物理若手コロキウム@早稲田大学 2012年10月20日土曜日午後 http://pcolys.wiki.fc2.com/wiki/%E3%83%8E%E3%83%BC%E3%83%99%E3%83%AB%E8%B3%9E%E9%87%8F%E5%AD%90%E5%85%89%E5%AD%A6%E3%82%BB%E3%83%83%E3%82%B7%E3%83%A7%E3%83%B3?sid=93d7de58e63f6483f159e342b81126c8

2. 量子系の測定と制御
• 猫状態
Ra  Rn  
PMT
a Ra  Alive  b Rn  Dead

3. David Jeffrey Wineland
• Ion Trap
• Born: 1944, Milwaukee,
WI, USA
• Affiliation:
– NIST JILA
– University of Colorado

5. 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
↓

6. 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 ↓

7. 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 ↓

8. 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)

9. Serge Haroche
• Cavity QED (1996)
• Born:
1944, Casablanca, Moro
cco
• Affiliation
– College de France
– Ecole Normale
Superieure

10. Stanford (1972-73)
Harvard (1981)
Yale(1984-1993)

11. Cavity QED
• 光子と原子のカップリング
Atom Photon

12. 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

13. 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 ,

14. 
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

15. 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

16. 
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

17. 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)

18. “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

19. Coffee Break
ノーベル物理学賞と量子エレクトロニクス

20. 1902
• Zeeman効果

21. 1919
• Stark効果

22. 1930
• Raman分光

23. 1943
• Stern-Gerlachの実験
– 原子線によるスピンの観測

24. 1944
• Rabi振動
Institut Neel CNRS/UJF

25. 1964
• メーザー
• レーザー

26. 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

27. 1997
• レーザー冷却技術
University of Heidelberg, Jochim Lab

28. 2001
• アルカリ原子のBose-Einstein
凝縮体の生成

29. 2005
• 光コヒーレンスの理論
• 光コム技術
From Laser focus world

30. 2012
• 量子系の測定と制御
– Ion Trap
– Cavity QED
WinelandはRamseyの博士学生

31. 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

32. 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…

33. 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
原子・分子・固体・光のカップリング
微細加工技術の進歩
レーザー光源の開発
高強度、超挟線幅、波長選択