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2024-07-29 22:05:22
パーデュー大学の研究者らは、電子トランジスタと同様に光子（光の最小エネルギー単位）用のトランジスタのように動作する集積光子回路上にアルカリ原子（セシウム）を捕捉した。捕捉された原子は、冷原子集積ナノ光子回路に基づく量子ネットワークを構築する可能性を示している。パーデュー大学理学部の物理学および天文学の准教授チェン・ルン・フンが率いるチームは、アメリカ物理学会の「 フィジカルレビューX。
「私たちは、レーザーを使って集積ナノフォトニック回路上の原子を冷却し、しっかりと閉じ込める技術を開発しました。この回路では、光は小さなフォトニック「ワイヤ」、より正確には、人間の髪の毛の200倍以上の細さの導波管内を伝搬します」と、パデュー量子科学工学研究所のメンバーでもあるフン氏は説明する。 「これらの原子は、華氏マイナス 459.67 度、つまり絶対零度よりわずか 0.00002 度高い温度に「凍結」されており、基本的に静止しています。この低温では、原子は光導波路に向けられた「トラクター ビーム」によって捕捉され、光の波長よりもはるかに短い距離、約 300 ナノメートル、つまりウイルスとほぼ同じサイズで光導波路上に配置されます。この距離では、原子は光導波路内に閉じ込められた光子と非常に効率的に相互作用できます。バーク ナノテクノロジー センターの最先端のナノ加工装置を使用して、直径約 30 ミクロン (人間の髪の毛の 3 分の 1) の円形に光導波路をパターン化し、いわゆるマイクロリング共振器を形成します。光はマイクロリング共振器内を循環し、閉じ込められた原子と相互作用します。」
この研究でチームが実証した重要な機能は、この原子結合型マイクロリング共振器が光子の「トランジスタ」のような役割を果たすことです。チームは、これらの閉じ込められた原子を使用して、回路を通る光の流れをゲートすることができます。原子が正しい状態であれば、光子は回路を通過できます。原子が別の状態であれば、光子は完全にブロックされます。原子が光子と相互作用する力が強ければ強いほど、このゲートの効率は高まります。
「私たちは、最大 70 個の原子を捕らえ、それらをまとめて光子に結合させ、集積光子チップ上でその伝達を制御することができました。これはこれまで実現されていませんでした」と、パデュー大学物理学・天文学部の大学院生である Xinchao Zhou 氏は言います。Zhou 氏は、今年のビルサンド博士論文フェローシップの受賞者でもあります。
研究チーム全体はインディアナ州ウェストラファイエットのパーデュー大学を拠点としている。フン氏は主任研究員を務め、プロジェクトを監督した。周氏は、元ポスドクで現在はバークナノテクノロジーセンターのスニル・バーヴェ教授と共同研究しているツハン・チャン氏が社内で設計・製作した集積回路上に原子を捕らえる実験を行った。実験の重要な部分は周氏と、研究当時はパーデュー大学の元ポスドクで現在は日本の分子科学研究所の助教授である田村光氏が準備した。
「論文で詳細を述べた私たちの技術により、集積光子回路上の多数の原子を非常に効率的にレーザー冷却できます。多数の原子をトラップすると、それらは光子導波路上を伝播する光と集合的に相互作用できます」と Zhou 氏は言います。「これは私たちのシステムにとってユニークなことです。すべての原子は同じで区別がつかないため、同じように光と結合して位相コヒーレンスを構築し、原子が集合的に光とより強力に相互作用できるようになります。すべての漕ぎ手が同期してボートを漕ぐと、同期していないときよりもボートが速く進むことを想像してみてください。対照的に、光子回路に埋め込まれた固体エミッターは、各エミッターに影響を与える環境がわずかに異なるため、ほとんど「同じ」ではありません。多くの固体エミッターが位相コヒーレンスを構築し、冷却原子のように光子と集合的に相互作用するのははるかに困難です。回路にトラップされた冷却原子を使用して、新しい集合的効果を研究することができます」と Hung 氏は言います。
この研究で実証されたプラットフォームは、中性原子に基づく将来の分散型量子コンピューティングのための光子リンクを提供できる可能性があります。また、集団的な光物質相互作用の研究や、量子縮退トラップガスや極低温分子の合成のための新しい実験プラットフォームとしても機能します。
「日常生活で使用されている電子トランジスタとは異なり、私たちの原子結合集積光子回路は量子重ね合わせの原理に従います」とフン氏は説明します。「これにより、閉じ込められた原子、つまり量子ビット内の量子情報を操作して保存することができます。私たちの回路は、保存された量子情報を光子に効率的に転送し、光子を光子ワイヤとファイバー ネットワークを通じて「飛ばして」、他の原子結合集積回路または原子光子インターフェイスと通信することもできます。私たちの研究は、冷原子集積ナノ光子回路に基づく量子ネットワークを構築する可能性を示しています。」
チームはこの研究分野に数年にわたって取り組んでおり、精力的に追求する予定です。この研究に関連する過去の研究成果には、周氏が筆頭著者として2023年に実現した「トラクタービーム」法や、米国特許出願中の2022年に実現したフォトニックチップへの高効率光ファイバー結合など、最近の画期的な成果が含まれています。原子が非常に効率的に冷却され、回路上に閉じ込められることをチームが実証することに成功したことで、新しい研究の方向性が開かれました。この研究の未来は明るく、探求すべき道は数多くあります。
「次に検討すべき有望なステップがいくつかあります」とフン氏は言います。「捕獲された原子を光導波路に沿って整然と配列することができます。これらの原子は、建設的干渉によって集合的に導波路に結合することができますが、破壊的干渉のため、周囲の自由空間に光子を放射することはできません。私たちは、量子システムにおける光子の保存の忠実度を向上させるために近年理論家によって提案された、いわゆる「選択的放射」を実現する最初のナノフォトニック プラットフォームを構築することを目指しています。また、原子と光子の相互作用を伴う少数および多体物理学を研究するために、統合された光子回路上で量子物質の新しい状態を形成することもできます。原子を絶対零度に近い温度に冷却して量子縮退に到達させ、捕獲された原子が強く相互作用するボーズ アインシュタイン凝縮体のガスを形成できるようにすることもできます。また、マイクロリング共振器からの強化された放射結合を使用して、捕獲された原子から冷たい分子を合成することも試みるかもしれません。」
この研究は、米国空軍科学研究局 (助成金番号 FA9550-22-1-0031) および国立科学財団 (助成金番号 PHY-1848316 および ECCS-2134931) の支援を受けて行われました。この研究は、パデュー大学図書館オープン アクセス出版基金の支援を受けて出版されました。量子科学と工学は、パデュー コンピューティングの 4 つの側面の 1 つです。パデュー コンピューティングは、同大学が比類のない卓越性を大規模に実現し、最前線に躍り出ることを可能とする主要な取り組みです。
#研究者は原子を捕らえ光子トランジスタとして機能させる