光共振器中のRydberg集団励起状態を利用した単一光子の高効率な生成

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近年発展が目覚ましい量子情報や量子計測などの量子技術においては、量子もつれ状態や光子数状態などの量子力学的に特異な性質を持つ光(量子的な光)が重要な役割を担う。そして、このような量子的な光と物質のコヒーレントな相互作用により、光の量子状態の保存や量子的な光同士の非線形な相互作用も実現するなど、量子技術の応用の幅が大きく広がる。 最近、気体中性原子系は実用的な物質量子系として改めて脚光を浴びつつある。このような中で、原子系を用いた量子基盤技術をさらに発展させるために、原子系に適合する量子的な光の高度な生成・制御技術の必要性が増している。そこで、本研究では、高励起状態であるリュードベリ状態に集団的に励起された原子からの光の放射の増強と、光の放出の光共振器による増強効果を併用することで、高純度かつ高い同一性を備えた、原子系に適合する単一光子の高効率な生成を目指す。本研究においては、高効率に単一光子を発生させるために、リュードベリブロッケード効果が有効な微小領域内に捕捉された冷却原子を用いたリュードベリ集団励起状態の生成と、光共振器による単一光子の単一モードへの放出確率の増大という二つの要素を実現する必要がある。それらに向けて、令和4年度には、リュードベリ集団励起状態を生成するための冷却原子集団の作製とその特性評価および、原子集団のリュードベリ状態への励起に用いる光源の周波数安定化を行った。また、単一光子発生の更なる高効率化を図るための光共振器については、共振器ミラーの再評価のための光学系の構築を進めるとともに、共振器安定化のための周波数基準を与えるレーザーの準備を行い、レーザー周波数安定化機構の構築に着手した。