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2018 年度 実績報告書

アト秒精度の超高速コヒーレント制御を用いた量子多体ダイナミクスの探求

研究課題

研究課題/領域番号 16H06289
研究機関分子科学研究所

研究代表者

大森 賢治  分子科学研究所, 光分子科学研究領域, 教授 (10241580)

研究分担者 豊田 晴義  浜松ホトニクス株式会社, 中央研究所, 研究主幹 (80393940)
研究期間 (年度) 2016-04-26 – 2021-03-31
キーワード超高速コヒーレント制御 / アト秒 / 量子多体問題 / 量子シミュレーター / 極低温リュードベリ原子
研究実績の概要

1)光格子によって配列されたルビジウム(Rb)・リュードベリ原子集団の電子ダイナミクスを高精度に観測・制御する手法の開発を進め、これを用いて超高速量子シミュレーションを妨げる主要な要因の一つであるイオン化現象を制御することに成功した。
2)前年度に続き、浜松ホトニクス(HPK)グループと共同でRb原子集団の局所的な励起や観察、および原子の任意配列トラップのための装置開発を進めた。HPKグループで開発を進めているホログラムによる原子配列の任意制御技術「ホログラフィック3次元原子トラップ技術」をこの開発中の装置に適用し、Rb原子集団を任意配列する実験に成功した。またHPKグループでは、平成29年度に導入した真空蒸着装置を用いて原子トラップ専用空間光変調素子や特殊光学薄膜を試作し、分子研グループの装置開発に貢献した。
3)超高速量子シミュレーターの読み出しインターフェースであるアト秒精度の時間領域ラムゼイ干渉法において、世界最高レベルの確度に相当するほぼ100%のコントラストを達成した。この成果を、米国物理学会の旗艦誌であるPhysical Review Letters誌に出版した[Phys. Rev. Lett. 121, 173201 (2018)]。
4)米国化学会の旗艦誌であるAccounts of Chemical Research誌の依頼を受けて、超高速量子シミュレーターとアト秒コヒーレント制御についてのこれまでの成果をまとめた解説論文を出版した[Acc. Chem. Res. 51, 1174 (2018)]。
5)超高速量子シミュレーターに関する米国特許を出願し、日本・米国特許出願が公開された[特開2018-180179; 公開日: 2018年11月15日][US 2018/0292786 A1: Publication date : Oct. 11, 2018]。

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

1)トラップ用レーザー・励起用レーザーのモニタリングや精密空調による実験環境の温度安定化を通して精密実験の為のシステム整備を進め、さらにイオンカウンティングによる精密データ計測を活用し、光格子によって配列されたルビジウム(Rb)・リュードベリ原子集団の電子ダイナミクスを高精度に観測・制御する手法を確立した。これを用いて超高速量子シミュレーションを妨げる主要な要因の一つであるイオン化現象を制御することに成功した。
2)Rb原子集団の局所的な励起や観察、および原子の任意配列トラップのために必要なレーザー冷却・トラップ用の光学系を完成させ、真空装置を立ち上げた。そしてHPKグループと緊密に連携し、原子の任意配列トラップのための空間光変調器(SLM)を分子研グループに導入し、Rb原子集団を任意配列トラップする実験に成功した。
3)HPKグループでは、強集光領域での光パターン生成確認実験等により、ホログラフィック3次元原子トラップ技術の開発を進めた。また、原子トラップの光波長に対応した特殊SLMを試作するとともに、量子シミュレーターで使用される紫外~赤外広帯域の光波長に対応した特殊反射防止コーティングを設計・作製した。
4)本研究で開発する超高速量子シミュレーターの装置構成について、日本および米国特許出願が公開され、製品化の可能性も確保しつつ、円滑な研究開発に向けて環境を整備した。

今後の研究の推進方策

光トラップ中に配列された極低温Rb原子集団をピコ秒パルスレーザーでリュードベリ電子状態に励起する事によって強相関電子系を創り出す事が出来る。この強相関電子系の多体波動関数の時間発展(ダイナミクス)を観測・制御する事を目指す。
分子研グループでは平成30年度に引き続き、原子を規則正しく配列する手法の一つとして光格子トラップを利用する。光格子トラップは現有の波長1064nmの高出力連続波レーザーを用いて構築する。この光格子トラップにボーズ・アインシュタイン凝縮した高密度のRb原子集団を導入する事によってRb原子を3次元立方格子状に配列する。このRb原子集団に波長779nmおよび481nmの2色のピコ秒レーザーパルス(ポンプパルス)を照射し強相関リュードベリ状態へと二光子励起する事で、原子間相互作用を制御する。さらに、遅延をつけた同一のレーザーパルス(プローブパルス)を照射し、多体波動関数の超高速ダイナミクスを観測する。ポンプパルスとプローブパルスの時間間隔はアト秒精度で安定化され、原子集団中の1フェムト秒周期の超高速・多体電子運動をアト秒精度で観測・制御することが出来る。また、平成30年度に引き続き、光トラップ中のRb原子集団の局所的な励起や観察を可能にする光学系を備えた実験装置の開発をHPKグループと共同で進める。また、この装置に組み合わせる、原子集団の任意配列トラップの高度化をHPKグループと共同で進める。
HPKグループでは平成30年度に引き続き、ホログラフィック3次元原子トラップ技術の開発および周辺光学技術の整備を進める。分子研の装置設計を補佐するとともに、実験で用いる様々な光波長に対応した特殊仕様光学薄膜の設計と作製を行う。また、ナノメートル領域で任意の原子配列を実現するためのホログラム技術開発も継続し、分子研で構築する超高速量子シミュレーター装置への導入を目指す。

備考

平成30年11月4日の中日新聞・静岡新聞で本課題に関連する報道があった。経産省ものづくり白書(平成30年5月29日発表)の第3章・第3節において本課題の「超高速量子シミュレーター」が取り上げられた。

  • 研究成果

    (32件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件) 学会発表 (24件) (うち国際学会 11件、 招待講演 13件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件) (うち外国 1件)

  • [国際共同研究] Strasbourg大学(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      Strasbourg大学
  • [国際共同研究] Oxford大学(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      Oxford大学
  • [国際共同研究] Heidelberg大学(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Heidelberg大学
  • [国際共同研究] Innsbruck大学(オーストリア)

    • 国名
      オーストリア
    • 外国機関名
      Innsbruck大学
  • [雑誌論文] Attosecond Control of Restoration of Electronic Structure Symmetry2018

    • 著者名/発表者名
      ChunMei Liu, Joern Manz, Kenji Ohmori, Christian Sommer, Nobuyuki Takei, Jean Christophe Tremblay, and Yichi Zhang
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 121 ページ: 173201

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.121.173201

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Ultrafast Coherent Control of Condensed Matter with Attosecond Precision2018

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Katsuki, Nobuyuki Takei, Christian Sommer, and Kenji Ohmori
    • 雑誌名

      Accounts of Chemical Research

      巻: 51 ページ: 1174 - 1184

    • DOI

      10.1021/acs.accounts.7b00641

    • 査読あり
  • [学会発表] 量子力学に残された100年の謎に迫る2019

    • 著者名/発表者名
      K.Ohmori
    • 学会等名
      第1回経団連・産学連携セミナー、経団連会館、東京都
    • 招待講演
  • [学会発表] 「量子シミュレーション」の国内外の動向と課題2019

    • 著者名/発表者名
      K.Ohmori
    • 学会等名
      日本物理学会・第74回年次大会 シンポジウム「量子シミュレーションの最前線:極低温粒子系から探る宇宙・ハドロン・物性物理」、九州大学 伊都キャンパス、福岡県
    • 招待講演
  • [学会発表] 波面制御デバイスとしての空間光変調器とその応用2019

    • 著者名/発表者名
      田中博, 井上卓, 大竹良幸, 豊田晴義
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第39回年次大会, H5, 東海大学 高輪キャンパス
    • 招待講演
  • [学会発表] 位相変調型空間光変調器とその応用2019

    • 著者名/発表者名
      瀧口優
    • 学会等名
      第4回フォトニックデバイス・応用技術研究会, 住友電工株式会社 東京本社3FホールA
    • 招待講演
  • [学会発表] Multiple beam accessing microscope with dynamic wavefront modulation2019

    • 著者名/発表者名
      瀧口優
    • 学会等名
      International Workshop on Bioimaging 2019 , 18-04, 宇都宮大学 陽東キャンパス
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 空間光制御技術を用いた高度イメージング技術2019

    • 著者名/発表者名
      瀧口優
    • 学会等名
      第5回APS 『静岡大学-次世代イメージングを目指した光技術-』, 講演2, 静岡大学 浜松キャンパス
    • 招待講演
  • [学会発表] Ultrafast many-body electron dynamics in a strongly correlated ultracold Rydberg gas2018

    • 著者名/発表者名
      K.Ohmori
    • 学会等名
      CQOM Colloquium, The Center for Quantum Optics and Quantum Matter, Aarhus University, Denmark
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 量子力学に残された100年の謎に迫る2018

    • 著者名/発表者名
      大森賢治
    • 学会等名
      大阪大学博士課程教育リーディングプログラム「インタラクティブ物質科学・カデットプログラム」第6回インタラクティブ交流会, 関西セミナーハウス, 京都(日本)
    • 招待講演
  • [学会発表] 量子力学に残された100年の謎に迫る2018

    • 著者名/発表者名
      K.Ohmori
    • 学会等名
      浜松コンファレンス、アクトシティ浜松 中ホール、静岡県(公益財団法人 光科学技術研究振興財団が主催)
    • 招待講演
  • [学会発表] Ultrafast quantum simulator with ultracold Rydberg atoms in an optical dipole trap2018

    • 著者名/発表者名
      N. Takei, C. Sommer, C. Genes, G. Pupillo, A. Tanaka, M. Mizoguchi, Y. Zhang, S. Takeda, H. Goto, K. Koyasu, H. Chiba, M. Weidemueller, and K. Ohmori,
    • 学会等名
      The 2nd International Symposium on Advanced Photonics, Hotel Kokonoe, Hamamatsu, Japan
    • 国際学会
  • [学会発表] Ultrafast many-body electron dynamics in a strongly-correlated ultracold Rydberg gas2018

    • 著者名/発表者名
      N. Takei
    • 学会等名
      Conference on Laser and Synchrotron Radiation Combination Experiment 2018(LSC2018), Pacifico Yokohama, Kanagawa, Japan
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ultrafast many-body electron dynamics in a strongly-correlated ultracold Rydberg gas2018

    • 著者名/発表者名
      N. Takei
    • 学会等名
      US-Japan QELS-13, the 13th Japan-US Joint Seminar on Quantum Electronics and Laser Spectroscopy, APA hotel Kanazawa station, Ishikawa, Japan
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ultrafast many-body electron dynamics in a strongly correlated ultracold Rydberg gas and its application to ordered systems2018

    • 著者名/発表者名
      A.Tanaka, N. Takei, C. Sommer, C. Genes, G. Pupillo, S. Takeda, M. Mizoguchi, Y. Zhang, K. Koyasu, H. Chiba, M. Weidemueller and K. Ohmori
    • 学会等名
      ICAP 2018, Palau Congressos Barcelona, Barcelona, Spain
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of an ultrafast quantum simulator with ultracold Rydberg atoms in an optical lattice2018

    • 著者名/発表者名
      M. Mizoguchi, A. Tanaka, N. Takei, Y. Zhang, S. Takeda, C. Sommer, K. Koyasu, H. Chiba, T. Kishimoto, G. Pupillo, M. Weidemueller, and K. Ohmori
    • 学会等名
      The 2nd International Symposium on Advanced Photonics, Hotel Kokonoe, Hamamatsu, Japan
    • 国際学会
  • [学会発表] Rydberg excitation of a Bose-einstein condensate and mott insulator with a picosecond laser pulse2018

    • 著者名/発表者名
      M. Mizoguchi, A. Tanaka, N. Takei, Y. Zhang, S. Takeda, K. Koyasu, H. Chiba, T. Kishimoto, G. Pupillo, D. Jaksch, M. Kiffner, A.W. Glaetzle, J. Schachenmayer, G. Masella, M. Weidemueller, and K. Ohmori
    • 学会等名
      ICAP 2018, Palau Congressos Barcelona, Barcelona, Spain
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of a NIM Module adaptor2018

    • 著者名/発表者名
      H. Chiba, T. Toyoda, N. Takei, and K. Ohmori
    • 学会等名
      第34回化学反応討論会、東広島芸術文化ホールくらら、広島
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of a Delay Pulse Generator2018

    • 著者名/発表者名
      T. Toyoda, H. Chiba, N. Takei, and K. Ohmori
    • 学会等名
      第34回化学反応討論会、東広島芸術文化ホールくらら、広島
    • 国際学会
  • [学会発表] 光格子中の極低温リュードベリ原子集団の多体ラムゼー干渉実験装置の開発2018

    • 著者名/発表者名
      K. Matsumoto, A. Tanaka, M. Mizoguchi , Y. Zhang, N. Takei, H. Katsuki, H. Yanagi, and K. Ohmori
    • 学会等名
      第12回分子科学討論会2018、九州大学、福岡県
  • [学会発表] Liquid Crystal Spatial Light Modulator and its Applications2018

    • 著者名/発表者名
      Yu Takiguchi
    • 学会等名
      Joint workshop at Jena, No. 10, Abbe Center of Photonics, Friedrich-Schiller Universitaet
    • 国際学会
  • [学会発表] 位相変調型空間光変調器を用いた3次元多点二光子刺激顕微鏡の開発2018

    • 著者名/発表者名
      瀧口優, Yi Xue, Peter T.C. So, 豊田晴義
    • 学会等名
      第27回日本バイオイメージング学会学術集会, P3, 産業技術総合研究所 つくばセンター共用講堂
  • [学会発表] 位相変調型空間光変調器によるヘリカルビームイメージングの基礎特性評価2018

    • 著者名/発表者名
      瀧口優,豊田晴義
    • 学会等名
      Optics and Photonics Japan 2018 (OPJ2018), 2aP8, 筑波大学 東京キャンパス文京校舎
  • [学会発表] Dynamic point spread function engineering with phase-only spatial light modulator2018

    • 著者名/発表者名
      瀧口優
    • 学会等名
      20th Takayanagi Kenjiro Memorial Symposium, Lectures by Takayanagi Prize Winners 4, 静岡大学 浜松キャンパス
    • 招待講演
  • [学会発表] 点像分布関数制御のための空間光変調器: LCOS-SLM2018

    • 著者名/発表者名
      瀧口優
    • 学会等名
      東京大学ニューロインテリジェンス国際研究機構セミナー, 東京大学 本郷キャンパス
    • 招待講演
  • [学会発表] 浜松ホトニクスにおけるレーザー技術の現状と今後の取組み2018

    • 著者名/発表者名
      豊田晴義
    • 学会等名
      とちぎ光産業振興協会 『光産業技術懇話会』, 宇都宮大学 オプティクス教育研究センター
  • [備考] 分子科学研究所・大森グループホームページ

    • URL

      https://groups.ims.ac.jp/organization/ohmori_g/index.html

  • [産業財産権] 量子シミュレータおよび量子シミュレーション方法2018

    • 発明者名
      酒井寛人, 大森賢治, 安藤太郎, 武井宣幸, 他4名
    • 権利者名
      浜松ホトニクス株式会社、自然科学研究機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      (US) 15/945,016
    • 外国

URL: 

公開日: 2019-12-27  

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