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量子フラストレート系シミュレーションのためのイオントラップ開発

タロウ ハセガワ, Taro Hasegawa, 太郎 長谷川

Published Jan 1, 2022• 0 citations
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Abstract

本研究では、微小な「2次元イオントラップアレイ」を作製することが目的である。本装置に原子イオンを束縛し、レーザー冷却することで、「フラストレート系」の量子状態を実現し、その状態の量子シミュレーションを行うことが最終的な目標である。 イオントラップは荷電粒子を束縛することができる装置である。本研究では、2次元的に微小なイオントラップを複数配置し、各イオントラップに1個ずつ原子イオン(バリウムイオンを想定)を束縛する。フラストレート系は3個の微小イオントラップを正三角形に配置することで実現できる。各イオンの間にはクーロン相互作用が働くため、イオンの位置によってエネルギーが異なる。この作用を利用してフラストレート系を実現する。 本研究期間では、2次元イオントラップアレイの設計およびその製作を行った。本研究では、以前の研究で製作した「弦イオントラップ」をさらに発展させ、「ツイスト弦イオントラップ」を製作することにした。ツイスト弦イオントラップでは、イオントラップに使用する電極をすべて細い金属弦(直径0.05 mmのタングステンワイヤー)で製作する。それにより、トラップするバリウムイオンからのレーザー誘起蛍光を外部より高い感度で計測できる。また、金属弦をねじれた関係で配置することにより、電極数が少なくても3次元的にイオンを束縛できる。このとき、ねじり角を大きくすることで、イオントラップの大きさを小さくすることもできる。このことから、ツイスト弦イオントラップによって微小な2次元イオントラップアレイを実現できる。 本研究では3つの微小イオントラップを2次元的に配置するツイスト弦イオントラップを設計し、そのための100個以上の部品を製作した。今後はこのパーツを組立て、実際にイオントラップとして動作させる。 The aim of this study is to fabricate a small-scale "2D ion trap array". By confining and laser-cooling atomic ions in this device, the quantum state of a "frustrated system" is realized, and eventually quantum simulations of this state can be done. An ion trap is a device to confine charged particles. In this study, several small-scale ion traps are arranged in a two-dimensional configuration, and one atomic ion (barium ion is assumed) is trapped in each ion trap. The frustrated system can be realized by arranging three small ion traps in an equilateral triangle. Because of the Coulomb interaction among the ions, energy varies depending on the position of the ions. This interaction is utilized to achieve the frustrated system. During this research period, a 2D ion trap array has been designed and fabricated. In this study, the "string ion trap", which was previously fabricated, is developed further into a "twisted string ion trap". In the twisted string ion trap, all the electrodes used in the ion trap are made of thin metal strings (tungsten wires with a diameter of 0.05 mm). This allows us to observe the laser-induced fluorescence from the trapped barium ion with higher sensitivity. Additionally, by arranging the metal strings in a twisted configuration, ions can be trapped in three dimensions with fewer electrodes. By increasing the degree of twist, we can also reduce the size of the ion trap. As a result, a small-scale 2D ion trap array can be realized using the twisted string ion trap. In this study, a twisted string ion trap that consists of three small ion traps in a 2D configuration is designed, and more than 100 parts for it are fabricated. In future, these parts are to be assembled for actual operation of the ion trap.

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インコヒーレント光源の1光子吸収によるイオントラップへのイオンローディング法

タロウ ハセガワ, Taro Hasegawa, 太郎 長谷川

イオントラップ中のレーザー冷却された原子イオンは、量子計算機の基本素子や究極の原子時計の実現といった、基礎的な物理学研究への応用が期待されている。このような目的のために、効率の良い原子イオンの導入が必要である。通常、中性の原子ビームをイオントラップ中に導入し、その中でイオン化する。イオン化には従来は主に2つの手段が実施されてきた。1つは熱電子による衝突イオン化、もう1つはレーザー光による2光子イオン化である。熱電子衝突イオン化では、真空系が汚れるなど、前述の応用にはあまり適切な方法ではない。一方で、レーザーイオン化では、同位体の選択ができる、真空系をあまり汚さないなど、大きな利点があるが、イオン生成効率が低いという難点がある。 本研究では、新しいイオン化の方法として、インコヒーレント光を用いた1光子光イオン化を行い、それにより実際にバリウムイオンのレーザー冷却を行った。1光子イオン化は、2光子イオン化よりもかなり高い頻度で起きるため、生成効率が高く、レーザーのような強力な光源を使わなくても十分に多くのイオン化が可能であり、真空系を汚すこともない。 1光子イオン化には紫外光を必要とする。本研究では、重水素ランプと深紫外発光ダイオード(UVLED)を使用する。重水素ランプは波長185nm以上の紫外光を発生させる。これは、バリウムのイオン化エネルギー以上のエネルギーを持っているので、1光子イオン化できる。また、UVLEDでは、波長350nm、280nm、245nmの各種の発光ダイオードを使ってバリウム原子のイオン化を試みた。波長350nmと280nmのUVLEDではイオン化エネルギーに不足しているが、245nmはほぼイオン化エネルギーに相当する光子を放出するため、1光子イオン化できる。この実験の結果、重水素ランプと波長245nmのUVLEDによって、実際にバリウムイオンがイオントラップ中にローディングできることを確かめることができた。 Laser-cooled atomic ions in ion traps are expected to be applied to basic physics studies such as qubits of quantum computers and realization of precise atomic clocks. For such purpose, efficient ion loading into the ion trap is necessary. Usually, neutral atomic beams are introduced into the trap, and the ionization is carried out inside the trap. In the past, two main approaches to ionization have been implemented. One is impact ionization by thermal electrons, and the other is two-photon ionization by lasers. Collisional ionization of thermal electrons is not a suitable method for the above-mentioned applications, such as vacuum contamination. Laser photoionization has great advantages such as isotope selectivity and less contamination of the vacuum system, but has the disadvantage of low ion generation efficiency. In this study, as a novel ionization method, one-photon photoionization using incoherent light has been carried out, and laser cooling of barium ions has been actually performed. One-photon ionization occurs more often than two-photon ionization, and therefore it has high generation efficiency. Moreover, no lasers are required for ionization, and the vacuum contamination is minimized. Ultraviolet light is required for one-photon ionization. In this study, deuterium lamp and deep ultraviolet light emitting diode (UVLED) are used. Deuterium lamps generate ultraviolet light with a wavelength of 185 nm and longer. Since it has energy higher than the ionization energy of barium, it can be used for one-photon ionization. In UVLED, we try to ionize barium atoms using UVLEDs with wavelengths of 350 nm, 280 nm and 245 nm. While photon energy of UVLEDs with 350 nm and 280 nm is less than the ionization energy, 245 nm emits photons that is roughly the same as the ionization energy. Hence, one-photon ionization is expected. As a result, it has been confirmed that barium ions are indeed loaded into the ion trap by the deuterium lamp and the UV LED of wavelength 245 nm.

•Jan 1, 2018•0 citations

Twisted radio frequency ion traps for all-metal string ion traps

Taro Hasegawa

Twisted radio frequency (rf) ion traps, which have electrode configurations that are twisted variants of conventional linear rf ion traps, have been proposed and successfully demonstrated using charged alumina dust particles. When constructed from thin metal wire electrodes, the twisted traps offer excellent optical accessibility to the trapped ions, making them suitable for applications in quantum information technology. In the experimental demonstration, 14 μm-diameter alumina dust particles were charged via discharge and successfully confined in the twisted trap. A linear chain of trapped particles was observed within the trap.

Review of Scientific Instruments•Oct 1, 2025•0 citations

ポールトラップ中のクーロン結晶を用いた単一イオン超精密射出法の実証実験

室尾　健人, 穂坂　綱一, 百合　庸介 +2 more

トラップ中に捕捉したイオンを絶対零度近傍まで冷却することでイオンの相対位置がほとんど変化しない「クーロン結晶状態」となる。このイオンをトラップから加熱なく取り出せば、極低エミッタンスイオン源として利用することができる。本研究では典型的な構造の線形ポールトラップ中でカルシウムイオンをレーザー冷却しクーロン結晶化させた。トラップに印加する電圧を適切に操作することにより、トラップからイオンを一つずつ連続して射出することに成功した。講演ではその結果について議論する。

•Sep 15, 2026•0 citations

Operation of a planar-electrode ion-trap array with adjustable RF electrodes

Muir Kumph, Philip C. Holz, Klaus Langer +4 more

One path to realizing systems of trapped atomic ions suitable for large-scale quantum computing and simulation is to create a two-dimensional (2D) array of ion traps. Interactions between nearest-neighbouring ions could then be turned on and off by tuning the ions' relative positions and frequencies. We demonstrate and characterize the operation of a planar-electrode ion-trap array. By driving the trap with a network of phase-locked radio-frequency resonators which provide independently variable voltage amplitudes we vary the position and motional frequency of a Ca + ion in two-dimensions within the trap array. Work on fabricating a miniaturised form of this 2D trap array is also described, which could ultimately provide a viable architecture for large-scale quantum simulations.

arXiv:1402.0791•New Journal of Physics•Feb 19, 2016•36 citations

A radio-frequency ion trap with string electrodes

Daisuke Kanai, Taro Hasegawa

A radio-frequency (rf) ion trap with string electrodes is introduced. In this trap configuration, the rf electrodes are made of narrow metal strings, by which a negligibly small portion of light-induced fluorescence (LIF) is blocked. Then the LIF collection solid angle can be maximized. In the demonstration, barium ions are trapped and laser-cooled in the rf trap with string electrodes successfully, and the crystallization is confirmed by the LIF spectrum.

Review of Scientific Instruments•Feb 1, 2018•1 citation

母関数法を用いた量子ウォークの解析

隆子 遠藤（渡邊）, Takako Endo

る．特に，トポロジカル絶縁体の研究は，本論文の「二相系の極限定理」の先行研究にもなっ ている．さらに，イオントラップされた原子を用いる方法

•Mar 24, 2014•0 citations
本研究では、微小な「2次元イオントラップアレイ」を作製することが目的である。本装置に原子イオンを束縛し、レーザー冷却することで、「フラストレート系」の量子状態を実現し、その状態の量子シミュレーションを行うことが最終的な目標である。 イオントラップは荷電粒子を束縛することができる装置である。本研究では、2次元的に微小なイオントラップを複数配置し、各イオントラップに1個ずつ原子イオン(バリウムイオンを想定)を束縛する。フラストレート系は3個の微小イオントラップを正三角形に配置することで実現できる。各イオンの間にはクーロン相互作用が働くため、イオンの位置によってエネルギーが異なる。この作用を利用してフラストレート系を実現する。 本研究期間では、2次元イオントラップアレイの設計およびその製作を行った。本研究では、以前の研究で製作した「弦イオントラップ」をさらに発展させ、「ツイスト弦イオントラップ」を製作することにした。ツイスト弦イオントラップでは、イオントラップに使用する電極をすべて細い金属弦(直径0.05 mmのタングステンワイヤー)で製作する。それにより、トラップするバリウムイオンからのレーザー誘起蛍光を外部より高い感度で計測できる。また、金属弦をねじれた関係で配置することにより、電極数が少なくても3次元的にイオンを束縛できる。このとき、ねじり角を大きくすることで、イオントラップの大きさを小さくすることもできる。このことから、ツイスト弦イオントラップによって微小な2次元イオントラップアレイを実現できる。 本研究では3つの微小イオントラップを2次元的に配置するツイスト弦イオントラップを設計し、そのための100個以上の部品を製作した。今後はこのパーツを組立て、実際にイオントラップとして動作させる。 The aim of this study is to fabricate a small-scale "2D ion trap array". By confining and laser-cooling atomic ions in this device, the quantum state of a "frustrated system" is realized, and eventually quantum simulations of this state can be done. An ion trap is a device to confine charged particles. In this study, several small-scale ion traps are arranged in a two-dimensional configuration, and one atomic ion (barium ion is assumed) is trapped in each ion trap. The frustrated system can be realized by arranging three small ion traps in an equilateral triangle. Because of the Coulomb interaction among the ions, energy varies depending on the position of the ions. This interaction is utilized to achieve the frustrated system. During this research period, a 2D ion trap array has been designed and fabricated. In this study, the "string ion trap", which was previously fabricated, is developed further into a "twisted string ion trap". In the twisted string ion trap, all the electrodes used in the ion trap are made of thin metal strings (tungsten wires with a diameter of 0.05 mm). This allows us to observe the laser-induced fluorescence from the trapped barium ion with higher sensitivity. Additionally, by arranging the metal strings in a twisted configuration, ions can be trapped in three dimensions with fewer electrodes. By increasing the degree of twist, we can also reduce the size of the ion trap. As a result, a small-scale 2D ion trap array can be realized using the twisted string ion trap. In this study, a twisted string ion trap that consists of three small ion traps in a 2D configuration is designed, and more than 100 parts for it are fabricated. In future, these parts are to be assembled for actual operation of the ion trap.
イオントラップ中のレーザー冷却された原子イオンは、量子計算機の基本素子や究極の原子時計の実現といった、基礎的な物理学研究への応用が期待されている。このような目的のために、効率の良い原子イオンの導入が必要である。通常、中性の原子ビームをイオントラップ中に導入し、その中でイオン化する。イオン化には従来は主に2つの手段が実施されてきた。1つは熱電子による衝突イオン化、もう1つはレーザー光による2光子イオン化である。熱電子衝突イオン化では、真空系が汚れるなど、前述の応用にはあまり適切な方法ではない。一方で、レーザーイオン化では、同位体の選択ができる、真空系をあまり汚さないなど、大きな利点があるが、イオン生成効率が低いという難点がある。 本研究では、新しいイオン化の方法として、インコヒーレント光を用いた1光子光イオン化を行い、それにより実際にバリウムイオンのレーザー冷却を行った。1光子イオン化は、2光子イオン化よりもかなり高い頻度で起きるため、生成効率が高く、レーザーのような強力な光源を使わなくても十分に多くのイオン化が可能であり、真空系を汚すこともない。 1光子イオン化には紫外光を必要とする。本研究では、重水素ランプと深紫外発光ダイオード(UVLED)を使用する。重水素ランプは波長185nm以上の紫外光を発生させる。これは、バリウムのイオン化エネルギー以上のエネルギーを持っているので、1光子イオン化できる。また、UVLEDでは、波長350nm、280nm、245nmの各種の発光ダイオードを使ってバリウム原子のイオン化を試みた。波長350nmと280nmのUVLEDではイオン化エネルギーに不足しているが、245nmはほぼイオン化エネルギーに相当する光子を放出するため、1光子イオン化できる。この実験の結果、重水素ランプと波長245nmのUVLEDによって、実際にバリウムイオンがイオントラップ中にローディングできることを確かめることができた。 Laser-cooled atomic ions in ion traps are expected to be applied to basic physics studies such as qubits of quantum computers and realization of precise atomic clocks. For such purpose, efficient ion loading into the ion trap is necessary. Usually, neutral atomic beams are introduced into the trap, and the ionization is carried out inside the trap. In the past, two main approaches to ionization have been implemented. One is impact ionization by thermal electrons, and the other is two-photon ionization by lasers. Collisional ionization of thermal electrons is not a suitable method for the above-mentioned applications, such as vacuum contamination. Laser photoionization has great advantages such as isotope selectivity and less contamination of the vacuum system, but has the disadvantage of low ion generation efficiency. In this study, as a novel ionization method, one-photon photoionization using incoherent light has been carried out, and laser cooling of barium ions has been actually performed. One-photon ionization occurs more often than two-photon ionization, and therefore it has high generation efficiency. Moreover, no lasers are required for ionization, and the vacuum contamination is minimized. Ultraviolet light is required for one-photon ionization. In this study, deuterium lamp and deep ultraviolet light emitting diode (UVLED) are used. Deuterium lamps generate ultraviolet light with a wavelength of 185 nm and longer. Since it has energy higher than the ionization energy of barium, it can be used for one-photon ionization. In UVLED, we try to ionize barium atoms using UVLEDs with wavelengths of 350 nm, 280 nm and 245 nm. While photon energy of UVLEDs with 350 nm and 280 nm is less than the ionization energy, 245 nm emits photons that is roughly the same as the ionization energy. Hence, one-photon ionization is expected. As a result, it has been confirmed that barium ions are indeed loaded into the ion trap by the deuterium lamp and the UV LED of wavelength 245 nm.
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トラップ中に捕捉したイオンを絶対零度近傍まで冷却することでイオンの相対位置がほとんど変化しない「クーロン結晶状態」となる。このイオンをトラップから加熱なく取り出せば、極低エミッタンスイオン源として利用することができる。本研究では典型的な構造の線形ポールトラップ中でカルシウムイオンをレーザー冷却しクーロン結晶化させた。トラップに印加する電圧を適切に操作することにより、トラップからイオンを一つずつ連続して射出することに成功した。講演ではその結果について議論する。
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