Quantum information processing with cold Rydberg atoms

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本研究の目的は、冷却リドベルグ原子を用いてスピン系量子シミュレータを実現することである。空間光位相変調器を用いた光マイクロトラップアレーとリドベルグ状態間の長距離相互作用を組み合わせることで、スピン配置及びスピン間の相互作用といったパラメータを制御することが可能となる。さらに、原子間距離を数μm程度まで離すことができるため、個々の単一原子を高効率に観測及び制御することも可能である。昨年度では、本研究に必要な実験基盤として、欠損のない単一原子アレーの実現手法やリドベルグ状態へ原子を励起するためのレーザー光源の開発を行った。そして、各原子の基底状態をダウンスピン、リドベルグ状態をアップスピンとしたスピン1/2イジングモデルのダイナミクスの実験シミュレーションを行った。本年度は、昨年度に行った実験結果の詳細な解析に取り組み、開発した量子シミュレータの性能評価を行った。この解析の結果、本量子シミュレータは10個以下の量子スピン系のコヒーレントな時間発展のダイナミクスを短時間領域で忠実に再現し、時間の増加とともに理論計算結果とのずれが大きくなることが分かった。この理論とのずれは、主に三つのリドベルグ原子系特有の効果：(1)リドベルグ状態からの自然放出の効果, (2)相互作用揺らぎの効果, (3)リドベルグ状態間の相互作用による他の準位への結合の効果から生じていることが考えられ、今後の実験装置の改良点及び指針を見出すことができた。