Quantum state control of atoms trapped in a nanofiber cavity with high-resolution imaging system

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ナノファイバー共振器中に閉じ込められた光と、単一原子を用いた共振器量子電気力学(cQED)系は、従来の自由空間型cQED系にくらべ、原子-光の相互作用を大幅に増強できることから、量子ネットワークや分散型量子計算の有力な候補である。近年、共振器の性能が飛躍的に発展している一方、量子ゲート操作に欠かせない表面近傍における原子の操作性の改善が課題である。本研究では、ナノファイバーcQED系と単一原子制御技術を組み合わせることが可能な、高空間分解能をもつイメージング装置の開発を行った。このイメージング系は、(1) 光ピンセットによる単一原子トラップ、および、(2) 原子の蛍光測定を可能とする設計・実装を行った。室温変化等による結像度の揺らぎを抑制するために、真空槽中の対物レンズを稼働ステージ上に配置することで、フィードバック制御を実現した。この際、光ピンセットに用いるレーザー光の、ナノファイバーからの反射光を測定することにより、光ピンセットのビームサイズ、および集光場所の実時間測定が可能となることを確認した。イメージング系の性能評価を踏まえて、単一原子のトラップ、および蛍光イメージングに応用した。レーザー冷却を用いることで、ナノファイバー近傍の光ピンセットに原子をトラップすることを目指した。冷却中に放出される蛍光を断続的に測定することで、原子数が0, 1, 2と変化する際に、放出される光子数が異なり、トラップされた原子数を判別できることを確認した。一方、予定より1年早く本研究を終了するため、時間の制約上、原子の内部状態の制御には取り組めていなが、必要となる要素技術(イメージング系の開発・単一原子のトラップ)を実現した。