別に高強度で光励起できる光学システムを構築し、それを用いてJaynes-Cummings-Hubbard模型の量子シミュレーションを2-4個のカルシウムイオン配列を用いて行い、モット絶縁体と超流動体間の転移を観測した。また2個のフォノンの量子干渉（ホン・オウ・マンデル効果）、1個のフォノンが4サイトを伝搬する量子ウォークを、いずれも初めて観測することに成功した。

研究成果

• [雑誌論文] Frequency Measurement System of Optical Clocks Without a Flywheel Oscillator (2016)
  • 著者名/発表者名: Miho Fujieda, Tetsuya Ido, Hidekazu Hachisu, Tadahiro Gotoh, Hiroshi Takiguchi, Kazuhiro Hayasaka, Kenji Toyoda, Kenji Yonegaki, Utako Tanaka, and Shinji Urabe
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 巻: 63 号: 12 ページ: 2231-2236
  • DOI: 10.1109/tuffc.2016.2615119
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hong-Ou-Mandel interference of two phonons in trapped ions (2015)
  • 著者名/発表者名: Kenji Toyoda, Ryoto Hiji, Atsushi Noguchi, and Shinji Urabe
  • 雑誌名: Nature 巻: 527 号: 7576 ページ: 74-77
  • DOI: 10.1038/527045a
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Aharonov-Bohm effect in the tunneling of a quantum rotor in a linear trap (2014)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Noguchi, Yutaka Shikano, Kenji Toyoda, and Shinji Urabe
  • 雑誌名: Nature Commun 巻: Vol.5 号: 1 ページ: 3868-3868
  • DOI: 10.1038/ncomms4868
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 冷却イオンの量子エンタングルメント生成 (2014)
  • 著者名/発表者名: 野口篤史, 豊田健二, 占部伸二
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: 69 ページ: 308-313
  • 査読あり
• [学会発表] 冷却イオンを用いた4サイトJaynes-Cummings-Hubbard模型の量子シミュレーション (2017)
  • 著者名/発表者名: 劉福海, 丸橋裕一, 豊田健二
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会(2017年)
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] イオンを用いた複数動径振動モードのフォノン数分解検出 (2017)
  • 著者名/発表者名: 丸橋裕一, 劉福海, 豊田健二
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会(2017年)
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] Quantum simulation with an array of Jaynes-Cummings systems using trapped ions (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Toyoda
  • 学会等名: The 1st Asia-Pacific Workshop on Trapped Quantum Systems (APTQS2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Phonon-number-resolving detection of multiple radial phonon modes with trapped ions (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Maruhashi, Fukukai Ryu, Kenji Toyoda
  • 学会等名: The 24th Congress of the International Commission for Optics
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum simulation of the Jaynes-Cummings-Hubbard model with four trapped ions (2017)
  • 著者名/発表者名: Fukukai Ryu, Yuichi Maruhashi, Kenji Toyoda
  • 学会等名: International Conference on Laser Spectroscopy
  • 国際学会
• [学会発表] Phonon-number-resolving detection of radial vibrational modes in trapped ions (2017)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Maruhashi, Fukukai Ryu, Kenji Toyoda
  • 学会等名: International Conference on Laser Spectroscopy
  • 国際学会
• [学会発表] 冷却イオンを用いた局所フォノンのホッピングダイナミクスの観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 田村昌也、田中歌子、向山敬、豊田健二
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] イオンを用いたJaynes-Cummings-Hubbard模型におけるポラリトン数分散の評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 冨桝豪、田中歌子、向山敬、豊田健二
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
• [学会発表] イオン配列中フォノンの光制御と情報処理への応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 豊田健二
  • 学会等名: 応用物理学会・量子エレクトロニクス研究会「光操作の最前線」
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum information processing and quantum simulation based on phonons in trapped ions (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Toyoda and S. Urabe
  • 学会等名: ECTI 2016 - European Conference on Trapped Ions
  • 発表場所: Waldhotel National Arosa, Switzerland
  • 年月日: 2016-08-29
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 個別アクセス光ビームを用いたJaynes-Cummings-Hubbardモデルの局所操作 (2016)
  • 著者名/発表者名: 村上慶、比治諒人、豊田健二、占部伸二
  • 学会等名: 日本物理学会 第71回年次大会（2016年）
  • 発表場所: 東北学院大学
  • 年月日: 2016-03-22
• [学会発表] イオンの振動量子状態のモード間結合の実現 (2015)
  • 著者名/発表者名: 洲崎景介, 戸次翔太, 豊田健二, 占部伸二
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学
  • 年月日: 2015-09-19
• [学会発表] 光マルチアクセスによるJaynes-Cummings-Hubbard模型の量子シミュレーションの多サイト化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 河野修久，比治諒人，野口篤志A，豊田健二，占部伸二
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学 早稲田キャンパス
  • 年月日: 2015-03-24
• [学会発表] 搬送波位相衛星双方向比較による40Ca+イオンの4s 2S1/2 - 3d 2D5/2遷移周波数の測定 (2015)
  • 著者名/発表者名: 米垣賢治，豊田健二，田中歌子，占部伸二，藤枝美穂，早坂和弘，井戸哲也
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学 早稲田キャンパス
  • 年月日: 2015-03-24
• [学会発表] Quantum Simulation of the Jaynes-Cummings-Hubbard Model Using Trapped Ions (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Toyoda, A. Noguchi and S. Urabe
  • 学会等名: TCP 2014 - The sixth international conference on Trapped Charged Particles and Fundamental Physics
  • 発表場所: Kagawa International Conference Hall, Takamatsu Symbol Tower 6F
  • 年月日: 2014-12-05
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum Simulation of the Jaynes-Cummings-Hubbard Model Using Trapped Ions (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Toyoda, A. Noguchi and S. Urabe
  • 学会等名: ECTI 2014 - 3rd European Conference on Trapped Ions
  • 発表場所: Schloss Waldthausen, Germany
  • 年月日: 2014-09-19
  • 招待講演
• [備考] Urabe lab., Osaka univ.
  • URL: http://www.qe.ee.es.osaka-u.ac.jp/
• [備考] Expect new quantum information and ...
  • URL: http://resou.osaka-u.ac.jp/en/research/2014/20140513_2