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量子系の測定と制御
• 猫状態
                    Ra  Rn  




                                  PMT




 a Ra  Alive    b Rn  Dead
David Jeffrey Wineland
                 • Ion Trap
                 • Born: 1944, Milwaukee,
                   WI, USA
                 • Affiliation:
                   – NIST JILA
                   – University of Colorado
Ion Trap
    • 振動と励起のカップリング
    • 9Be+
    振動準位       電子励起
                      ↑
4
3
2
1
0

                      ↓
Sideband cooling
• 原子単体の励起光に
  対して赤方離調した        4
                   3
  サイドバンド光を照        2
  射                1
                   0   ↑
• 充分に予冷した段階
  では電子励起による
  放射が支配的           4
  (Lamb-Dicke領域)   3
                   2
• 振動基底状態に集ま        1

  る
                   0   ↓
量子状態の移し替え
1. 最低準位
    0   0 .              4
                            3
2. 励起                       2
                            1
         
    1         0     0   ↑
          0   0 .

3. Red Sideband光 π-pulse
                            4
    2    0    1      3
                            2
           0   1 .   1
                            0   ↓
Winelandの実験(Ion Trap)
• イオンをサイドバンド冷却で基底状態に
• Raman遷移、レーザー冷却、トラップ制御
• Fock状態、熱的状態、コヒーレント状
  態、
• 振動準位の量子状態を電子軌道に転写




               Phys. Rev. Lett. 76, 1796 (1996)
Serge Haroche
                • Cavity QED (1996)
                • Born:
                  1944, Casablanca, Moro
                  cco
                • Affiliation
                  – College de France
                  – Ecole Normale
                    Superieure
Stanford (1972-73)
Harvard (1981)
Yale(1984-1993)
Cavity QED
• 光子と原子のカップリング

 Atom        Photon
Rydberg Atom
Atom
• Rydberg状態のRb原子
• 主量子数の異なる状態を           Rb+

  ビットとして見立てた。
           n=51

       51.1 GHz
       5.9 mm

            n=50
Photon
• Cavity内に閉じ込めら
  れた光子
                     Photon
• 光子数をビットとして
  見立てた。                       27 mm

  0 , 1 , 2 , 3 ,


1. 重ね合わせの作成
                                       n=51

                                 51.1 GHz
                                 5.9 mm
• π/2パルスを照射         
                                       n=50




              
                    1
                                    
                        2
2. 原子と光子の相互作用
• Cavity中にトラップされた光子(非共鳴)
                         
                                          n=51
                                    51.1 GHz- {712,347,104}kHz
                                    5.9 mm
                         
                                          n=50

                         0 Photon

                                          0 
                                                  1
                                                              0
                                                   2


                         1 Photon

 
      1
                                      1 
                                                  1
                                                              1
                                                   2
      2


3. 回転
                                                         n=51

                                                    51.1 GHz
                                                    5.9 mm
• π/2パルスを照射                                
                                                         n=50




                                       原子と光子のエンタングルメント
  0 
         1
                        0    0
         2
                                         0    0   1   

                                        2    0    1


  1 
         1
                        1    1
             2
Harocheの実験(Cavity QED)
• 単一原子をCavity内に通過
  させて、光子とカップリン
  グする。
• 時間τだけ待って、プロー
  ブ用の原子を入れ、光子と
  カップリングする。
• 2個の原子の間の相関を見
  ることで、デコヒーレンス
  の時間τ依存性を評価し
  た。
 Phys. Rev. Lett. 77, 24 (1996)
“Meter”
• 黒体輻射を抑えるために0.6Kに冷却
• CavityはNb超伝導
        Rubidium Oven

                    速度選択 400m/s




励起光1


       励起光2




                        マイクロ波 π/2パルス
Coffee Break
ノーベル物理学賞と量子エレクトロニクス
1902
• Zeeman効果
1919
• Stark効果
1930
• Raman分光
1943
• Stern-Gerlachの実験
  – 原子線によるスピンの観測
1944
• Rabi振動




           Institut Neel CNRS/UJF
1964
• メーザー
• レーザー
1989
• 原子時計
• イオントラップ




                   Heinrich-Heine-University Duessendorf
RamseyはRabiの博士学生     Institute for Experimental Physics
                                  Schiller Lab
1997
• レーザー冷却技術



             University of Heidelberg, Jochim Lab
2001
• アルカリ原子のBose-Einstein
  凝縮体の生成
2005
• 光コヒーレンスの理論
• 光コム技術




               From Laser focus world
2012
• 量子系の測定と制御
   – Ion Trap
   – Cavity QED




WinelandはRamseyの博士学生
量子の測定・制御
  Ion Trap

                              Blatt group@Universitaet Innsbruck
  Nonlinear Optics            GHZ-states with 14-qubits, 40Ca+ in a linear Paul trap,
                              PRL 106, 130506 (2011)




  Super Conductor

  Quantum dots

  Cold Atoms and Molecules
コヒーレンスと制御性の両立が課題             Furusawa group@University of Tokyo
Single-spin addressing with light shift. (alat=532nm)
Nature 471, 319 (2011)


                               Bloch group@Max Planck Institut


Quantum simulation of anti ferromagnetic spin
chains in an optical lattice.
Nature 472, 307 (2011)


                                 Greiner group@ Harvard Univrsity


Clock, Vortex etc…
単一量子系から弁別可能な多数量子系

デコヒーレンスの原因解明と制御

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