単一原子波束によるコヒーレントおよびインコヒーレント光散乱

核心概念

単一原子波束による光散乱は、原子と散乱光の間に部分的なエンタングルメントが存在するため、コヒーレント成分とインコヒーレント成分の両方を持つ。

要約

単一原子波束によるコヒーレントおよびインコヒーレント光散乱： 研究論文要約

書誌情報: Fedoseev, V., Lin, H., Lu, Y.-K., Lee, Y. K., Lyu, J., & Ketterle, W. (2024). Coherent and incoherent light scattering by single-atom wavepackets. arXiv preprint arXiv:2410.19671.

研究目的: 本研究では、自由空間における単一原子波束による光散乱を調べ、原子-光子エンタングルメントと経路情報という観点から結果を考察することを目的とする。

方法: 光格子から解放された超低温原子を用いて、ハイゼンベルクの不確定性原理で制限された波束から散乱する単一光子を干渉させる思考実験を実現した。波束の膨張中に散乱される光を測定することで、自由空間とトラップされた原子の描像を統合し、散乱光の可干渉性がトラップの有無に依存しないことを示した。

主要な結果:

• 光格子中の原子と自由空間中の原子では、散乱光の可干渉性に違いは見られなかった。
• 散乱光の可干渉性と非可干渉性の比率は、光パルスがトラップ周波数と比較して長いか短いかには依存しなかった。
• 散乱光の可干渉性の減少は、原子波束の空間的広がりと運動量移動に依存することがわかった。
• これらの結果は、光と原子の間の部分的なエンタングルメントと経路情報によって説明できる。

結論: 本研究は、単一原子波束による光散乱が、原子と散乱光の間に部分的なエンタングルメントが存在するため、コヒーレント成分とインコヒーレント成分の両方を持つことを示した。この知見は、量子情報処理や量子計測など、原子と光の相互作用を利用した技術の開発に重要な意味を持つ。

意義: 本研究は、単一原子波束による光散乱におけるコヒーレンスと非コヒーレンスの起源を明らかにした点で、量子光学の分野に貢献するものである。また、量子制御された原子波束を用いた基礎研究の可能性を示すものである。

限界と今後の研究: 本研究では、原子波束は理想的なガウス波束として扱われた。今後の研究では、原子間の相互作用や、より複雑な形状の波束の影響を考慮する必要がある。

統計

リチウム原子の深いトラップ（2π × 256 kHz）におけるデバイ-ワラー因子は0.61であった。
リチウム原子の浅いトラップ（2π × 164 kHz）におけるデバイ-ワラー因子は0.49であった。
ディスプロシウム原子の深いトラップ（2π × 43 kHz）におけるデバイ-ワラー因子は0.87であった。
ディスプロシウム原子の浅いトラップ（2π × 21 kHz）におけるデバイ-ワラー因子は0.74であった。

引用

"What matters is only the partial entanglement between light and atoms."
"Our experiment demonstrates the potential of using atomic Mott insulators to create single-atom wavepackets for fundamental studies."

抽出されたキーインサイト

Coherent and incoherent light scattering by single-atom wavepackets

by Vitaly Fedos... 場所 arxiv.org 10-28-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.19671.pdf

深掘り質問

単一原子波束による光散乱の制御技術は、量子メモリや量子ネットワークといった量子情報処理技術にどのように応用できるだろうか？

単一原子波束による光散乱の制御技術は、量子メモリや量子ネットワークといった量子情報処理技術において、光子と原子間の相互作用を制御する上で極めて重要な役割を果たすと期待されています。

量子メモリへの応用: 本研究で示されたように、原子波束の状態を制御することで、光子のコヒーレント状態とフォック状態の比率を調整できます。これは、光量子情報を原子集団に転写し、任意の時間保持する、つまり量子メモリを実現する上で重要な要素となります。具体的には、光パルスを原子波束に照射することで、光子の量子状態を原子の集団状態に転写し、波束の空間的な閉じ込めを利用して情報を保持します。情報を呼び出す際には、別の光パルスを照射することで、原子集団の状態を光子へと再び転写します。

量子ネットワークへの応用: 量子ネットワークは、量子情報処理において重要な役割を果たす量子もつれ状態にある原子を、空間的に離れた場所に配置し、それらを光子を用いて接続することで構築されます。本研究で示された、原子波束を用いた光子のコヒーレントな散乱制御は、高効率な光子-原子間の量子もつれ生成に利用できる可能性があります。これにより、量子ネットワークにおけるノード間を結ぶ、高忠実度の量子通信の実現が期待されます。

原子間の相互作用が強い系では、光散乱のコヒーレンス性にどのような影響が現れるだろうか？

原子間の相互作用が強い系では、光散乱のコヒーレンス性は大きく影響を受けます。本研究では、希薄な原子集団を扱っており、原子間の相互作用は無視できる程度でした。しかし、高密度な原子集団や、リドベルグ原子のように原子間相互作用が強い系では、以下のような現象が考えられます。

超放射と亜放射: 原子間の距離が光の波長よりも短くなると、原子集団は単一のアンテナのように振る舞い、超放射と呼ばれる、光子の放出が加速される現象が起こります。逆に、特定の条件下では、光子の放出が抑制される亜放射も起こります。これらの現象は、原子間の相互作用によって、原子集団のエネルギー準位が変化し、光子との相互作用ダイナミクスに影響を与えることで起こります。

双極子-双極子相互作用: 励起状態の原子と基底状態の原子間には、双極子-双極子相互作用が働き、これが光散乱のコヒーレンス性に影響を与える可能性があります。本研究でも触れられているように、これは磁気光学トラップにおける「放射性脱出」と呼ばれる損失過程の一因となります。強い双極子-双極子相互作用は、原子集団におけるデコヒーレンスを促進し、光散乱のコヒーレンス性を低下させる可能性があります。

多体効果: 原子間の相互作用が強い系では、多体効果によって、個々の原子の振る舞いからは予測できないような、新規な光学応答が現れる可能性があります。例えば、光誘起透明化やフォトンブロッケードといった現象は、原子間の相互作用によって引き起こされる、興味深い光学現象です。
これらの現象は、量子情報処理や量子シミュレーションなど、様々な分野への応用が期待されています。

本研究で用いられた原子波束の制御技術は、他の量子系、例えば固体中の電子や光子の制御にも応用できるだろうか？

本研究で用いられた原子波束の制御技術は、固体中の電子や光子の制御にも応用できる可能性を秘めています。ただし、固体は原子気体とは異なり、格子振動や不純物など、環境との相互作用が強いため、そのまま適用することは困難です。

固体中の電子: 固体中の電子は、原子核のポテンシャルによって規則的に配列しており、その運動はブロッホ波で記述されます。原子波束の制御技術を応用するためには、固体中の電子を空間的に閉じ込め、波束を形成する必要があります。量子ドットや量子細線などのナノ構造を用いることで、電子を空間的に閉じ込め、人工的な原子系を実現することができます。このような系において、本研究で培われた原子波束の制御技術を応用することで、電子の量子状態を精密に制御し、新規な量子デバイスの開発に繋がる可能性があります。

光子の制御: 光子は、質量がゼロで相互作用が弱いため、制御が難しい対象です。しかし、近年、フォトニック結晶やメタマテリアルといった、人工的な光学材料を用いることで、光をナノスケールで制御する技術が発展しています。これらの技術と原子波束の制御技術を組み合わせることで、光子の量子状態を制御し、量子情報処理や量子通信への応用が期待されます。
具体的には、フォトニック結晶中の欠陥に原子を導入し、原子と光子の相互作用を制御することで、単一光子レベルでの光制御や、光を用いた量子メモリの開発などが考えられます。
これらの応用を実現するためには、固体中の電子や光子の特性に合わせて、原子波束の制御技術をさらに発展させる必要があります。しかし、本研究で示された原子波束の制御技術は、他の量子系への応用という新たな可能性を拓くものであり、今後の発展が期待されます。