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Ba+トラップシステムの構築と小型イオントラップモジュール用真空パッケージの仕様検討

Kazumasa Narumi, 島田　紘行, 田村　浩司, K. Ogura, 大場　弘則, 中西隆造, 柏木　啓次, Seiji Hosoya, 穂坂綱一, 庸介 百合

Published Mar 29, 2023• 0 citations
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Abstract

イオントラップによる光接続型誤り耐性量子コンピュータの量子ビットとして133Ba+を選択した。133Ba+は、半減期10.5年の放射性同位元素であるが、その使用を念頭にBa+のトラップへの導入方法を検討し、Ba+トラップシステムを構築した。Baの光共鳴イオン化のスキームを検討し、2つのスキームを選択した。それぞれのスキームについて励起用外部共振器半導体レーザーを作製し、選択的励起・共鳴イオン化システムを構築した。また、Baレーザーアブレーションのテストベンチを構築し、Baイオンの生成実験を実施した。さらに、光接続に向けた小型イオントラップモジュール用真空パッケージの仕様を検討した。

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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

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

Experimental setup for manipulating radioactive 133Ba+ (I = 1/2) ions

Shimada Hiroyuki, Hosaka Koichi, Kashiwagi Hirotsugu +7 more

An experimental setup for quantum information processing using trapped Ba+ ions as qubit carriers has been designed and is under construction. Among various isotopes of barium, the isotope with a mass number A = 133 has the lowest non-zero nuclear spin I = 1/2, having several desired properties with regard to quantum information processing.† In this presentation, we show the setup for cooling and manipulationg 133Ba+ ions, as well as other isotopes.

•Jul 4, 2024•0 citations

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

量子熱力学のオペレーショナルな展開

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本研究では、量子熱力学のオペレーショナルな理論を展開することを目的とする。量子熱力学のオベレーショナルな理論の展開として我々は、熱力学的過程を生成する、正値演算子値測度を構成するunitalな量子演算について考える。固定点解析の方法を用いて、この演算を繰り返し作用させた場合、対象系の状態を絶対零度における純粋基底状態から、非平衡状態を通じて、高温極限における完全ランダム状態へ推移することを示す。また、この演算による状態変化のもとで熱量とvon Neumannエントロピーが単調増加することを示し、この演算によって不可逆な加熱過程が生成されることを述べる。さらに、簡単な例としてスピン1/2の2粒子系を考えて、この演算によって生成される熱力学的過程において、Clausiusの不等式が破れることを示す。

•Jan 1, 2011•0 citations

多体量子流体力学における射影運動量力学の応力ゲージ不変性と商空間構造

Kawaguchi Masanori

本稿では、多粒子量子流体力学(Many-Particle Quantum Hydrodynamics: MPQHD)における応力テンソルの表現自由度と、Mori–Zwanzig射影演算子法によって得られる記憶核との関係を解析する。 特に、応力テンソルの表現を変更した場合に、射影された運動量力が不変となるための必要十分条件を示し、この条件に基づいて応力テンソルの同値関係を導入する。さらに、対応する商空間を構成し、第一同型定理を用いて、応力テンソルの同値類と射影力の像空間との関係を明らかにする。 また、Wyatt型およびKuzmenkov型の量子応力テンソルをこの枠組みで整理し、同一の射影運動量力を与える応力表現が、同一のMori–Zwanzig記憶核を生成することを示す。 さらに、Bohm–Madelung表示における多体量子ポテンシャル、量子力、量子応力と本理論との関係を明示し、 Bohm量子ポテンシャル → 量子応力 → 全応力 → 射影力 → 記憶核 という理論的接続を論じる。 本稿の中心的主張は、応力テンソルそのものではなく、Mori射影によって定義される同値類が輸送ダイナミクスにおける本質的対象であるという点にある。この枠組みは、一般化流体力学、非局所輸送、量子流体力学、Mori–Zwanzig記憶核、およびBohm型多体相関の研究に対する基礎的な数理構造を与える。 本稿はプレプリントであり、現時点では査読を受けていない。

•Sep 29, 2026•0 citations
イオントラップによる光接続型誤り耐性量子コンピュータの量子ビットとして133Ba+を選択した。133Ba+は、半減期10.5年の放射性同位元素であるが、その使用を念頭にBa+のトラップへの導入方法を検討し、Ba+トラップシステムを構築した。Baの光共鳴イオン化のスキームを検討し、2つのスキームを選択した。それぞれのスキームについて励起用外部共振器半導体レーザーを作製し、選択的励起・共鳴イオン化システムを構築した。また、Baレーザーアブレーションのテストベンチを構築し、Baイオンの生成実験を実施した。さらに、光接続に向けた小型イオントラップモジュール用真空パッケージの仕様を検討した。
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。
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.
本研究では、量子熱力学のオペレーショナルな理論を展開することを目的とする。量子熱力学のオベレーショナルな理論の展開として我々は、熱力学的過程を生成する、正値演算子値測度を構成するunitalな量子演算について考える。固定点解析の方法を用いて、この演算を繰り返し作用させた場合、対象系の状態を絶対零度における純粋基底状態から、非平衡状態を通じて、高温極限における完全ランダム状態へ推移することを示す。また、この演算による状態変化のもとで熱量とvon Neumannエントロピーが単調増加することを示し、この演算によって不可逆な加熱過程が生成されることを述べる。さらに、簡単な例としてスピン1/2の2粒子系を考えて、この演算によって生成される熱力学的過程において、Clausiusの不等式が破れることを示す。
本稿では、多粒子量子流体力学(Many-Particle Quantum Hydrodynamics: MPQHD)における応力テンソルの表現自由度と、Mori–Zwanzig射影演算子法によって得られる記憶核との関係を解析する。 特に、応力テンソルの表現を変更した場合に、射影された運動量力が不変となるための必要十分条件を示し、この条件に基づいて応力テンソルの同値関係を導入する。さらに、対応する商空間を構成し、第一同型定理を用いて、応力テンソルの同値類と射影力の像空間との関係を明らかにする。 また、Wyatt型およびKuzmenkov型の量子応力テンソルをこの枠組みで整理し、同一の射影運動量力を与える応力表現が、同一のMori–Zwanzig記憶核を生成することを示す。 さらに、Bohm–Madelung表示における多体量子ポテンシャル、量子力、量子応力と本理論との関係を明示し、 Bohm量子ポテンシャル → 量子応力 → 全応力 → 射影力 → 記憶核 という理論的接続を論じる。 本稿の中心的主張は、応力テンソルそのものではなく、Mori射影によって定義される同値類が輸送ダイナミクスにおける本質的対象であるという点にある。この枠組みは、一般化流体力学、非局所輸送、量子流体力学、Mori–Zwanzig記憶核、およびBohm型多体相関の研究に対する基礎的な数理構造を与える。 本稿はプレプリントであり、現時点では査読を受けていない。