JP6069886B2 - 量子干渉装置、原子発振器、電子機器及び量子干渉方法 - Google Patents
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Description
本適用例に係る量子干渉装置は、共鳴光対によって原子に電磁誘起透過現象を発生させる量子干渉装置であって、 前記共鳴光対を発生させるための光発生部と、前記原子の集団を収容し、前記共鳴光対が入射する原子セルと、前記原子セルを透過した光を検出する光検出部と、を含み、複数の前記共鳴光対が、互いに異なる方向に沿って進み、前記原子セル内で重なる。
上記適用例に係る量子干渉装置は、前記共鳴光対を反射する光反射部を含み、前記光反射部で反射する前の前記共鳴光対と、前記光反射部で反射した後の他の前記共鳴光対とが、前記原子セル内で重なるようにしてもよい。
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記光反射部は、前記原子セルの入射面及び出射面のいずれとも異なる面に形成されていてもよい。
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記光反射部は、前記ガスセルの入射面及び出射面のいずれとも異なる面に付着した前記原子の集団の蒸気源となる固体原子の膜であってもよい。
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記原子セルは、2つの三角形状の底面と3つの矩形状の側面を有する三角柱型であり、前記共鳴光対は、前記原子セルに第1の前記側面から入射し、第2の前記側面に形成され、又は当該第2の側面に対向して配置された前記光反射部で反射し、第3の前記側面から出射するようにしてもよい。
の共鳴光対と光反射部で反射した後の他の共鳴光対を入射させることができる。
、第2の側面に45度の角度で入射して90度反射し、第3の側面(出射面)と直交する
方向に原子セルを出射する。従って、原子セルの任意の位置にある原子に、第1の側面と
直交する方向に進行する共鳴光対と第3の側面と直交する方向に進行する共鳴光対が入射するので、EIT発現効率を全体として向上させることができる。
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記共鳴光対は、強度の空間分布が、中心部の強度が高く、前記中心部からの距離が遠くなるほど強度が低くなり、前記中心部が前記原子セルの入射面の重心と一致するように前記原子セルに入射するようにしてもよい。
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記共鳴光対の強度の半値全幅の1/2をr0、前記原子セルの入射面の裏側の内壁面の重心と他の内壁面との最小距離をrminとした時、r0≧rminであってもよい。
の共鳴光対が入射するので、EIT発現効率を高めることができる。
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記共鳴光対の強度の半値全幅の1/2をr0、前記原子セルの入射面の裏側の内壁面の重心と他の内壁面との最小距離及び最大距離をそれぞれrmin及びrmaxとした時、rmin≦r0≦rmaxであってもよい。
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記光発生部は、周波数が異なる複数種類の
前記共鳴光対を発生させて前記原子セルに照射するようにしてもよい。
本適用例に係る原子発振器は、共鳴光対によって原子に電磁誘起透過現象を発生させる原子発振器であって、前記共鳴光対を発生させるための光発生部と、前記原子の集団を収容し、前記共鳴光対が入射する原子セルと、前記原子セルを透過した光を検出する光検出部と、を含み、複数の共鳴光対が、互いに異なる方向に沿って進み、前記原子セル内で重なる。
本適用例に係る電子機器は、上記の原子発振器を備える。
本適用例に係る量子干渉方法は、共鳴光対によって、原子セルに収容された原子に電磁誘起透過現象を発生させる量子干渉方法であって、前記共鳴光対を発生させ、複数の前記共鳴光対を、互いに異なる方向に沿って進ませ、前記原子セル内で重ねさせ、前記原子セルを透過した光を検出する。
1−1.機能構成
図1は、本実施形態の原子発振器の構成例を示す図である。図1に示すように、第1実施形態の原子発振器1は、半導体レーザー110、ガスセル120、光検出器130、検波回路140、変調回路150、低周波発振器160、検波回路170、電圧制御水晶発振器(VCXO)180、変調回路190、低周波発振器200、周波数変換回路210、駆動回路220を含んで構成されている。なお、本実施形態の原子発振器は、適宜、図1の構成要素(各部)の一部を省略又は変更したり、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
第2実施形態の原子発振器は、EIT発現部100の構造が他の実施形態と異なる。第2実施形態の原子発振器の構成例は、図1と同様であるため、その図示及び説明を省略する。
第3実施形態の原子発振器は、EIT発現部100の構造が他の実施形態と異なる。第3実施形態の原子発振器の構成例は、図1と同様であるため、その図示及び説明を省略する。
第4実施形態の原子発振器は、EIT発現部100の構造が他の実施形態と異なる。第4実施形態の原子発振器の構成例は、図1と同様であるため、その図示及び説明を省略する。
第5実施形態の原子発振器は、半導体レーザー110が発生させる光が他の実施形態と異なる。図15は、第5実施形態の原子発振器の構成例を示す図である。図15において、図1と同じ構成要素には同じ符号を付している。図15に示すように、第5実施形態の原子発振器1は、第1実施形態と同様の構成要素に加えて、周波数変換回路230と変調回路240が追加されている。なお、本実施形態の原子発振器は、適宜、図15の構成要素(各部)の一部を省略又は変更したり、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
図17に、本実施形態の原子発振器を搭載した電子機器(携帯端末)の模式図を示す。図17において、携帯端末500(PHSを含む)は、複数の操作ボタン502、受話口504及び送話口506を備え、操作ボタン502と受話口504との間には表示部508が配置されている。最近では、このような携帯端末500においてもGPS機能を備えている。そこで、携帯端末500には、GPS回路のクロック源として本実施形態の原子発振器が内蔵されている。
本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
本実施形態の原子発振器では、三角柱型又は円柱型のガスセル120を用いているが、ガスセル120は、任意の立体形状であってもよい。例えば、ガスセル120をより複雑な立体形状にし、ガスセル120の周辺に複数のミラーを配置して、各原子により多くの方向から異なる2光波が入射するようにしてもよい。
第1実施形態又は第3実施形態の原子発振器において、EIT発現部100に含まれるミラー102はガスセル120の側面122の内壁面に形成されていてもよい。あるいは、ミラー102はガスセル120の側面122と対向させてガスセル120の外部に別途配置してもよい。
本実施形態の原子発振器において、半導体レーザー110の中心波長λ0(中心周波数f0)が、ガスセル120に封入されたアルカリ金属原子の2P1/2のI−1/2の励起準位(I+1/2の励起準位でもよい)と2S1/2のI+1/2の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ2(周波数f2)にほぼ一致するようにバイアス電流を設定するとともに、周波数変換回路210が変調回路190の出力信号をΔE12に相当する周波数に等しい周波数の信号に変換するように変形してもよい。あるいは、本実施形態の原子発振器1において、半導体レーザー110の中心波長λ0(中心周波数f0)が、ガスセル120に封入されたアルカリ金属原子の2P1/2のI−1/2の励起準位(I+1/2の励起準位でもよい)と2S1/2のI−1/2の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ1(周波数f1)にほぼ一致するようにバイアス電流を設定するとともに、周波数変換回路210が変調回路190の出力信号をΔE12に相当する周波数に等しい周波数の信号に変換するように変形してもよい。
本実施形態の原子発振器を電気光学変調器(EOM:Electro-Optic Modulator)を用いた構成に変形してもよい。すなわち、半導体レーザー110は、周波数変換回路210の出力信号(変調信号)による変調がかけられず、設定されたバイアス電流に応じた単一周波数f0の光を発生させる。この周波数f0の光は、電気光学変調器(EOM)に入射し、周波数変換回路210の出力信号(変調信号)によって変調がかけられる。その結果、図4と同様の周波数スペクトルを有する光を発生させることができる。そして、この電気光学変調器(EOM)が発生させる光がガスセル120に照射される。この原子発振器では、半導体レーザー110と電気光学変調器(EOM)による構成が光発生部に相当する。
本実施形態又は変形例の原子発振器の構成は、共鳴光対によって原子に電磁誘起透過現象を発生させる様々な量子干渉装置に応用することができる。量子干渉装置とは、原子の量子干渉状態を利用するすべての装置であり、本実施形態で説明したEIT発現部(EIT発現装置)も量子干渉装置に含まれる。
例えば、本実施形態又は変形例の原子発振器と同様の構成により、ガスセル120の周辺の磁場の変化に追従して電圧制御水晶発振器(VCXO)180の発振周波数が変化するため、ガスセル120の近傍に磁気測定対象物を配置することで磁気センサー(量子干渉装置の一例)を実現することができる。
また、例えば、本実施形態又は変形例の原子発振器と同様の構成により、極めて安定した金属原子の量子干渉状態(量子コヒーレンス状態)を作り出すことができるので、ガスセル120に入射する共鳴光対を取り出すことで、量子コンピュータ、量子メモリー、量子暗号システム等の量子情報機器に用いる光源(量子干渉装置の一例)を実現することもできる。
Claims (12)
- 共鳴光対によって原子に電磁誘起透過現象を発生させる量子干渉装置であって、
前記共鳴光対を発生させるための光発生部と、
前記原子の集団を収容し、前記共鳴光対が入射する原子セルと、
前記原子セルを透過した光を検出する光検出部と、を含み、
複数の前記共鳴光対が、互いに異なる方向に沿って進み、前記原子セル内で重なる、前記量子干渉装置。 - 請求項1において、
前記共鳴光対を反射する光反射部を含み、
前記光反射部で反射する前の前記共鳴光対と、前記光反射部で反射した後の他の前記共鳴光対とが、前記原子セル内で重なる、量子干渉装置。 - 請求項2において、
前記光反射部は、前記原子セルの入射面及び出射面のいずれとも異なる面に形成されている、量子干渉装置。 - 請求項2において、
前記光反射部は、前記原子セルの入射面及び出射面のいずれとも異なる面に付着した前記原子の集団の蒸気源となる固体原子の膜である、量子干渉装置。 - 請求項2乃至4のいずれか一項において、
前記原子セルは、2つの三角形状の底面と3つの矩形状の側面を有する三角柱型であり、
前記共鳴光対は、
前記原子セルに第1の前記側面から入射し、第2の前記側面に形成され、又は当該第2の側面に対向して配置された前記光反射部で反射し、第3の前記側面から出射する、量子干渉装置。 - 請求項1乃至5のいずれか一項において、
前記共鳴光対は、強度の空間分布が、中心部の強度が高く、前記中心部からの距離が遠くなるほど強度が低くなり、前記中心部が前記原子セルの入射面の重心と一致するように前記原子セルに入射する、量子干渉装置。 - 請求項6において、
前記共鳴光対の強度の半値全幅の1/2をr0、前記原子セルの入射面の裏側の内壁面の重心と他の内壁面との最小距離をrminとした時、r0≧rminである、量子干渉装置。 - 請求項6において、
前記共鳴光対の強度の半値全幅の1/2をr0、前記原子セルの入射面の裏側の内壁面の重心と他の内壁面との最小距離及び最大距離をそれぞれrmin及びrmaxとした時、rmin≦r0≦rmaxである、量子干渉装置。 - 請求項1乃至8のいずれか一項において、
前記光発生部は、周波数が異なる複数種類の前記共鳴光対を発生させて前記原子セルに照射する、量子干渉装置。 - 共鳴光対によって原子に電磁誘起透過現象を発生させる原子発振器であって、
前記共鳴光対を発生させるための光発生部と、
前記原子の集団を収容し、前記共鳴光対が入射する原子セルと、
前記原子セルを透過した光を検出する光検出部と、を含み、
複数の共鳴光対が、互いに異なる方向に沿って進み、前記原子セル内で重なる、原子発振器。 - 請求項10に記載の原子発振器を備えた、電子機器。
- 共鳴光対によって、原子セルに収容された原子に電磁誘起透過現象を発生させる量子干渉方法であって、
前記共鳴光対を発生させ、
複数の前記共鳴光対を、互いに異なる方向に沿って進ませ、前記原子セル内で重ねさせ、前記原子セルを透過した光を検出する、量子干渉方法。
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