物理

研究者らは、量子コンピューティングの可能性のあるタスクのために、トラップされた原子の 3D 格子を作成しましたが、標準技術では原子間隔をあまり制御できません。 今回、研究チームは光ピンセット（原子を捕捉する集光点）とタルボット効果として知られる光学現象を組み合わせて、新しいタイプの 3D 格子を作成しました [1]。 研究チームの 3D ピンセット格子には 10,000 個の原子を収容できるサイトがありますが、いくつかの簡単な修正を加えれば、システムは 100,000 個の原子に達する可能性があります。 このような大きな原子配置は、最終的にはエラー訂正機能を備えた量子コンピューターのプラットフォームとして機能する可能性があります。

3D 光格子は数十年前から存在しています。 それらを作成する標準的な方法には、6 つのレーザー ビームを交差させて、高強度または低強度のスポットのいずれかに原子をトラップする 3D 干渉パターンを生成することが含まれます (概要: 3D 格子内の量子ビットのピンポイントを参照)。 これらの冷原子システムは、精密時計として、また凝縮物質システムのモデルとして使用されてきました。 ただし、原子間の間隔は光の波長によって固定されるため、研究者が原子の挙動に対して持つ制御が制限される可能性があります。

光ピンセットは、原子を捕捉して制御するための代替方法を提供します。 ピンセットアレイを形成するには、研究者は単一のレーザービームをマイクロレンズアレイ（または同様のデバイス）に通し、ビームを複数の明るいスポットの2Dパターンに集束させます。 原子はこれらのスポットの中心に自動的に描画され、単一平面内に配列を形成します (視点: 光ピンセットで保持されたアルカリ原子を参照)。 「私たちはこれらのピンセットアレイを 3 次元に導きます」と、ドイツのダルムシュタット工科大学の Malte Schlosser 氏は言います。

3D 格子を得るために、Schlosser らはタルボット効果を利用しました。タルボット効果は、光が回折格子やマイクロレンズ アレイなどの周期構造に当たるときに発生する干渉現象です。 構造を出る光は、構造を越えた固定距離に明るいスポットの 2D 干渉パターンを生成しますが、最初のスポットに平行な追加のスポット面も生成します。 タルボット効果は、測定を妨げる漂遊原子を捕捉する「余分な」輝点を生成するため、ピンセットアレイ研究にとっては長い間厄介なものと考えられてきました。 研究者らは、余分な明るいスポットに原子を捕捉するように光学システムを意図的に調整することで、この「バグを機能に変えた」とシュロッサー氏は説明する。

研究者らは、800ミリワットのレーザーをマイクロレンズアレイに照射し、レンズの焦点面に777個のアトムトラップの2D正方形アレイを生成した。 しかし、タルボット効果のおかげで、この 2D 配列は 17 の平行平面に再現され、合計 10,000 個の原子トラップが得られました。 「これらのタルボット飛行機は無料で提供されるため、追加のレーザー出力や追加のレーザービームを投入する必要はありません」とシュロッサー氏は言います。

彼らのシステムのデモンストレーションとして、シュロッサーと彼の同僚は、トラップの約 50% にルビジウム原子を充填し、副格子内のすべての原子に光学遷移を誘発できることを示しました。 将来的には、研究チームは集束レーザービームを使用して単一原子を選択的に励起することを計画している。 このような光学制御により、研究者は原子の状態を「読み取る」ことや、原子をいわゆるリュードベリ状態にして隣接原子と相互作用させることが可能になる可能性がある。 原子間相互作用の制御は、2D ピンセット アレイで以前に実証されています。 シュロッサー氏は、3D 格子内に原子間相互作用があると予測していますが、現状では面間の間隔が広すぎます (約 100 μm)。 10 µm 以下の距離が必要です。

研究チームは、格子の間隔を狭めることに加えて、グラフェンなどの材料を模倣できる六角形パターンなど、他のトラップ幾何学形状も探索する予定だ。 研究者らはレーザー出力の向上にも取り組んでいる。 光が増えると、格子内のトラップの数が増加します。 彼らは、電力を 2 倍にすると 30,000 個のトラップが提供され、4 倍にすると 100,000 個近くのトラップが生成されるはずだと推定しています。