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

2020 年度 実績報告書

• 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) 光格子中のルビジウム（Rb）・リュードベリ原子集団に量子格子模型をマッピングし、平均場近似では全く説明できない超高速・多体電子ダイナミクスをアト秒精度で観測・制御することに成功した。これによって、超高速量子シミュレータ標準ハードウェアの動作検証がほぼ完了した。
(2) 標準ハードウェアの隣接サイトでリュードベリ電子軌道が重なり合う、革新的な量子シミュレーション・プラットフォーム「金属状の量子気体」を実現しPhysical Review Letters誌に出版した。本成果は日米欧等、世界中の50以上の新聞・ニュースメディアで大々的に報道された。
(3) Rb原子集団の任意配列トラップ、局所励起、時空間観測を行うための装置が大きく発展した。リュードベリ励起の新手法として2段階共鳴励起法を確立し、これまで10%以下であった励起効率を約50%まで向上させた。また、時間領域ラムゼイ干渉法の測定範囲を、従来の最大0.6ナノ秒から最大3ナノ秒まで拡張した。これらの改善により、これまで測定が困難な領域であった原子間距離1.2～3ミクロンにおける、リュードベリ相互作用の距離・角度・主量子数依存性の定量的測定が可能になった。
(4) 高精細・高精度な光パターンを安定的に生成可能な新規ホログラム設計手法を確立した。本手法を原子配列用光パターン、および計画2年目に確立したホログラフィック疑似乱数パターンの設計に適用し、サブミクロン間隔の原子配列パターン生成を実現するとともに、疑似乱数パターンの制御性を改善した。さらに、これらの規則・不規則パターンを用いた原子捕捉に成功し、冷却原子操作全般に有効な光学技術の確立に至った。特にプログラマブルな不規則パターンで原子をトラップすることによって、乱雑系の超高速量子シミュレーションに対応した動作モードへの拡張に成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [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(オーストラリア)
  • 国名: オーストラリア
  • 外国機関名: Innsbruck大学
• [雑誌論文] アト秒精度の極低温・超高速量子シミュレータ (2021)
  • 著者名/発表者名: 素川靖司、富田隆文、Sylvain de Leseleuc、安藤太郎、武井宣幸、大森賢治
  • 雑誌名: 固体物理 巻: Vol. 56 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] 位相変調型液晶空間光変調器と点像分布関数制御工学への応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 瀧口優
  • 雑誌名: 日本液晶学会誌 巻: Vol. 25 ページ: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrafast creation of overlapping Rydberg electrons in an atomic BEC and Mott-insulator lattice (2020)
  • 著者名/発表者名: Michiteru Mizoguchi, Yichi Zhang, Masaya Kunimi, Akira Tanaka, Shuntaro Takeda, Nobuyuki Takei, Vineet Bharti, Kuniaki Koyasu, Tetsuo Kishimoto, Dieter Jaksch, Alexander Glaetzle, Martin Kiffner, Guido Masella, Guido Pupillo, Matthias Weidemueller, Kenji Ohmori
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 ページ: 253201
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.253201
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Ultrafast and ultracold quantum simulator with attosecond precision (2021)
  • 著者名/発表者名: 大森賢治
  • 学会等名: EU FET Project COPAC Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] アト秒精度の超高速量子シミュレータ開発と量子コンピュータへの応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大森賢治
  • 学会等名: 第68回応用物理学会・春季学術講演会・シンポジウム「量子コンピュータの現状と展望」
  • 招待講演
• [学会発表] リュードベリ原子量子シミュレータ・コンピュータ (2021)
  • 著者名/発表者名: 富田隆文
  • 学会等名: 量子情報春の学校2021
  • 招待講演
• [学会発表] Many-body physics with Rydberg atoms in arrays of optical tweezers (2021)
  • 著者名/発表者名: Sylvain de Leseleuc
  • 学会等名: オンラインワークショップ 「物理工学の新展開」
  • 招待講演
• [学会発表] 1次元Bose-Hubbard模型の非エルゴード的ダイナミクスに対する閉じ込めポテンシャルの効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 國見昌哉
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] 位相変調型空間光変調器の機能とその応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 瀧口優、田中博、豊田晴義
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第41回年次大会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Ultrafast quantum simulator with attosecond precision at ultracold temperatures (2020)
  • 著者名/発表者名: 大森賢治
  • 学会等名: India-Japan webinar on quantum technologies, organized by the Embassy of India, Tokyo, supported by the governments of India and Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Ultrafast quantum simulator with attosecond precision at ultracold temperatures (2020)
  • 著者名/発表者名: 大森賢治
  • 学会等名: Fundamental Sciences and Quantum Technologies using Atomic Systems (FSQT 2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Rydberg原子配列で広がる量子シミュレーション・コンピューテーションの可能性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 富田隆文
  • 学会等名: 第2回冷却原子研究会「アトムの会」
  • 招待講演
• [学会発表] 冷却Rb原子の無欠陥な任意配列の実装 (2020)
  • 著者名/発表者名: 周諭来、Sylvain de Leseleuc、富田隆文、Mahesh Tirumalasetty Panduranga、孟増明、Vineet Bharti、素川靖司、武井宣幸、岡野泰彬、千葉寿、酒井寛人、大林寧、瀧口優、安藤太郎、大森賢治
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] Observation of a symmetry-protected topological phase of interacting bosons with Rydberg atoms (2020)
  • 著者名/発表者名: Sylvain de Leseleuc
  • 学会等名: IOP Publishing A VIRTUAL CONFERENCE QUANTUM2020
  • 国際学会
• [学会発表] Truncated Wigner近似を用いたボース気体と量子スピン系の非平衡ダイナミクスの研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 國見昌哉
  • 学会等名: 第2回冷却原子研究会「アトムの会」
• [学会発表] 誘電体多層膜を適用した光線角度フィルタリング法 (2020)
  • 著者名/発表者名: 渡邊翼、酒井寛人、大竹良幸
  • 学会等名: Optics & Photonics Japan 2020
• [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] QUANTUM SIMULATOR AND QUANTUM SIMULATION METHOD (2021)
  • 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、大学共同利用機関法人 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 2021/0011430 A1
  • 外国
• [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 (2020)
  • 発明者名: 酒井寛人, 大森賢治, 安藤太郎, 他5名
  • 権利者名: 浜松ホトニクス株式会社、大学共同利用機関法人 自然科学研究機構
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2020-145826
• [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 (2020)
  • 発明者名: 酒井寛人, 大森賢治, 安藤太郎, 他5名
  • 権利者名: 浜松ホトニクス株式会社、大学共同利用機関法人 自然科学研究機構
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 特願2020-145812
• [産業財産権] QUANTUM SIMULATOR AND QUANTUM SIMULATION METHOD (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、大学共同利用機関法人 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 10,824,114 B2
  • 外国
• [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 (2017)
  • 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、大学共同利用機関法人 自然科学研究機構
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 設定登録済、登録番号待ち