JP4374444B2

JP4374444B2 - 原子デバイス

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Publication number: JP4374444B2
Application number: JP2003068764A
Authority: JP
Inventors: 秀俊香取
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2023-03-13
Also published as: CN100452425C; EP1603167A4; US7459673B2; JP2004281576A; EP1603167A1; US20070158541A1; WO2004082027A1; CN1723569A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中性原子または中性分子を基板上にトラップして用いる原子デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の情報処理技術においては、電子の流れを用いたエレクトロニクス技術、及び光子の流れを用いたフォトニクス技術が用いられている。これに対して、近年、制御された原子の流れを基板上でコヒーレント操作する「原子回路」の実現の可能性が議論されている。このような原子制御技術は、電子、光子の高度な制御技術によるエレクトロニクス、フォトニクスの発展と同様に、「アトムトロニクス」ともいうべき新たな情報処理技術として発展する可能性を秘めている。
【０００３】
特に、この技術で用いられる原子あるいは分子などの粒子は、その構造の複雑さなどにより電子や光子に比べて非常に多くの内部、外部自由度を持っている。したがって、このような粒子をコヒーレント制御して利用する技術の確立は、将来の量子情報処理、量子コンピューティング、極限計測などに大きな効果をもたらすと期待される（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
Donatella Cassettari et al., "Beam Splitter for Guided Atoms", Phys. Rev. Lett. Vol.85, pp.5483-5487 (2000).
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した技術を用いた原子基板（アトムチップ）では、中性原子の制御方法として、磁場によるゼーマン相互作用が用いられている。すなわち、導線に電流を流すことにより磁場Ｂ（ｒ）を生成し、磁気モーメントμ_Bをもつ原子の磁場中でのゼーマン相互作用によるポテンシャルＵ_B（ｒ）＝−μ_B・Ｂ（ｒ）を利用して原子のトラップまたは移動を行っている。
【０００６】
この方法では、具体的には、基板上の電流導線による磁場と、外部からのバイアス磁場とを組み合わせることにより、所望の位置に磁場の極小点を生成する。このとき、磁場に反平行な磁気モーメントμ_Bを持つ原子であれば、磁場の極小点においてゼーマンポテンシャルが最小となるため、この極小点をトラップ位置として原子をトラップすることができる。このような原子制御原理を用い、これまでに、基板上で通電した導線が作る磁場による原子ガイドや、Ｙ字型の導線による原子の分岐回路、基板上でのボーズ凝縮体の生成実験などが行われている。また、これらの研究は、レーザ冷却されたアルカリ原子の電子スピンの磁場制御を利用して行われている。
【０００７】
しかしながら、このような従来の原子制御技術では、原子の流れを利用した原子回路などの様々な原子デバイスを実現する上で、いくつかの問題がある。すなわち、上記技術では、基板上の導線に電流を流して原子を制御するため、オーミック損失の発生、及びそれによる発熱が不可避である。したがって、基板上への集積化には限界がある。また、磁場を用いて原子を制御する構成では、原子回路間での磁場の遮蔽が困難である。
【０００８】
また、上記技術では、ゼーマンポテンシャルの式Ｕ_B＝−μ_B・Ｂからわかるように、磁場の１次の効果を利用して原子を制御している。このような制御方法では原子は外乱に弱く、大規模な量子コンピュータを構築するような場合にデコヒーレンスの発生が避けられないという問題があった。
【０００９】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、原子回路の集積化が容易になるとともに、外乱の影響等を低減することが可能な原子デバイスを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による原子デバイスは、中性原子または中性分子である中性粒子を用いる原子デバイスであって、（１）基板上の所定位置に設定されたトラップ位置に対し、トラップ位置を通る第１軸に沿ってトラップ位置を挟む基板上の位置に設けられた第１電極対と、（２）トラップ位置を通り第１軸と所定角度をなす第２軸に沿ってトラップ位置を挟む基板上の位置に設けられた第２電極対とを備え、基板の表面上に形成された第１電極対及び第２電極対を含む電極パターンに対し、第１電極対及び第２電極対によって挟まれた基板の表面上の領域がトラップ領域となり、トラップ領域の中心位置がトラップ位置となっており、（３）第１電極対を構成する一方の電極が基準電位からみて正電位、他方の電極が負電位に設定されて、電場中でのシュタルク相互作用によるポテンシャルにおいて、第２軸上でトラップ位置が中性粒子の安定点となる第１の状態と、第２電極対を構成する一方の電極が基準電位からみて正電位、他方の電極が負電位に設定されて、電場中でのシュタルク相互作用によるポテンシャルにおいて、第１軸上でトラップ位置が中性粒子の安定点となる第２の状態とを交互にスイッチングすることによりトラップ位置に中性粒子をトラップするとともに、グランド電位を基準電位に設定して、第１の状態では第２電極対を構成する２個の電極をグランド電位に設定し、第２の状態では第１電極対を構成する２個の電極をグランド電位に設定することを特徴とする。
【００１１】
上記した原子デバイスにおいては、磁場によるゼーマン相互作用ではなく、電場によるシュタルク相互作用を用いて中性原子または中性分子を制御する。すなわち、分極率αをもつ中性粒子に対して電場Ｅ（ｒ）を印加し、粒子の電場中でのシュタルク相互作用によるポテンシャルＵ_E（ｒ）＝−α｜Ｅ（ｒ）｜²／２を利用して粒子のトラップを行っている。具体的には、２組の電極対への印加電圧をスイッチングすることにより、それらの電極対に挟まれた位置に安定点を生成し、この安定点をトラップ位置として粒子をトラップしている。
【００１２】
このような構成及び原子制御方法によれば、基板上の電極に電圧を印加して粒子を制御するため、電場のスイッチングに伴う電力損失のみが発生し、オーミック損失の発生、及びそれによる発熱が回避される。したがって、基板上への原子回路の集積化が容易となる。また、電場を用いて原子を制御する構成では、原子回路間での電場の干渉は基板上にグランド面を設けることで容易に回避できる。これらの効果により、本原子デバイスでは原子回路の高集積化が可能となる。
【００１３】
また、上記構成では、シュタルクポテンシャルの式Ｕ_E＝−α｜Ｅ｜²／２からわかるように、電場の２次の効果を利用して粒子を制御しているため、制御される粒子の環境、外乱との結合が抑制される。したがって、デコヒーレンスに強い原子デバイスが実現される。
【００１４】
ここで、第１の状態と第２の状態とのスイッチングにおいては、第１の状態では第２電極対を構成する２個の電極を基準電位に設定し、第２の状態では第１電極対を構成する２個の電極を基準電位に設定することが好ましい。これにより、２組の電極対に挟まれた位置に良好に安定点を生成することができる。
【００１５】
また、基板上にトラップされて用いられる中性粒子は、スピンを持たない中性原子または中性分子であることが好ましい。このような粒子では、その量子状態に対して長いコヒーレンス時間が期待できる。これは、原子回路の拡張性などの点で有利である。
【００１６】
また、原子デバイスは、第１電極対及び第２電極対からなる電極群での電極間隔が１０μｍ以下であることを特徴とする。このように、基板上に設けられる電極構造をマイクロストラクチャ化することにより、原子デバイスを小型化することができる。また、電極間隔が狭いことにより、中性粒子をトラップする電場を生成するために必要な各電極への印加電圧を低くすることができる。
【００１７】
また、原子デバイスを形成する基板としては、電子デバイスまたは光デバイスが形成された半導体基板を用いることが好ましい。電子デバイスが形成された基板を用いれば、電子、原子デバイスを結合させて用いることにより、エレクトロニクス技術と、中性粒子を用いた情報処理技術とのインターフェースを実現することができる。また、光デバイスが形成された基板を用いれば、光、原子デバイスを結合させて用いることにより、フォトニクス技術と、中性粒子を用いた情報処理技術とのインターフェースを実現することができる。
【００１８】
あるいは、基板としては、所定波長の光を透過する透明基板を用いることが好ましい。透明基板を用いれば、基板を介して原子デバイスと他の光デバイスとを結合させて用いることにより、フォトニクス技術と、中性粒子を用いた情報処理技術とのインターフェースを実現することができる。
【００１９】
また、原子デバイスは、基板上に複数のトラップ位置を設定し、第１電極対及び第２電極対からなる電極群を複数のトラップ位置のそれぞれに対して設けるとともに、複数の電極群に含まれる電極のそれぞれの電位をスイッチングすることにより、トラップ位置への中性粒子のトラップと、隣接するトラップ位置間での中性粒子の移動とを行うことを特徴とする。
【００２０】
このように、２組の電極対による上記した原子デバイスの基本構成を拡張することにより、中性粒子のコヒーレントな輸送を実現して、様々な原子回路を構成することが可能となる。
【００２１】
具体的な原子デバイスの構成としては、例えば、情報が付与された中性粒子を用いるとともに、複数の電極群を、中性粒子を隣接するトラップ位置間で順次移動していくことによって情報を転送する原子シフトレジスタとする構成がある。あるいは、それぞれ情報が付与された２個の中性粒子を少なくとも用いるとともに、複数の電極群を、２個の中性粒子に量子相関を付与することが可能なように設置する構成がある。また、これら以外にも様々な構成が可能である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による原子デバイスの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２３】
図１は、本発明による原子デバイスの一実施形態の構成を示す斜視図である。本原子デバイスは、基板上にトラップされた中性粒子を用いる原子基板（アトムチップ）であり、基板１と、電極パターン２とを備えて構成されている。なお、以下においては、主に中性原子を用いる場合について説明するが、一般には中性粒子として、中性原子または中性分子を用いることができる。
【００２４】
また、図１に示す原子デバイスに対し、説明の便宜のため、ｘ、ｙ、ｚ軸からなる座標軸を以下のように定義して用いる。すなわち、基板１に対して垂直な軸をｚ軸、ｚ軸に直交し基板１の一方の対角方向の軸をｘ軸（第１軸）、ｚ軸及びｘ軸に直交し基板１の他方の対角方向の軸をｙ軸（第２軸）とする。また、ｘ軸及びｙ軸の交点であって基板１上の略中心にある所定位置は、本原子デバイスにおける中性原子のトラップ位置３０として設定されている。
【００２５】
基板１は、所定の材料からなる略正方形状の基板である。基板１の表面１０上には、銀などの金属材料による電極パターン２が形成されている。本実施形態においては、電極パターン２は、第１電極対２１及び第２電極対２６の２組の電極対を有している。なお、少なくとも基板１の表面１０上の領域は、中性原子のトラップなどのため超高真空に保たれる。
【００２６】
第１電極対２１は、１組の電極２２、２３を有する。これらの電極２２、２３はそれぞれ基板１の外形に沿った矩形状に形成され、トラップ位置３０を通るｘ軸に沿ってトラップ位置３０を挟む基板１上の位置にそれぞれ設けられている。図１においては、基板１の右上側に電極２２が、左下側に電極２３が配置されている。
【００２７】
第２電極対２６は、１組の電極２７、２８を有する。これらの電極２７、２８はそれぞれ基板１の外形に沿った矩形状に形成され、トラップ位置３０を通るｙ軸に沿ってトラップ位置３０を挟む基板１上の位置にそれぞれ設けられている。図１においては、基板１の右下側に電極２７が、左上側に電極２８が配置されている。また、これらの電極２２、２３、２７、２８は、所定の電極間隔ｄ、及び厚さｗで形成されている。
【００２８】
本原子デバイスでは、上記した２組の電極対２１、２６により、中性原子のトラップに用いられる電極群が構成されている。このような電極構造において、電極対２１、２６によって挟まれた基板表面１０上の領域がトラップ領域３となっており、その中心位置が中性原子のトラップ位置３０となる。そして、電極対２１、２６を構成する電極２２、２３、２７、２８それぞれの電位を第１の状態、及び第２の状態の２つの状態間で交互にスイッチングすることにより、このトラップ位置３０に中性原子がトラップされる。
【００２９】
すなわち、トラップ領域３内には、電極パターン２の各電極の電位に応じた電場Ｅが生成される。このとき、トラップしようとする分極率αの中性原子では、シュタルク相互作用によるポテンシャルＵ_E＝−α｜Ｅ｜²／２が生じる。図１に示した原子デバイスは、この電場によるシュタルクポテンシャルを利用して中性原子のトラップを実現する。
【００３０】
具体的には、まず、原子デバイスでの電位に関してグランド電位を基準電位に設定するとともに、各電極の電位について２つの状態を設定する。そして、第１の状態では、第１電極対２１を構成する一方の電極２２にグランド電位からみて正電位となる電圧＋Ｖ₀を印加し、他方の電極２３に負電位となる電圧−Ｖ₀を印加する。また、第２電極対２６を構成する２個の電極２７、２８をグランド電位Ｇとする。一方、第２の状態では、第２電極対２６を構成する一方の電極２７に電圧＋Ｖ₀を印加し、他方の電極２８に電圧−Ｖ₀を印加する。また、第１電極対２１を構成する２個の電極２２、２３をグランド電位Ｇとする。本原子デバイスでは、これらの状態のスイッチングによって原子をトラップ位置３０にトラップする。
【００３１】
図２は、図１に示した原子デバイスにおける中性原子のトラップ方法について説明するための図である。図２（ａ）は、ｘ、ｙ、ｚ軸からなる座標軸、及び各電極の電圧を示す模式図である。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した状態で生成される電場によるシュタルクポテンシャルＵ_Eの２次元分布を示すグラフである。なお、図２（ｂ）のグラフにおいては、ｘ＝ｙ＝０の点がトラップ位置３０に相当する。
【００３２】
図２（ａ）に示すように、第１の状態では、電極２７、２８をグランド電位Ｇとするとともに、電極２２を正電位＋Ｖ₀、電極２３を負電位−Ｖ₀とする。このとき生成されるポテンシャルＵ_Eでは、図２（ｂ）に示すように、ｘ＝０のｙ軸上でみると、トラップ位置３０に対応するｙ＝０の中心位置でポテンシャルが最小となり、この点が中性原子の安定点となる。一方、ｘ軸上でみると、ｘ＝０の中心位置から電極２２、２３側に向かってポテンシャルが小さくなる。
【００３３】
次に、この第１の状態から第２の状態へと印加電圧をスイッチングする。第２の状態では、電極２２、２３をグランド電位Ｇとするとともに、電極２７を正電位＋Ｖ₀、電極２８を負電位−Ｖ₀とする。このとき生成されるポテンシャルＵ_Eでは、第１の状態とは逆に、ｘ軸上でみると、トラップ位置３０に対応するｘ＝０の中心位置でポテンシャルが最小となり、この点が中性原子の安定点となる。一方、ｙ軸上でみると、ｙ＝０の中心位置から電極２７、２８側に向かってポテンシャルが小さくなる。
【００３４】
以上より、第１の状態では、中性原子はｙ軸方向については中心位置を安定点とし、ｘ軸方向については電極２２、２３に近付く方向に移動しようとする。第２の状態では、中性原子はｘ軸方向については中心位置を安定点とし、ｙ軸方向については電極２７、２８に近付く方向に移動しようとする。したがって、中性原子が電極へと移動するよりも速い周波数で２つの状態をスイッチングすれば、中性原子はトラップ位置３０の近傍で微小に運動しつつトラップされる。
【００３５】
本実施形態による原子デバイスによる効果について説明する。
【００３６】
図１に示した原子デバイスにおいては、電場によるシュタルク相互作用を利用して中性原子を制御している。このような構成及び原子制御方法によれば、基板１上の電極２２、２３、２７、２８に電圧を印加して原子を制御するため、電場のスイッチングに伴う電力損失のみが発生する。したがって、オーミック損失の発生、及びそれによる発熱が回避されるので、基板１上への原子回路の集積化が容易となる。
【００３７】
また、このような構成では、原子回路間での電場の干渉が問題となる場合、基板上にグランド面を設けることで容易に問題を回避でき、原子回路の高集積化が可能となる。また、電場の２次の効果を利用して原子を制御しているため、制御される中性原子の環境、外乱との結合が抑制される。したがって、デコヒーレンスに強い原子デバイスが実現される。
【００３８】
ここで、原子の基底状態及び準安定状態の分極率はα＞０であるため、中性原子を基板１上でトラップするには電場強度の極大点を作る必要がある。しかしながら、マクスウェル方程式より、自由空間中ではこのような極大点を作ることはできない。このため、電場を用いた原子の制御方法では、静的制御では原子をトラップすることができず、動的制御による原子の安定化が必要となる。これに対して、上記した原子デバイスでは、２組の電極対２１、２６を設置し、それらへの印加電圧をスイッチングする動的制御を行っている。これにより、安定なトラップ位置３０を生成して中性原子をトラップすることが可能となる。
【００３９】
なお、第１の状態での第２電極対２６の電極２７、２８、及び第２の状態での第１電極対２１の電極２２、２３に設定される電位については、上記の例では、トラップ位置３０となる安定点を良好に生成するため基準電位であるグランド電位としたが、中性原子の安定化が可能であれば異なる電位としても良い。
【００４０】
また、基板１上にトラップされて用いられる中性粒子としては、上記のように中性原子または中性分子を用いることができるが、特に、スピンを持たない中性原子または中性分子を用いることが好ましい。中性粒子がスピンを持つ場合、粒子のスピンと環境とのカップリングによるデコヒーレンスの発生が問題となる場合がある。これに対して、スピンを持たない中性粒子では、その量子状態に対して長いコヒーレンス時間が期待できる。このことは、原子回路の拡張性などの点で有利である。このような中性粒子としては、例えば、最外殻に２個の電子を持つストロンチウム（Ｓｒ）原子などのアルカリ土類原子がある。
【００４１】
図１に示した原子デバイスにおいて基板１上に中性原子をトラップするための中性原子の冷却方法について説明する。図３は、中性原子の冷却方法を示す模式図である。なお、ここでは簡単のため、原子デバイスの基板１のみを示し、基板１上の電極パターン２については図示を省略している。また、中性原子の冷却、及び基板１上へのトラップ等は、いずれも超高真空中において行われる。
【００４２】
中性原子の冷却は、磁気光学トラップ（ＭＯＴ：Magneto-Optical Trap）の手法を用いて行われる。運動している原子に対して対向する２方向から、原子の共鳴周波数から負方向にずらした周波数のレーザ光を照射すると、原子はドップラーシフトによって共鳴周波数に近付いた進行方向からのレーザ光を吸収し、反対方向への反跳を受ける。レーザ冷却では、このような過程を繰り返すことにより、中性原子をμＫ程度の極低温まで冷却することができる。図３においては、基板１上でトラップ位置３０よりもやや上方の位置を冷却位置に設定し、この冷却位置にある中性原子Ａに対してレーザ冷却用のレーザ光４６〜４９を４方向から照射する構成を示している。
【００４３】
また、ＭＯＴでは、レーザ光４６〜４９の照射に加えて、中性原子を挟む位置に反ヘルムホルツコイル４１、４２を設置し、これらのコイル４１、４２による磁場等を用いて冷却された中性原子をトラップする。さらに、この冷却された中性原子を磁場の制御等によってトラップ位置３０まで移動することにより、基板１上に形成された電極対２１、２６によるシュタルク・トラップへと移行する。
【００４４】
次に、図１に示した原子デバイスにおける電極群の具体的な構成、及び各電極への印加電圧のスイッチング条件等について説明する。一般に、シュタルク相互作用を用いた中性原子のトラップでは、レーザ冷却された極低温原子を用いた場合でも比較的大きい電場が必要である。これに対して、上記構成の原子デバイスをマイクロストラクチャ化することにより、例えばＴＴＬレベルの電圧など、比較的低い電圧で中性原子の制御を実現することができる。また、このような原子制御方法では、電極構造のマイクロストラクチャ化に加えて、電極への印加電圧をスイッチングする駆動周波数などの条件を適切に設定する必要がある。
【００４５】
図４は、電極間隔ｄ（μｍ、横軸）と閉じ込め周波数（ｒａｄ／ｓ、縦軸）との相関を示すグラフである。ここでは、電極対２１、２６で挟まれたトラップ位置３０の近傍に発生するシュタルクポテンシャルのうち、中性原子の閉じ込めに寄与する方向でのポテンシャルを考える（図２（ｂ）参照）。そして、このポテンシャルの静的な形状から求められる振動周波数が、中性原子の閉じ込め周波数である。また、ここでは、電極への印加電圧をＶ₀＝５０Ｖとしている。
【００４６】
このグラフによれば、電極間隔ｄ＝１０μｍにおいて、約６０ｋｒａｄ／ｓの周波数で中性原子がトラップされる。また、電圧Ｖ₀を一定とする条件では、電極間隔ｄが狭くなるにしたがって閉じ込め周波数が大きくなっている。ここで、この閉じ込め周波数は電極への印加電圧Ｖ₀に比例するが、電極間隔ｄ＝３μｍでの周波数はｄ＝１０μｍのときの約１０倍となっている。したがって、閉じ込め周波数を一定とすると、電極間隔ｄ＝３μｍでは、電圧Ｖ₀はｄ＝１０μｍの場合の約１／１０の５Ｖ程度で良いこととなる。
【００４７】
このように、上記構成の原子デバイスでは、電極構造のマクロストラクチャ化により、中性原子の閉じ込めに必要な電圧Ｖ₀を低くすることができる。この電極構造については、電極間隔ｄを１０μｍ以下とすることが好ましい。これにより、上記したように数１０Ｖ程度の電圧で中性原子をトラップできる。さらに、電極間隔ｄを３μｍ以下とすれば、集積ロジック回路で広く扱われている数Ｖ程度の電圧で中性原子をトラップできる。電極構造のマイクロストラクチャ化は、原子デバイスを小型化、集積化する上でも有利である。
【００４８】
図５は、電極への印加電圧の周波数である駆動周波数（ｋＨｚ、横軸）及び初期位置（μｍ、左軸）を変えたときの中性原子の安定性の一例を示すグラフである。ここで、初期位置は、初期状態における中性原子のトラップ位置からの距離を示している。また、ここでは、電極間隔をｄ＝１０μｍ、印加電圧をＶ₀＝５０Ｖ、中性原子の初期速度を１ｍｍ／ｓ、閉じ込め周波数を６０ｋｒａｄ／ｓとしている。
【００４９】
グラフＧ１は、中性原子が安定にトラップされる初期位置の条件を示し、グラフよりも初期位置が小さい領域（図中にハッチングを付して示した領域）が安定領域である。ここでは、駆動周波数が１５．２〜１８．４ｋＨｚ程度の範囲で安定領域が得られている。また、駆動周波数が約１７ｋＨｚのとき、許容される初期位置の条件が広くなり、最も安定となっている。また、図５では、駆動周波数と中性原子の運動の永年周波数（ｋＨｚ、右軸）との相関をグラフＧ２によって示している。永年周波数は、駆動周波数が大きくなるにしたがって小さくなっている。
【００５０】
図６は、初期速度（ｍｍ／ｓ、横軸）及び初期位置（μｍ、左軸）を変えたときの中性原子の安定性の一例を示すグラフである。ここでは、電極間隔をｄ＝１０μｍ、印加電圧をＶ₀＝５０Ｖ、閉じ込め周波数を６０ｋｒａｄ／ｓ、駆動周波数を１７ｋＨｚとしている。また、図６では、初期速度及び初期位置にそれぞれ対応する温度（μＫ、上軸）及び原子密度（ｃｍ^-3、右軸）についても合わせて示している。
【００５１】
グラフＧ３は、中性原子が安定にトラップされる初期速度及び初期位置の条件を示し、各初期速度に対してグラフよりも初期位置が小さい領域（図中にハッチングを付して示した領域）が安定領域である。このグラフに示すように、中性原子を充分な極低温まで冷却して初期速度を小さくすることにより、許容される初期位置の条件が広くなり、中性原子をトラップしやすくなる。
【００５２】
次に、上記した原子デバイスのエレクトロニクスまたはフォトニクスとのインターフェース、及び様々な原子回路への応用について説明する。
【００５３】
図１に示した原子デバイスにおいて基板１上にトラップされて用いられる中性原子は、中性原子への光の照射、あるいは中性原子から出射された光の検出などによって光学的に制御することが可能である。また、このような原子制御技術を用いれば、中性原子を用いたアトムトロニクスと、光子を用いたフォトニクスとのインターフェースを実現することができる。
【００５４】
図７は、図１に示した原子デバイスにおける中性原子の光学的な制御について示す側面図である。ここでは、原子デバイス等については、トラップ位置３０を通る断面によって図示している。この原子デバイスは、所定波長の光を透過する透明基板である石英基板１Ａを基板１として用いており、石英基板１Ａ上に図１に示した銀の電極パターン２を設けた構成となっている。
【００５５】
原子デバイスは、内部が超高真空に保たれた真空容器５０内に配置され、そのトラップ位置３０には中性原子Ａがトラップされている。また、原子デバイスの石英基板１Ａは、電極パターン２が設けられた表面側を内側として真空容器５０の外壁の一部を構成している。これにより、石英基板１Ａは、所定波長の光を透過する光学窓となっている。また、石英基板１Ａの裏面に対して近接する位置に対物レンズ５２が設置され、さらにこの対物レンズ５２に光学装置５３が接続されている。
【００５６】
このような構成によれば、原子デバイスに用いられている石英基板１Ａの厚さを１ｍｍとすると、作動距離１ｍｍ程度の対物レンズ５２による中性原子Ａの光学的な制御が可能となる。このとき、４００ｎｍ程度の光学的な解像度が期待できるので、これを利用して、原子と光のインターフェース技術を確立することができる。例えば、光学装置５３としてレーザ光源を適用すれば、原子Ａにレーザ光を照射することによる内部状態の制御が可能となる。また、光学装置５３として光検出装置を適用すれば、原子Ａから出射された光を検出することによる内部状態の検出が可能となる。
【００５７】
なお、石英基板１Ａ及び銀の電極パターン２から構成された上記の原子デバイスは、例えば、市販されている銀ミラーに集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）加工を施すことで作製できる。このような加工方法では、電極間隔ｄが最小で１００ｎｍ程度までの電極構造が作製可能である。また、厚さｗについては、例えば１０ｎｍや２００ｎｍなど、電極間隔ｄ等に応じて適宜設定すれば良い。また、図７に示す構成では、トラップ位置３０を含むトラップ領域に対して、石英基板１Ａに深さ１０μｍ程度の凹部が設けられている。これは、トラップされた原子Ａの基板１Ａへの衝突を防ぐためである。
【００５８】
図８は、原子デバイスにおいて基板上にトラップされた中性原子の移動方法について示す平面図である。図１においては、原子Ａをトラップするための２組の電極対２１、２６からなる電極群を基板１上に設けた構成を示した。これに対して、図８に示すように、基板上に複数のトラップ位置を設定し、原子Ａをトラップする電極群を各トラップ位置に対して設けることにより、トラップ位置への原子Ａのトラップと合わせて、隣接するトラップ位置間での原子Ａの移動を行うことが可能となる。
【００５９】
図８においては、基板１の表面１０上に中性原子Ａの移動ラインＬが、仮想的に設定されている。そして、この移動ラインＬを挟んで、電極２８ａ、２８ｂ、…、２２ａ、２２ｂ、…からなる電極列と、電極２３ａ、２３ｂ、…、２７ａ、２７ｂ、…からなる電極列との２列の電極列が設けられている。このように、２組の電極対による原子デバイスの基本構成を移動ラインＬに沿って拡張した構成によれば、中性原子Ａのコヒーレントな輸送を実現して、様々な原子回路を実現することができる。このような電極構造は、例えば、図７に関して上述したように、ＦＩＢ加工を用いて作製することができる。
【００６０】
図８に示す電極パターン２を用いた原子制御方法では、図中にハッチングを付して示すように、電極２２ａ、２３ａの組を第１電極対とし、電極２７ａ、２８ａの組を第２電極対として、第１の電極群を構成する。そして、これらの各電極について上記した印加電圧のスイッチングを行うことにより、対応するトラップ位置３１に中性原子Ａがトラップされる。
【００６１】
次に、第１電極対のうちで左側の電極２３ａを２３ｂに切り換えて、電極２２ａ、２３ｂの組を第１電極対とし、第２電極対のうちで左側の電極２８ａを２８ｂに切り換えて、電極２７ａ、２８ｂの組を第２電極対として、第１の電極群から右側にずれた第２の電極群を構成する。そして、切り換えた電極２３ａ、２８ａをグランド電位とするとともに、第２の電極群の各電極について印加電圧のスイッチングを行うことにより、対応するトラップ位置３２へと移動ラインＬに沿って中性原子Ａが移動してトラップされる。
【００６２】
続いて、電極２２ｂ、２３ｂの組を第１電極対とし、電極２７ｂ、２８ｂの組を第２電極対として、さらに右側にずれた第３の電極群を構成する。そして、切り換えた電極２２ａ、２７ａをグランド電位とするとともに、第３の電極群の各電極について印加電圧のスイッチングを行うことにより、対応するトラップ位置３３へと移動ラインＬに沿って中性原子Ａが移動してトラップされる。
【００６３】
なお、図８に示した電極構造では、隣接するトラップ位置間（例えばトラップ位置３１、３２間）の距離が、移動前後での中性原子Ａの波動関数が充分に重なる距離となるように、各電極の幅や間隔等を設定することが好ましい。これにより、トラップ位置間での原子Ａの移動を好適に実現することができる。
【００６４】
このような電極構造は、基板１上にトラップした中性原子Ａをマクロスコピックに移動させる原子ガイドとして利用することができる。また、中性原子Ａとして情報が付与された原子を用いれば、原子Ａを隣接するトラップ位置間で順次移動していくことによって情報を転送する原子シフトレジスタとして利用することができる。さらに、それぞれ情報が付与された２個の中性原子を基板１上のトラップして用い、それらの原子間で「制御された衝突」を実現して量子相関を付与することが可能なように電極構造を構成すれば、量子情報処理、量子コンピューティングなどの様々な分野への原子デバイスの応用が可能となる。
【００６５】
例えば、量子コンピューティングでは、古典的な「ビット」を拡張した「量子ビット（キュービット）」が用いられる。量子ビットには、「０」の状態、「１」の状態、及びその重ね合わせの状態を取り得るという特徴がある。また、複数の量子ビットには、「量子もつれ（Quantum Entanglement）」と呼ばれる量子相関を付与することができる。２個の量子ビットが量子もつれの状態にあれば、それらは独立した量子状態を取ることができない。上記した原子デバイスでは、このような量子ビットに相当する中性原子Ａの状態制御、あるいは、２個の量子ビットの量子もつれに相当する２個の中性原子Ａの量子相関制御を実現することが可能である。以下、そのような原子デバイスの構成例について説明する。
【００６６】
図９は、原子デバイスの他の実施形態の構成を示す平面図である。本原子デバイスは、基板１として所定波長の光を透過する透明基板である石英基板１Ｂを用いており、石英基板１Ｂ上に電極パターン２を設けた構成となっている。
【００６７】
本実施形態においては、基板１Ｂ上でトラップまたは移動される中性原子Ａに対して、図中の横方向に伸びる第１移動ラインＬ１が設定されている。また、第１移動ラインＬ１の略中心に移動ラインが分岐する分岐点Ｐが設けられており、この分岐点Ｐから第１移動ラインＬ１に直交する方向に伸びる第２移動ラインＬ２が設定されている。電極パターン２は、これらの移動ラインＬ１、Ｌ２に沿って中性原子Ａを順次移動させることが可能なように構成されている。
【００６８】
具体的には、第１移動ラインＬ１のうちで分岐点Ｐの左側の部分に対し、原子ガイド部６１となる電極パターンが形成されている。また、第１移動ラインＬ１のうちで分岐点Ｐの右側の部分に対し、原子シフトレジスタ部６２となる電極パターンが形成されている。
【００６９】
一方、第２移動ラインＬ２のうちで分岐点Ｐとは反対側の部分に対し、ＦＩＦＯメモリ部６３となる電極パターンが形成されている。また、第２移動ラインＬ２のうちで分岐点Ｐ側の部分に対し、原子衝突部６４となる電極パターンが形成されている。なお、これらの各部６１〜６４での電極パターンの基本構造、及びその電極構造を用いた中性原子Ａのトラップ方法、移動方法については、図８に示したものと同様である。
【００７０】
このような構成の原子デバイスを用いた中性原子Ａの制御方法の一例について説明する。まず、原子源（図示していない）から原子ガイド部６１へと極低温に冷却された中性原子Ａが供給され、原子ガイド部６１の左端部に位置する２組の電極対からなる電極群に対応するトラップ位置に原子Ａがトラップされる。そして、第１移動ラインＬ１に沿って配列された複数の電極群を順次動作させることで、原子Ａが分岐点Ｐに向けて移動する。
【００７１】
また、分岐点Ｐに対し、図７に示したように、石英基板１Ｂを介して対物レンズ及び光学装置を設置しておく。これにより、原子ガイド部６１から分岐点Ｐに到達した原子Ａに対して、４００ｎｍ程度の解像度で内部状態の制御、または内部状態の検出を行うことができる。これは、量子ビットの書き込み、または読み出しに対応する。また、このような量子ビット制御が行われた原子Ａを順次移動させることにより、情報を転送する原子シフトレジスタ（原子メモリ）６２が構成される。
【００７２】
一方、ＦＩＦＯメモリ部６３には、他の中性原子Ｂを適宜蓄積しておくことができる。また、ＦＩＦＯメモリ部６３と分岐点Ｐとに挟まれた原子衝突部６４では、他の各部６１〜６３に比べて電極の幅及び間隔が小さく設定されている。このような構成において、分岐点Ｐで量子ビット制御が行われた原子Ａと、ＦＩＦＯメモリ部６３に蓄積されていた原子Ｂとをそれぞれ原子衝突部６４内へと移動し、それらを原子衝突領域１５において１００ｎｍ程度の距離まで近接させる。
【００７３】
これにより、２個の原子Ａ、Ｂの制御された衝突を実現して、それらに量子相関（量子もつれ）を付与することができる。すなわち、このようなＦＩＦＯメモリ部６３への分岐構造により、原子列中の任意の原子間での量子相関形成、及びそれを利用した量子コンピューティングが可能なシュタルク・アトムチップが実現される。このように、本発明による原子デバイスは、その広い拡張性を大きい特徴としており、基本単位である２組の電極対からなる電極群による単一原子操作を組み合わせることにより、様々な原子回路を作製することが可能である。また、その電極構造のマイクロストラクチャ化などにより、極低温原子源と合わせても数センチ程度のサイズの情報処理系を構築できる。
【００７４】
このようなアトムチップは、図７に示したように、超高真空を保持する真空容器５０内に収容することが必要である。真空容器５０としては、真空ポンプが接続された真空チャンバを用いることができる。あるいは、半導体デバイスの場合と類似のパッケージに数センチ角程度の原子源や小型イオンポンプを付加したものを用いても良い。
【００７５】
また、アトムチップに対して真空容器に設ける光アクセス用の光学窓については、図７に関して上述したように、透明基板自体を原子Ａに下方からアクセス可能な光学窓として用いることができる。また、透明基板の下方に別に光学窓を設けても良い。あるいは、図７に示すように、基板の上方から原子Ａにアクセス可能な光学窓５５を設ける構成としても良い。上方の光学窓を用いる場合には、光を透過しない基板を用いても良い。また、電極パターン２の各電極の制御は、例えば、同一チップ上に形成したＣＭＯＳロジックゲート回路や、並設された他のチップ上のゲート回路などを用いて行うことができる。
【００７６】
中性原子Ａに対する量子ビットの書き込み、読み込み、及び量子もつれの付与について、アルカリ土類原子であるストロンチウム（Ｓｒ）原子を例として具体的に説明する。図１０は、Ｓｒのエネルギー準位図である。Ｓｒは、最外殻の２個の電子が５ｓ²の状態にある¹Ｓ₀状態が基底状態であり、また、その励起状態として、図１０に示すように、エネルギーが低い方から順に³Ｐ₀、³Ｐ₁、³Ｐ₂の３つの励起状態、及び³Ｄ₃の励起状態を持つ。ここでは、これらの励起状態のうち、³Ｐ₀状態を量子ビット０の状態｜０＞とし、³Ｐ₂の状態を量子ビット１の状態｜１＞とする。また、³Ｐ₂状態と³Ｄ₃状態とは、波長λ＝２９２３ｎｍの光によって遷移可能である。
【００７７】
このようなエネルギー準位を持つＳｒ原子を用い、２個のＳｒ原子に量子相関（量子もつれ）を形成することを考える。図１１（ａ）及び（ｂ）は、２個のＳｒ原子への量子相関の付与について示す図である。また、ここでは、原子デバイスの基板上に設定された原子衝突領域内で近接させた２個のＳｒ原子に対し、所定のシフト量δだけシフトさせた波長λ＝（２９２３＋δ）ｎｍの光を照射するものとする。
【００７８】
図１１（ａ）は、２個のＳｒ原子のうち一方が｜０＞状態、他方が｜１＞状態にある場合について示す準位図である。このとき、｜１＞状態にある１個のＳｒ原子は波長２９２３ｎｍの光で³Ｄ₃状態へと遷移可能であるため、上記波長の光を照射してもこのような状態遷移は起こらない。したがって、２個のＳｒ原子の間には量子相関は付与されない。
【００７９】
一方、図１１（ｂ）は、２個のＳｒ原子がいずれも｜１＞状態にある場合について示す準位図である。このとき、｜１＞状態にある２個のＳｒ原子間での共鳴双極子相互作用により、³Ｄ₃状態のエネルギー準位が低くなる。これにより、｜１＞｜１＞状態にある２個のＳｒ原子は、波長（２９２３＋δ）ｎｍの光によって³Ｄ₃状態へと遷移し、これらのＳｒ原子の間に量子相関が付与される。以上により、Ｓｒ原子を用いたＣＰＨＡＳＥゲートを実現することができる。
【００８０】
なお、このように中性原子ＡとしてＳｒ原子を用いた場合、極低温への原子のレーザ冷却においては、¹Ｐ₁状態への許容遷移（λ＝４６１ｎｍ）による冷却と、³Ｐ₁状態への禁制遷移（λ＝６８９ｎｍ）による冷却とを用いた２段階のレーザ冷却方法が用いられる。
【００８１】
図１２は、原子デバイスの他の実施形態の構成を示す平面図である。本原子デバイスは、基板１として半導体基板であるシリコン（Ｓｉ）基板１Ｃを用いており、Ｓｉ基板１Ｃ上に電極パターン２を設けた構成となっている。なお、原子ガイド部６１、原子シフトレジスタ部６２、ＦＩＦＯメモリ部６３、及び原子衝突部６４を有する電極パターン２の構成については、図９に示した構成と同様である。
【００８２】
本実施形態の原子デバイスは、原子デバイス、光デバイス、及び電子デバイスをＳｉ基板１Ｃ上に一体化して形成した原子・光・電子集積回路（ＡＯＥＩＣ：Atom-Opto-Electronic IC）として構成されている。
【００８３】
すなわち、図１２に示した原子デバイスでは、移動ラインＬ１、Ｌ２の分岐点Ｐに近接するＳｉ基板１Ｃ内の部位にレーザダイオード１２が形成されている。また、分岐点Ｐの右側で第１移動ラインＬ１上のＳｉ基板１Ｃ内の部位にフォトダイオード１３、及びレーザダイオード１４がさらに形成されている。これらの光デバイスは、基板１Ｃ上にトラップされている中性原子Ａへの量子ビットの書き込み及び読み出しに用いられる。このように光デバイスが形成された基板１Ｃを用いれば、光、原子デバイスを結合させて用いることにより、フォトニクス技術と、中性原子Ａを用いた情報処理技術とのインターフェースが実現される。
【００８４】
また、Ｓｉ基板１Ｃ内の所定部位には、電極パターン２を構成している各電極への電圧印加を制御するＣＭＯＳロジックゲート回路などの電子デバイスが形成されている。図１２においては、ＦＩＦＯメモリ部６３の左右両側に設けられた電子デバイス部１１を模式的に示してある。このように電子デバイスが形成された基板１Ｃを用いれば、電子、原子デバイスを結合させて用いることにより、エレクトロニクス技術と、中性原子Ａを用いた情報処理技術とのインターフェースが実現される。
【００８５】
本発明による原子デバイスは、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、基板上にトラップされて用いられる中性粒子としてはＳｒ原子を例として挙げたが、これ以外にも様々な中性原子、あるいは中性分子を用いることができる。
【００８６】
【発明の効果】
本発明による原子デバイスは、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、中性粒子のトラップ位置を基板上に設定し、トラップ位置を挟む２組の電極対を設けるとともに、各電極への印加電圧を２つの状態間で交互にスイッチングする動的制御により中性粒子がトラップされる安定点を生成する構成によれば、オーミック損失の発生、及びそれによる発熱が回避されるので、基板上への原子回路の集積化が容易となる。また、電場を用いて原子を制御する構成では、原子回路間での電場の干渉は基板上にグランド面を設けることで容易に回避できる。これらの効果により、本原子デバイスでは原子回路の高集積化が可能となる。
【００８７】
また、上記構成では、シュタルクポテンシャルの式Ｕ_E＝−α｜Ｅ｜²／２からわかるように、電場の２次の効果を利用して粒子を制御しているため、制御される粒子の環境、外乱との結合が抑制される。したがって、デコヒーレンスに強い原子デバイスが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】原子デバイスの一実施形態の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した原子デバイスにおける中性原子のトラップ方法について説明するための図である。
【図３】図１に示した原子デバイスにおいて中性原子をトラップするための中性原子の冷却方法を示す模式図である。
【図４】電極間隔と閉じ込め周波数との相関を示すグラフである。
【図５】駆動周波数及び初期位置を変えたときの中性原子の安定性について示すグラフである。
【図６】初期速度及び初期位置を変えたときの中性原子の安定性について示すグラフである。
【図７】図１に示した原子デバイスにおける中性原子の光学的な制御について示す側面図である。
【図８】原子デバイスにおける中性原子の移動方法について示す平面図である。
【図９】原子デバイスの他の実施形態の構成を示す平面図である。
【図１０】ストロンチウム原子のエネルギー準位図である。
【図１１】２個のストロンチウム原子への量子相関の付与について示す図である。
【図１２】原子デバイスの他の実施形態の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１…基板、１Ａ、１Ｂ…透明基板、１Ｃ…半導体基板、１０…表面、１１…電子デバイス部、１２、１４…レーザダイオード、１３…フォトダイオード、１５…原子衝突領域、２…電極パターン、２１…第１電極対、２２、２３…電極、２６…第２電極対、２７、２８…電極、３…中性粒子トラップ領域、３０…トラップ位置、５０…真空容器、５１、５５…光学窓、５２…対物レンズ、５３…光学装置、６１…原子ガイド部、６２…原子シフトレジスタ部、６３…ＦＩＦＯメモリ部、６４…原子衝突部。

Claims

中性原子または中性分子である中性粒子を用いる原子デバイスであって、
基板上の所定位置に設定されたトラップ位置に対し、前記トラップ位置を通る第１軸に沿って前記トラップ位置を挟む前記基板上の位置に設けられた第１電極対と、
前記トラップ位置を通り前記第１軸と所定角度をなす第２軸に沿って前記トラップ位置を挟む前記基板上の位置に設けられた第２電極対とを備え、
前記基板の表面上に形成された前記第１電極対及び前記第２電極対を含む電極パターンに対し、前記第１電極対及び前記第２電極対によって挟まれた前記基板の表面上の領域がトラップ領域となり、前記トラップ領域の中心位置が前記トラップ位置となっており、
前記第１電極対を構成する一方の電極が基準電位からみて正電位、他方の電極が負電位に設定されて、電場中でのシュタルク相互作用によるポテンシャルにおいて、前記第２軸上で前記トラップ位置が前記中性粒子の安定点となる第１の状態と、
前記第２電極対を構成する一方の電極が前記基準電位からみて正電位、他方の電極が負電位に設定されて、電場中でのシュタルク相互作用によるポテンシャルにおいて、前記第１軸上で前記トラップ位置が前記中性粒子の安定点となる第２の状態とを交互にスイッチングすることにより前記トラップ位置に中性粒子をトラップするとともに、
グランド電位を前記基準電位に設定して、前記第１の状態では前記第２電極対を構成する２個の電極をグランド電位に設定し、前記第２の状態では前記第１電極対を構成する２個の電極をグランド電位に設定することを特徴とする原子デバイス。
前記中性粒子は、スピンを持たない中性原子または中性分子であることを特徴とする請求項１記載の原子デバイス。
前記第１電極対及び前記第２電極対からなる電極群での電極間隔が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の原子デバイス。
前記基板は、電子デバイスまたは光デバイスが形成された半導体基板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の原子デバイス。
前記基板は、所定波長の光を透過する透明基板であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の原子デバイス。
前記基板上に複数の前記トラップ位置を設定し、前記第１電極対及び前記第２電極対からなる電極群を複数の前記トラップ位置のそれぞれに対して設けるとともに、複数の前記電極群に含まれる電極のそれぞれの電位をスイッチングすることにより、前記トラップ位置への前記中性粒子のトラップと、隣接する前記トラップ位置間での前記中性粒子の移動とを行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の原子デバイス。
情報が付与された前記中性粒子を用いるとともに、複数の前記電極群は、前記中性粒子を隣接する前記トラップ位置間で順次移動していくことによって前記情報を転送する原子シフトレジスタとして構成されていることを特徴とする請求項６記載の原子デバイス。
それぞれ情報が付与された２個の前記中性粒子として第１の中性粒子及び第２の中性粒子を少なくとも用いるとともに、前記基板上でトラップまたは移動される中性粒子に対して、所定の方向に伸びる第１移動ラインと、前記第１移動ライン上にある分岐点と、前記分岐点から前記第１移動ラインに直交する方向に伸びる第２移動ラインとが設定され、
複数の前記電極群は、前記基板上において、
前記第１移動ラインのうちで前記分岐点の一方側の部分に設けられ、前記第１の中性粒子の供給及び移動に用いられる原子ガイド部と、
前記第１移動ラインのうちで前記分岐点の他方側の部分に設けられ、前記第１の中性粒子の移動による情報の転送に用いられる原子シフトレジスタ部と、
前記第２移動ラインのうちで前記分岐点とは反対側の部分に設けられ、前記第２の中性粒子が蓄積されるメモリ部と、
前記第２移動ラインのうちで前記分岐点と前記メモリ部とに挟まれた部分に設けられた原子衝突部とを有する電極パターンによって形成され、
前記原子衝突部において前記第１の中性粒子及び前記第２の中性粒子の衝突を実現することで、２個の前記中性粒子に量子相関を付与することが可能なように構成されていることを特徴とする請求項６記載の原子デバイス。