冷却イオンのフォノンを用いた量子シミュレータの研究

冷却イオン鎖中のフォノンを用いた量子シミュレーションに必要な要素技術である、(1) 内部状態とフォノン状態の同時測定と (2) ユニタリー発展の時間反転を使ったフォノンの制御方法の開発に取り組んだ。冷却イオン鎖中のフォノンは、その量子状態の制御性の高さからボソン系の量子シミュレーションを実現する物理系として期待されている。その応用例の一つとして、Jaynes-Cummings-Hubbard(JCH)模型がある。JCH模型は、冷却イオンの内部状態とフォノン状態の二つの自由度で記述される。そのため、JCH模型における、量子ダイナミクスを観測するためには、内部状態とフォノン状態で記述される基底での射影測定が必要となる。これまでの研究において、フォノンの個数状態を分解して観測することが実現されている一方で、JCH模型の量子シミュレーションに必要な内部状態まで含めて観測する手法は確立していなかった。そこで本研究では、冷却イオンのフォノンの個数状態を分解して判別する手法に、イオンの内部状態に対して条件付ける手法を組み合わせることで、内部状態とフォノン状態を同時に測ることができる射影測定法を提案した。さらに、実証実験を行いその手法の有用性を確かめた。また、得られた結果を投稿論文としてまとめ国際誌に投稿し、現在査読中である。また、フォノンをベースとした量子シミュレーションを実現する上で、フォノンのダイナミクスをコヒーレントに制御することが重要となる。フォノンの量子ダイナミクスは、各フォノンのモード間相互作用で決定される。つまり、フォノンのダイナミクスを制御するには、いかにしてこのモード間の相互作用を制御するかが問題となる。本研究では、フォノンのダイナミクスの制御のためにユニタリー発展の時間反転を使った手法を提案した。そして実証実験を行い、フォノンのダイナミクスが制御できることを実証した。

冷却イオン鎖中のフォノンを用いた量子シミュレーションに必要な要素技術である、(1) 内部状態とフォノン状態の同時測定と (2) ユニタリー発展の時間反転を使ったフォノンの制御方法の開発に取り組んだ。冷却イオン鎖中のフォノンは、その量子状態の制御性の高さからボソン系の量子シミュレーションを実現する物理系として期待されている。その応用例の一つとして、Jaynes-Cummings-Hubbard(JCH)模型がある。JCH模型は、冷却イオンの内部状態とフォノン状態の二つの自由度で記述される。そのため、JCH模型における、量子ダイナミクスを観測するためには、内部状態とフォノン状態で記述される基底での射影測定が必要となる。これまでの研究において、フォノンの個数状態を分解して観測することが実現されている一方で、JCH模型の量子シミュレーションに必要な内部状態まで含めて観測する手法は確立していなかった。そこで本研究では、冷却イオンのフォノンの個数状態を分解して判別する手法に、イオンの内部状態に対して条件付ける手法を組み合わせることで、内部状態とフォノン状態を同時に測ることができる射影測定法を提案した。さらに、実証実験を行いその手法の有用性を確かめた。また、得られた結果を投稿論文としてまとめ国際誌に投稿し、現在査読中である。また、フォノンをベースとした量子シミュレーションを実現する上で、フォノンのダイナミクスをコヒーレントに制御することが重要となる。フォノンの量子ダイナミクスは、各フォノンのモード間相互作用で決定される。つまり、フォノンのダイナミクスを制御するには、いかにしてこのモード間の相互作用を制御するかが問題となる。本研究では、フォノンのダイナミクスの制御のためにユニタリー発展の時間反転を使った手法を提案した。そして実証実験を行い、フォノンのダイナミクスが制御できることを実証した。