WO2004082027A1 - 原子デバイス - Google Patents

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WO2004082027A1
WO2004082027A1 PCT/JP2004/003343 JP2004003343W WO2004082027A1 WO 2004082027 A1 WO2004082027 A1 WO 2004082027A1 JP 2004003343 W JP2004003343 W JP 2004003343W WO 2004082027 A1 WO2004082027 A1 WO 2004082027A1
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electrode
substrate
neutral
atomic
trap
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PCT/JP2004/003343
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Inventor
Hidetoshi Katori
Original Assignee
Japan Science And Technology Agency
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/788—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate with floating gate
    • H01L29/7888—Transistors programmable by two single electrons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/006—Manipulation of neutral particles by using radiation pressure, e.g. optical levitation

Definitions

  • the present invention relates to an atomic device that uses a neutral atom or neutral molecule trapped on a substrate.
  • a magnetic field minimum point is generated at a desired position by combining a magnetic field generated by a current conducting wire on the substrate and a bias magnetic field from the outside.
  • the atom having antiparallel magnetic moments / z B in a magnetic field because the Zeeman potential becomes minimum at the minimum point of the magnetic field, it is possible to trap atoms with the minimum point as trap position.
  • atomic control principle there have been experiments on atom guides based on magnetic fields created by conducting wires on a substrate, branching circuits of atoms using Y-shaped wires, and experiments on the formation of pause condensates on a substrate. Is being done.
  • these studies have been carried out using the magnetic field control of the electron spin of laser-cooled alkali atoms.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an atomic device capable of easily integrating an atomic circuit and reducing the influence of disturbance and the like is provided.
  • the purpose is to provide.
  • an atomic device is an atomic device using a neutral atom or a neutral particle that is a neutral molecule, comprising: A first electrode pair provided at a position on the substrate sandwiching the trap position along a first axis passing through the trap position with respect to a trap position set at a predetermined position on the plate, and (2) passing through the trap position. A second electrode pair provided at a position on the substrate that sandwiches the trap position along a second axis that forms a predetermined angle with the first axis. (3) One of the electrodes forming the first electrode pair has a reference potential. A first state in which the other electrode is set to a positive potential and the other electrode is set to a negative potential when viewed from the reference potential. It is characterized in that neutral particles are trapped at the trapping position by alternately switching between the two states.
  • neutral atoms or neutral molecules are controlled by using Stark interaction by an electric field instead of Zeeman interaction by a magnetic field. That is, an electric field E (r) is applied to neutral particles having polarizability ⁇ , and the potential due to Stark interaction in the electric field of the particles is obtained.
  • the structure and the atom control method since a voltage is applied to the electrode on the substrate to control the particles, only a power loss due to the switching of the electric field occurs, and an ohmic loss occurs. , And the resulting heat generation are avoided. Therefore, integration of the atomic circuit on the substrate becomes easy. In a configuration in which atoms are controlled using an electric field, electric field interference between atomic circuits can be easily avoided by providing a duland surface on the substrate. These effects allow the atomic device to be highly integrated in atomic circuits.
  • the particles are controlled using the second-order effect of the electric field.
  • the coupling of the particles to the environment and disturbance is suppressed. Therefore, an atomic device strong against decoherence is realized.
  • the two electrodes forming the second electrode pair are set to the reference potential.
  • the neutral particles trapped on the substrate and used are preferably neutral atoms or molecules having no spin. In such particles, a long coherence time can be expected for the quantum state. This is advantageous in terms of expandability of the atomic circuit.
  • an electrode interval in an electrode group including a first electrode pair and a second electrode pair is 10 ⁇ or less.
  • a substrate for forming an atomic device a semiconductor substrate on which an electronic device or an optical device is formed is preferably used. If a substrate on which an electronic device is formed is used, an interface between the electronics technology and the information processing technology using neutral particles can be realized by using a combination of electrons and atomic devices. In addition, if a substrate on which an optical device is formed is used, an interface between photonitas technology and information processing technology using neutral particles can be realized by combining and using light and atomic devices.
  • the substrate it is preferable to use a transparent substrate that transmits light of a predetermined wavelength. If a transparent substrate is used, the atomic device and other optical devices can be connected to each other via the substrate to use photonics technology and neutral particles. V. It is possible to realize an interface with information processing technology.
  • the atomic device sets a plurality of trap positions on the substrate, and provides an electrode group including a first electrode pair and a second electrode pair for each of the plurality of trap positions. Switching of the potential of each of the electrodes included in the plurality of electrode groups preferably causes the trapping of neutral particles to the trap position and the movement of neutral particles between adjacent trap positions.
  • atomic device for example, neutral particles to which information is added are used, and a plurality of electrode groups are sequentially moved between adjacent trap positions.
  • an atomic shift register transfers information by moving.
  • at least two neutral particles to which information is assigned are used, and a plurality of electrode groups are installed so that a quantum correlation can be assigned to the two neutral particles.
  • various configurations other than the above are possible.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of an embodiment of an atomic device.
  • FIG. 2A and FIG. 2B are diagrams for explaining a method of trapping a neutral atom in the atomic device shown in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a method for cooling neutral atoms for trapping neutral atoms in the atomic device shown in FIG.
  • FIG. 4 is a graph showing the correlation between the electrode spacing and the confinement frequency.
  • FIG. 5 is a graph showing the stability of neutral atoms when the drive frequency and the initial position are changed.
  • Figure 6 shows the stability of neutral atoms when the initial velocity and initial position were changed. It is a graph shown about.
  • FIG. 7 is a side view showing optical control of neutral atoms in the atomic device shown in FIG.
  • FIG. 8 is a plan view showing a method for moving neutral atoms in an atomic device.
  • FIG. 9 is a plan view showing a configuration of another embodiment of the atomic device.
  • FIG. 10 is an energy level diagram of a strontium atom.
  • FIG. 11A and FIG. 11B are diagrams showing the provision of a quantum correlation to two strontium atoms.
  • FIG. 12 is a plan view showing the configuration of another embodiment of the atomic device.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of an embodiment of the atomic device according to the present invention.
  • the present atomic device is an atomic substrate (atom chip) using neutral particles trapped on the substrate, and includes a substrate 1 and an electrode pattern 2.
  • a neutral atom is mainly used will be described.
  • a neutral atom or a neutral molecule can be used as the neutral particle.
  • coordinate axes including x, y, and z axes are defined and used as follows for convenience of description. That is, an axis perpendicular to the substrate 1 is orthogonal to the z-axis and z-axis, and one diagonal axis of the substrate 1 is orthogonal to the X-axis (first axis), and orthogonal to the z-axis and the X-axis. The other diagonal axis is the y-axis (second axis).
  • the predetermined position at the intersection of the X-axis and the y-axis, which is approximately at the center on the substrate 1, is It is set as the neutral atom trap position 30 in the vise.
  • the substrate 1 is a substantially square substrate made of a predetermined material.
  • An electrode pattern 2 made of a metal material such as silver is formed on the surface 10 of the substrate 1.
  • the electrode pattern 2 has two electrode pairs, a first electrode pair 21 and a second electrode pair 26. At least a region on the surface 10 of the substrate 1 is kept in an ultra-high vacuum due to trapping of neutral atoms and the like.
  • the first electrode pair 21 has a pair of electrodes 22 and 23. Each of these electrodes 22 and 23 is formed in a rectangular shape along the outer shape of the substrate 1, and the trap position
  • the electrode 22 is arranged on the upper right side of the substrate 1 and the electrode 23 is arranged on the lower left side.
  • the second electrode pair 26 has a pair of electrodes 27 and 28. These electrodes 27 and 28 are each formed in a rectangular shape along the outer shape of the substrate 1 and provided at positions on the substrate 1 sandwiching the trap position 30 along the y-axis passing through the trap position 30. ing. In FIG. 1, an electrode 27 is arranged on the lower right side of the substrate 1 and an electrode 28 is arranged on the upper left side. These electrodes 22, 23, 27, 28 are formed with a predetermined electrode spacing d and a thickness w.
  • the two electrode pairs 21 and 26 described above constitute an electrode group used for trapping neutral atoms.
  • the region on the substrate surface 10 sandwiched between the electrode pairs 21 and 26 is a trap region 3, and the center position is the neutral atom trap position 30.
  • the potentials of the electrodes 22, 23, 27, 28 constituting the electrode pairs 21, 26 are alternately switched between the first state and the second state. As a result, a neutral atom is trapped at the trap position 30.
  • the ground potential is set to the reference potential with respect to the potential at the atomic device, and two states are set to the potential of each electrode.
  • the two electrodes 27 and 28 constituting the second electrode pair 26 are set to the ground potential G.
  • the voltage + V is applied to one electrode 27 of the second electrode pair 26.
  • a voltage of 1 V is applied to the other electrode 28. Is applied.
  • the two electrodes 22 and 23 constituting the first electrode pair 21 are set to the ground potential G. In this atomic device, atoms are trapped at the trap position 30 by switching of these states.
  • FIGS. 2A and 2B are diagrams for explaining a method of trapping a neutral atom in the atomic device shown in FIG.
  • FIG. 2A is a schematic diagram illustrating coordinate axes including x, y, and z-axis forces, and voltages of respective electrodes.
  • the electrodes 27 and 28 are set to the ground potential G, the electrode 22 is set to the positive potential +0 , and the electrode 23 is set to the negative potential.
  • the applied voltage is switched from the first state to the second state.
  • the electrodes 22 and 23 are set to the ground potential G, and the electrode 27 is set to the positive potential + V.
  • the electrode 28 has a negative potential of 1V.
  • the neutral atom in the first state, has a stable position at the center position in the y-axis direction, and tends to move in the direction approaching the electrodes 22 and 23 in the X-axis direction. I do.
  • the neutral atom In the second state, the neutral atom has a stable position at the center position in the X-axis direction, and moves in a direction approaching the electrodes 27, 28 in the y-axis direction. Therefore, if the two states are switched at a higher frequency than the neutral atoms move to the electrode, the neutral atoms are trapped with a small movement near the trap position 30.
  • the polarizability of the ground state and metastable state of the atom is ⁇ 0. Therefore, in order to trap neutral atoms on the substrate 1, it is necessary to create a maximum point of the electric field strength. However, from the Maxwell equation, such a maximum point cannot be created in free space. For this reason, in the atom control method using an electric field, atoms cannot be trapped by static control, and atom stabilization by dynamic control is required. On the other hand, in the above-described atomic device, two pairs of electrodes 21 and 26 are provided, and dynamic control for switching the applied voltage to them is performed. This makes it possible to generate a stable trap position 30 and trap neutral atoms.
  • the electrodes 27 and 28 of the second electrode pair 26 in the first state and the electrodes 22 and 23 of the first electrode pair 21 in the second state are set.
  • the potential to be applied is set to the ground potential, which is the reference potential, in order to favorably generate a stable point at the trap position 30.
  • the neutral atom can be stabilized, a different potential is used. It is good.
  • neutral particles trapped and used on the substrate 1 can be used as described above.
  • neutral atoms having no spin are used.
  • a neutral particle without spin can expect a long coherence time for its quantum state. This is advantageous in terms of the extensibility of the atomic circuit.
  • neutral particles include, for example, alkaline earth atoms such as strontium (S r) atoms having two outermost electrons.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a method for cooling neutral atoms.
  • the cooling of the neutral atoms and the trapping on the substrate 1 are all performed in an ultra-high vacuum.
  • the cooling of the neutral atoms is performed using a magneto-optical trap (MOT: Magneto-Optical Trap) technique.
  • MOT Magneto-Optical Trap
  • anti-Helmholtz coils 41 and 42 are installed at positions sandwiching the neutral atom, and these coils 41 The cooled neutral atoms are trapped using a magnetic field or the like according to 42. Further, by moving the cooled neutral atoms to the trap position 30 by controlling the magnetic field or the like, the neutral atoms move to the Stark trap formed by the electrode pairs 21 and 26 formed on the substrate 1.
  • FIG. 4 is a graph showing the correlation between the electrode spacing d (zm, horizontal axis) and the confinement frequency (rad Zs, vertical axis).
  • the electrode pairs 21 and 26 Consider the Stark potential generated near the trap position 30 in the direction contributing to the confinement of neutral atoms (see Fig. 2B).
  • the oscillation frequency obtained from the static shape of this potential is the confinement frequency of neutral atoms.
  • V. 50V.
  • this confinement frequency is the voltage V applied to the electrode.
  • the voltage V necessary for confining neutral atoms is obtained by making the electrode structure macrostructured. Can be reduced.
  • the electrode interval d be 10 / m or less.
  • neutral atoms can be trapped at a voltage of about several 10 V as described above.
  • the electrode spacing d is 3 ⁇ m or less, neutral atoms can be trapped at a voltage of several volts, which is widely used in integrated-port magic circuits.
  • the microstructured structure of the electrode structure is also advantageous in miniaturizing and integrating the atomic device.
  • Fig. 5 shows an example of the stability of neutral atoms when the drive frequency (kHz, horizontal axis), which is the frequency of the voltage applied to the electrodes, and the initial position ( ⁇ , left axis) are changed.
  • the initial position indicates the distance from the trap position of the neutral atom in the initial state.
  • the initial velocity of the neutral atom is 1 mm_ s
  • the confinement frequency is 6 O k ra dZ s.
  • the graph G1 shows the condition of the initial position where the neutral atom is stably trapped, and the region where the initial position is smaller than the graph (shown by hatching in the figure). Area) is the stable area.
  • Area is the stable area.
  • a stable region is obtained when the drive frequency is in the range of about 15.2-1.8.4 kHz.
  • the driving frequency is about 17 kHz, the condition of the allowable initial position is widened, and it is the most stable.
  • the correlation between the driving frequency and the secular frequency of neutral atom motion (kHz, right axis) is shown by graph G2.
  • the secular frequency decreases as the drive frequency increases.
  • FIG. 6 is a graph showing an example of the stability of neutral atoms when the initial velocity (mm / s, horizontal axis) and the initial position (m, left axis) are changed.
  • the confinement frequency is 60 krad / s
  • the driving frequency is 17 kHz.
  • the initial velocity and initial position location corresponding to the temperature (Myukappa, upper shaft) and the atom density (cm one 3, right) also shows the About.
  • the graph G 3 shows the conditions of the initial velocity and the initial position at which the neutral atoms are stably trapped.
  • the region indicated by () is a stable region. As shown in this graph, by lowering the initial velocity by cooling the neutral atoms to a sufficiently low temperature, the condition of the allowable initial position becomes wider, and the neutral atoms can be trapped more easily.
  • the neutral atoms trapped and used on the substrate 1 are emitted by irradiating the neutral atoms with light or detecting the light emitted from the neutral atoms. It can be controlled optically. Also, by using such an atom control technology, it is possible to realize an interface between an atomtronite using neutral atoms and a photon using photons.
  • FIG. 7 is a side view showing optical control of neutral atoms in the atomic device shown in FIG.
  • This is illustrated by a cross-section through the loop position 30.
  • This atomic device uses a quartz substrate 1A, which is a transparent substrate that transmits light of a predetermined wavelength, as a substrate 1, and has a configuration in which a silver electrode pattern 2 shown in FIG. 1 is provided on the quartz substrate 1A. ing.
  • the atomic device is placed in a vacuum vessel 50 whose inside is kept in an ultra-high vacuum, and a neutral atom A is trapped in a trap position 30 thereof.
  • the quartz substrate 1A of the atomic device forms a part of the outer wall of the vacuum vessel 50 with the surface side on which the electrode pattern 2 is provided being inside.
  • the quartz substrate 1A is an optical window that transmits light of a predetermined wavelength.
  • an objective lens 52 is provided at a position close to the back surface of the quartz substrate 1A, and an optical device 53 is connected to the objective lens 52.
  • the neutral atom A by the objective lens 52 having a working distance of about 1 mm is used.
  • an optical resolution of about 400 nm can be expected, and this can be used to establish an atom-optical interface technology.
  • a laser light source is applied as the optical device 53
  • the internal state can be controlled by irradiating the atom A with laser light.
  • a photodetector is applied as the optical device 53, the internal state can be detected by detecting the light emitted from the atom A.
  • the above-mentioned atomic device composed of the quartz substrate 1A and the silver electrode pattern 2 is obtained by, for example, subjecting a commercially available silver mirror to a focused ion beam (FIB) process. It can be produced by With such a processing method, it is possible to fabricate an electrode structure in which the distance d between the electrodes is as small as about 100 nm. Further, the thickness w may be appropriately set, for example, to 100 nm or 200 nm according to the electrode distance d. Further, in the configuration shown in FIG. 7, a concave portion having a depth of about 10 ⁇ Hi is provided in the quartz substrate 1A in the trap region including the trap position 30. This is to prevent the trapped atoms from colliding with the substrate 1.
  • FIG. 8 is a plan view showing a method of moving neutral atoms trapped on a substrate in an atomic device.
  • FIG. 1 shows a configuration in which an electrode group including two electrode pairs 21 and 26 for trapping atoms A is provided on the substrate 1.
  • the trapping of the atom A at the trap position can be achieved.
  • a movement line L of a neutral atom A is virtually set on the surface 10 of the substrate 1. Then, with the moving line L interposed therebetween, an electrode row composed of electrodes 28 a, 28 b, ⁇ ⁇ ⁇ , 22 a, 22 b, ..., and electrodes 23 a, 23 b,
  • Electrodes rows are provided.
  • the basic configuration of an atomic device consisting of two pairs of electrodes is extended along the movement line L, enabling coherent transport of neutral atoms A and realizing various atomic circuits. can do.
  • Such an electrode structure can be made, for example, using FIB processing, as described above with respect to FIG.
  • the pair of electrodes 22a and 23a is used as a first electrode pair as shown by hatching in the figure.
  • a first electrode group is formed by using a pair of electrodes 27 a and 28 a as a second electrode pair. By switching the applied voltage to each of these electrodes, the neutral atom A is trapped at the corresponding 1, lap position 31.
  • the left electrode 23 a of the first electrode pair is switched to 23 b, and the pair of electrodes 22 a and 23 b is used as the first electrode pair, and the second electrode Switch the left electrode 28 a to 28 b in the pair, and use the pair of electrodes 27 a and 28 b as the second electrode pair, and the second electrode group shifted to the right from the first electrode group. Is composed.
  • the switched electrodes 23 a and 28 a are set to the ground potential, and the applied voltage is switched for each electrode of the second electrode group to move to the corresponding trap position 32. Neutral atom A moves along line L and is trapped.
  • Electrodes 22 b and 23 b are used as a first electrode pair, and electrodes 27 b and
  • the set of 28b is used as a second electrode pair to form a third electrode group further shifted to the right. Then, the switched electrodes 22 a and 27 a are set to the ground potential, and the applied voltage is switched for each electrode of the third electrode group, so that the moving line L moves to the corresponding trap position 33. Neutral atom A moves along and is trapped. [0714] In the electrode structure shown in Fig. 8, the distance between adjacent trap positions (for example, between trap positions 31 and 32) depends on the wave function of neutral atom A before and after movement. It is preferable to set the width, interval, and the like of each electrode so that the distances overlap sufficiently. Thereby, the movement of the atom A between the trap positions can be suitably realized.
  • Such an electrode structure can be used as an atomic guide that moves the neutral atoms A trapped on the substrate 1 in a macroscopic manner. If an atom to which information is added is used as the neutral atom A, the atom A can be used as an atom shift register for transferring information by sequentially moving the atom A between adjacent trap positions. Furthermore, it is possible to use two neutral atoms, each of which information has been added, as a trap on the substrate 1 to realize a “controlled collision” between those atoms and to add a quantum correlation. With such an electrode structure, it is possible to apply atomic devices to various fields such as quantum information processing and quantum computing.
  • quantum bits which is an extension of the classic “bits”.
  • a qubit has a feature that it can take a state of “0”, a state of “1”, and a superimposed state thereof.
  • multiple qubits can be given a quantum correlation called “quantum entanglement”. If two qubits are in entangled state, they cannot take independent quantum states.
  • the state control of neutral atom A corresponding to such a qubit or 2 It is possible to realize quantum correlation control of two neutral atoms A corresponding to the entanglement of qubits.
  • a configuration example of such an atomic device will be described.
  • FIG. 9 is a plan view showing the configuration of another embodiment of the atomic device.
  • the present atomic device uses a quartz substrate 1B, which is a transparent substrate that transmits light of a predetermined wavelength, as a substrate 1, and has a configuration in which an electrode pattern 2 is provided on the quartz substrate 1B.
  • a first movement line L1 extending in the horizontal direction in the figure is set for the neutral atom A trapped or moved on the substrate 1B. Further, a branch point P at which the moving line branches is provided substantially at the center of the first moving line L1, and a second moving line L2 extending from this branch point P in a direction orthogonal to the first moving line L1 is provided. Is set.
  • the electrode pattern 2 is configured so that the neutral atoms A can be sequentially moved along these movement lines L1, L2. [0790] Specifically, an electrode pattern serving as an atom guide portion 61 is formed on a portion on the left side of the branch point P in the first movement line L1. Further, an electrode pattern serving as the atom shift register section 62 is formed on the right side of the branch point P in the first movement line L1.
  • an electrode pattern serving as the FIFO memory section 63 is formed on a portion of the second moving line L2 opposite to the branch point P. Further, an electrode pattern serving as an atom collision portion 64 is formed on a portion on the branch point P side of the second movement line L2.
  • the basic structure of the electrode pattern in each of these parts 61 to 64, and the method of trapping and moving neutral atoms A using the electrode structure are the same as those shown in FIG. .
  • a cryogenically cooled neutral atom A is supplied from an atom source (not shown) to the atom guide section 61, and is located at the left end of the atom guide section 61.
  • Atomic A is trapped at the trap position corresponding to the electrode group consisting of two electrode pairs.
  • the atoms A move toward the branch point P by sequentially operating the plurality of electrode groups arranged along the first movement line L1.
  • an objective lens and an optical device are installed via a quartz substrate 1B with respect to the branch point P.
  • the internal state can be controlled or the internal state can be detected with a resolution of about 400 nm. This corresponds to writing or reading qubits.
  • an atom shift register (atom memory) 62 for transferring information is configured.
  • another neutral atom B can be appropriately stored in the FIFO memory unit 63.
  • the electrode width and interval are set smaller than those of the other sections 61 to 63. In such a configuration, the atom A whose qubit control was performed at the branch point P and the atom B stored in the FIF ⁇
  • the atomic device according to the present invention is characterized by its wide extensibility. By combining single atom operations by an electrode group consisting of two pairs of electrodes, which is a basic unit, various atomic devices can be obtained. It is possible to fabricate circuits.
  • an information processing system with a size of several centimeters can be constructed even when combined with a cryogenic atomic source.
  • a vacuum container 50 that maintains an ultra-high vacuum.
  • a vacuum chamber to which a vacuum pump is connected can be used.
  • a package similar to that of a semiconductor device to which an atom source of about several centimeters square and a small ion pump are added may be used.
  • the transparent substrate itself is an optical window that can access the atom A from below. Can be used. Further, another optical window may be provided below the transparent substrate. Alternatively, as shown in FIG. 7, an optical window 55 capable of accessing the atom A from above the substrate may be provided. When the upper optical window is used, a substrate that does not transmit light may be used.
  • control of each electrode of the electrode pattern 2 can be performed using, for example, a CMOS gate gate circuit formed on the same chip, a gate circuit on another chip arranged in parallel, and the like.
  • FIG. 10 is an energy level diagram of Sr.
  • S r is two electrons of the outermost shell is in the 5 s 2 state 1 S.
  • the state is the ground state, and as its excited state, as shown in FIG. 10, the energy is 3 P in ascending order.
  • 3 P of these excited states Let the state be the state I 0> of quantum bit 0, and let the state of 3 P 2 be the state I 1> of quantum bit 1.
  • FIG. 11A and FIG. 11B are diagrams showing the assignment of a quantum correlation to two Sr atoms. Also, here, two Sr atoms that are close to each other in the atom collision region set on the substrate of the atomic device On the other hand, it is assumed that light having a wavelength shifted by a predetermined shift amount ⁇ ; (2923 + ⁇ ) nm is irradiated.
  • Figure 11A shows one of the two Sr atoms in the I0> state and the other in the Sr atom.
  • FIG. 4 is a level diagram illustrating a case where the I 1> state is established.
  • 1 iota> for one S r atoms in the state can be a transition to the 3 D 3 state with light having a wavelength of 2 9 2 3 nm, such be irradiated with light above Symbol wavelength No state transition occurs. Therefore, there is no quantum correlation between the two S r atoms.
  • FIG. 11B is a level diagram showing a case where both of the two Sr atoms are in the I1> state.
  • the resonance dipole interaction between the two S r atoms in I 1> state the lower the energy level of 3 D 3 state. More this, two S r atoms in I 1> I 1> state, transition to the 3 D 3 state by light having a wavelength (2 9 2 3 + ⁇ ) nm, between these S r atoms
  • a C PHASE gate using S r atoms can be realized by c or more, which is given a quantum correlation to.
  • FIG. 12 is a plan view showing the configuration of another embodiment of the atomic device.
  • the present atomic device uses a silicon (Si) substrate 1C, which is a semiconductor substrate, as a substrate 1, and has a configuration in which an electrode pattern 2 is provided on the Si substrate 1C.
  • Si silicon
  • the configuration of the electrode pattern 2 having the atom guide section 61, the atom shift register section 62, the FIFO memory section 63, and the atom collision section 64 is the same as the configuration shown in FIG.
  • the atomic device of this embodiment is an atomic “optical” electronic integrated circuit (A OE IC: Atom—) formed by integrating an atomic device, an optical device, and an electronic device on a Si substrate 1C. Opto— Electronic IC).
  • a OE IC Atom—
  • the laser diode 12 is formed at a position in the Si substrate 1C close to the branch point P of the moving lines L1 and L2. I have. Further, a photodiode 13 and a laser diode 14 are further formed at a position in the Si substrate 1C on the first movement line L1 on the right side of the branch point P.
  • These optical devices are used for writing and reading quantum bits to neutral atoms A trapped on the substrate 1C. If the substrate 1C on which the optical device is formed is used, an interface between the photonic technology and the information processing technology using the neutral atom A can be realized by combining the optical and atomic devices. ;
  • An electronic device such as a CMOS logic gate circuit for controlling voltage application to each electrode constituting the electrode pattern 2 is formed at a predetermined portion in the Si substrate 1C. Have been.
  • the electronic device units 11 provided on the left and right sides of the FIFO memory unit 63 are schematically shown.
  • the atomic device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible.
  • the neutral particles trapped on the substrate and used the force exemplified by the Sr atom can be used.
  • various neutral atoms or neutral molecules can be used.
  • the atomic device according to the present invention can be used as an atomic device capable of easily integrating an atomic circuit and reducing the influence of disturbance and the like.
  • the neutral particle trapping position is set on the substrate, two pairs of electrodes sandwiching the trapping position are provided, and the voltage applied to each electrode is switched by the dynamic control that alternately switches between the two states.
  • Sex particles trap According to the configuration for generating a stable point, generation of an ohmic loss and heat generation due to the ohmic loss are avoided, so that the atomic circuits can be easily integrated on the substrate.
  • electric field interference between atomic circuits can be easily avoided by providing a ground plane on the substrate.

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Description

明糸田書
原子デパイス
技術分野
【0001】 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。
背景技術
【0002】 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二タス、フォトニクスの発展と同様に、 「ァ トムトロ二タス」 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、 この技術で角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、文献「Donatella Cassettari et al . , "Beam Splitter for Guided Atoms" , Phys . Rev. Lett . Vol .85, pp.5483-5487 (2000) .」 参照）。
発明の開示
【0004】 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 μΒをもつ 原子の磁場中でのゼーマン相互作用によるポ- UB (r) =~μ Β · 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。
【0 0 0 5】 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/ z 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、 基板上でのポ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。
[ 0 0 0 6 ] 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パ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、ォ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。
【0 0 0 7】 また、 上記技術では、 ゼーマンポテンシャルの式 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 場合にデコヒ一レンスの発生が避けられないという問題があった。
【0 0 0 8〗 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。
【0 0 0 9】 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、 （ 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 に設定される第 2の状態とを交互にスィツ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ことを特徴とする。
【0 0 1 0】 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 ) = - a I 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 圧をスィツ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。
【0 0 1 1〗 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、 電場のスィツチングに伴う電力損失のみが発生 し、 ォ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ダ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。
【0 0 1 2】 また、 上記構成では、 シュタルクポテンシャルの式
U E = - α I E I 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 強い原子デバィスが実現される。
【0 0 1 3】 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。
【0 0 1 4】 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。
[ 0 0 1 5 ] また、 原子デバィスは、 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 1 0 μ ηι以下であることが好ましい。 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。
【0 0 1 6〗 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レ、れば、電子、原子デバィ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、 原子デバィスを結合させて用いることにより、 フォトニタス技術と、 中性粒子を 用レ、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。
【0 0 1 7】 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、 フォト二タス技術と、 中性粒子を用 V、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。
【0 0 1 8】 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ィッチ 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が好ましい。
【0 0 1 9】 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。
【 0 0 2 0】 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 図面の箇単な説明
【0 0 2 1】 図 1は、 原子デバィスの一実施形態の構成を示す斜視図である。
[ 0 0 2 2 ] 図 2 A及び図 2 B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。
【0 0 2 3】 図 3は、 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。
【0 0 2 4】 図 4は、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。 【0 0 2 5】 図 5は、 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。
【0 0 2 6】 図 6は、 初期速度及ぴ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。
【0 0 2 7】 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。
【0 0 2 8】 図 8は、 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。
【0 0 2 9】 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。
【0 0 3 0】 図 1 0は、 ストロンチウム原子のエネルギー準位図である。
【0 0 3 1】 図 1 1 A及ぴ図 1 1 Bは、 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。
[ 0 0 3 2 ] 図 1 2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。
発明を実施するための最良の形態
[ 0 0 3 3 ] 以下、 図面とともに本発明による原子デバィ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。
【0 0 3 4〗 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。 本原子デバィスは、 基板上にトラップされた中性粒子を用いる原子 基板 (ァトムチップ) 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。
[ 0 0 3 5 ] 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 3 0として設定されている。
【0 0 3 6】 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 1 0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 2 1及ぴ第 2電極対 2 6 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 1 0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。
【0 0 3 7】 第 1電極対 2 1は、 1組の電極 2 2、 2 3を有する。 これらの電 極 2 2、 2 3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
3 0を通る X軸に沿ってトラップ位置 3 0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 2 2が、 左下側に電極 2 3 が配置されている。
【0 0 3 8】 第 2電極対 2 6は、 1組の電極 2 7、 2 8を有する。 これらの電 極 2 7、 2 8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 3 0を通る y軸に沿ってトラップ位置 3 0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 2 7が、 左上側に電極 2 8 が配置されている。 また、 これらの電極 2 2、 2 3、 2 7、 2 8は、 所定の電極 間隔 d、 及び厚さ wで形成されている。
[ 0 0 3 9 ] 本原子デバイスでは、 上記した 2組の電極対 2 1、 2 6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 2 1、 2 6によつて挟まれた基板表面 1 0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 3 0となる。 そし て、 電極対 2 1、 2 6を構成する電極 2 2、 2 3、 2 7、 2 8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ィツチングすることによ り、 このトラップ位置 3 0に中性原子がトラップされる。
【0 0 4 0】 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、 トラップしょうとする分極率ひの中 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 I E I 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。
【0 0 4 1】 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 2 1を構成する一方の電極 2 2にダランド 電位からみて正電位となる電圧 + V。を印加し、 他方の電極 2 3に負電位となる 電圧一 V。を印加する。 また、 第 2電極対 2 6を構成する 2個の電極 2 7、 2 8 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 2 6を構成する一 方の電極 2 7に電圧 + V。を印加し、 他方の電極 2 8に電圧一 V。を印加する。 ま た、 第 1電極対 2 1を構成する 2個の電極 2 2、 2 3をグランド電位 Gとする。 本原子デバイスでは、 これらの状態のスィッチングによつて原子をトラップ位置 3 0にトラップする。
【0 0 4 2】 図 2 A及び図 2 B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軸力 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 3 0に相当する。
【0 0 4 3】 図 2 Aに示すように、 第 1の状態では、 電極 2 7、 2 8をグラン ド電位 Gとするとともに、 電極 2 2を正電位+ 0、 電極 2 3を負電位一 V。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 3 0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 2 2、 2 3側に向かってポテンシャルが小さくなる。
【0 0 4 4】 次に、 この第 1の状態から第 2の状態へと印加電圧をスィッチン グする。 第 2の状態では、 電極 2 2、 2 3をグランド電位 Gとするとともに、 電 極 2 7を正電位 + V。、 電極 2 8を負電位一V。とする。 このとき生成されるポテ ンシャル UEでは、 第 1の状態とは逆に、 X軸上でみると、 トラップ位置 3 0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 2 7、 2 8側に 向かってポテンシャルが小さくなる。
【0 0 4 5】 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 2 2、 2 3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 2 7、 2 8に近付く方向に移動しょうとする。 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つの状態をスィツチ ングすれば、 中性原子はトラップ位置 3 0の近傍で微小に運動しつつトラップさ れる。
【0 0 4 6〗 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。
[ 0 0 4 7 ] 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 2 2、 2 3、 2 7、 2 8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、 ォー 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。
【 0 0 4 8】 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。
【0 0 4 9】 ここで、 原子の基底状態及ぴ準安定状態の分極率はひ〉 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、 マクスゥエル方程式より、 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 2 1、 2 6を設置 し、それらへの印加電圧をスィツ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 3 0を生成して中性原子をトラップすることが可能となる。 【0 0 5 0】 なお、 第 1の状態での第 2電極対 2 6の電極 2 7、 2 8、 及び第 2の状態での第 1電極対 2 1の電極 2 2、 2 3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 3 0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。
[ 0 0 5 1 ] 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ツ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 ( S r ) 原子などのアルカリ土類原子がある。
[ 0 0 5 2 ] 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。 【0 0 5 3】 中性原子の冷却は、磁気光学トラップ（MO T : 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つて共鳴周波数に近付レヽ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 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 3 0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 Αに対してレーザ冷却用のレーザ光 4 6〜4 9を 4 方向から照射する構成を示している。
[ 0 0 5 4 ] また、 MO Tでは、 レーザ光 4 6〜 4 9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 4 1、 4 2を設置し、これらのコイル 4 1、 4 2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 3 0まで移動することに より、 基板 1上に形成された電極対 2 1、 2 6によるシュタルク · トラップへと 移行する。
[ 0 0 5 5 ] 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、 及ぴ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 T T L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 の印加電圧をスィツ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。 .
【0 0 5 6】 図 4は、 電極間隔 d ( z m、 横軸） と閉じ込め周波数 （ r a d Z s、 縦軸） との相関を示すグラフである。 ここでは、 電極対 2 1、 2 6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 V。= 5 0Vとしている。 【00 5 7】 このグラフによれば、 電極間隔 d = 1 0 imにおいて、 約 6 0 k r a d/ sの周波数で中性原子がトラップされる。 また、 電圧 V。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つてい る。 ここで、 この閉じ込め周波数は電極への印加電圧 V。に比例するが、 電極間 隔 d = 3 μπιでの周波数は d= 1 0 μπιのときの約 1 0倍となっている。 したが つて、 閉じ込め周波数を一定とすると、 電極間隔 d = 3 μ πιでは、 電圧 V。は d = 1 0 mの場合の約 1/1 0の 5 V程度で良いこととなる。
【0 0 5 8】 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 V。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 10 / m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 1 0V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 3 μ m以下とすれば、 集積口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 クチャィ匕は、 原子デバイスを小型化、 集積化する上でも有利である。
【00 5 9〗 図 5は、 電極への印加電圧の周波数である駆動周波数 （ k H z、 横軸） 及び初期位置 （μπι、 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 = 1 0 m、 印加電 圧を V。= 5 0V、 中性原子の初期速度を 1 mm_ s、 閉じ込め周波数を 6 O k r a dZ sとしている。
【0 060】 グラフ G 1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 1 5. 2-1 8. 4 kH z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 1 7 kH z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 （kH z、 右軸） との相関をグラフ G 2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。
【0 0 6 1】 図 6は、 初期速度 （mm/ s、 横軸） 及ぴ初期位置 （ m、 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 = l 0 β m, 印加電圧を V。= 5 0V、 閉じ込め周波数を 6 0 k r a d/ s、 駆動周波数を 1 7 kH z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 （μΚ、 上軸） 及び原子密度 （cm一3、 右軸） につい ても合わせて示している。
【0 0 6 2】 グラフ G 3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。
[0 0 6 3] 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 タスとのインターフェース、 及ぴ様々な原子回路への応用について説明する。
[0 0 64] 図 1に示した原子デバィスにおいて基板 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二タスと、 光子を用いたフ ォトニタスとのインターフェースを実現することができる。
【0 0 6 5】 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 3 0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 1 Aを基板 1として用いており、 石英基板 1 A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。
【0 0 6 6】 原子デバイスは、 内部が超高真空に保たれた真空容器 5 0内に配 置され、 そのトラップ位置 3 0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 1 A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 5 0の外壁の一部を構成している。 これにより、 石英基板 1 A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 1 Aの裏面に対して近 接する位置に対物レンズ 5 2が設置され、 さらにこの対物レンズ 5 2に光学装置 5 3が接続されている。
【0 0 6 7】 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 1 Aの厚さを 1 mmとすると、 作動距離 1 mm程度の対物レンズ 5 2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、 4 0 0 n m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 5 3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 5 3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。
【0 0 6 8】 なお、 石英基板 1 A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 （F I B ： 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 1 0 0 n m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 1 0 n mや 2 0 0 n m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 3 0を含むト ラップ領域に対して、石英基板 1 Aに深さ 1 0 μ Hi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 Αの基板 1 Αへの衝突を防ぐためである。 【0 0 6 9】 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 2 1、 2 6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。
【0 0 7 0】 図 8においては、 基板 1の表面 1 0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 2 8 a、 2 8 b、 ·■·、 2 2 a、 2 2 b、 …からなる電極列と、 電極 2 3 a、 2 3 b、
· · ·、 2 7 a , 2 7 b、 …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、 F I B加工を用いて作製することができる。
[ 0 0 7 1 ] 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 ツチングを付して示すように、 電極 2 2 a、 2 3 aの組を第 1電極対とし、 電極 2 7 a , 2 8 a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ィツチングを行うことにより、 対応 する 1、ラップ位置 3 1に中性原子 Aがトラップされる。
[ 0 0 7 2 ] 次に、 第 1電極対のうちで左側の電極 2 3 aを 2 3 bに切り換え て、 電極 2 2 a、 2 3 bの組を第 1電極対とし、 第 2電極対のうちで左側の電極 2 8 aを 2 8 bに切り換えて、 電極 2 7 a、 2 8 b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 2 3 a、 2 8 a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 3 2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。
【0 0 7 3】 続いて、電極 2 2 b、 2 3 bの組を第 1電極対とし、電極 2 7 b、
2 8 b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 2 2 a、 2 7 a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ィツチングを行うことにより、 対応するト ラップ位置 3 3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。 【0 0 7 4】 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 3 1、 3 2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。
【0 0 7 5】 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ィスの応用が可能となる。 【0 0 7 6】 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 「量一子ビット （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。 上記した原子デバィ 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。
【0 0 7 7】 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 1 Bを用いており、 石英基板 1 B上に電極パターン 2を設けた構成となってい る。
【0 0 7 8】 本実施形態においては、 基板 1 B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 L 1が設定されてい る。 また、 第 1移動ライン L 1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 L 1に直交する方向に伸びる第 2 移動ライン L 2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 L 1、 L 2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。 【0 0 7 9】 具体的には、 第 1移動ライン L 1のうちで分岐点 Pの左側の部分 に対し、 原子ガイド部 6 1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 L 1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 6 2 となる電極パターンが形成されている。
【0 0 8 0〗 一方、 第 2移動ライン L 2のうちで分岐点 Pとは反対側の部分に 対し、 F I F Oメモリ部 6 3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 L 2のうちで分岐点 P側の部分に対し、 原子衝突部 6 4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 6 1〜6 4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。
【0 0 8 1】 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 —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 6 1 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 6 1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 L 1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。
【0 0 8 2】 また、 分岐点 Pに対し、 図 7に示したように、 石英基板 1 Bを介 して対物レンズ及ぴ光学装置を設置しておく。 これにより、 原子ガイド部 6 1か ら分岐点 Pに到達した原子 Aに対して、 4 0 0 n m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） 6 2が構成される。
【0 0 8 3】 一方、 F I F Oメモリ部 6 3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、 F I F Oメモリ部 6 3と分岐点 Pとに挟まれた原子 衝突部 6 4では、 他の各部 6 1〜 6 3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、 F I F〇メモリ部 6 3に蓄積されていた原子 Bとをそれぞれ原子衝突部 6
4内へと移動し、 それらを原子衝突領域 1 5において 1 0 0 n m程度の距離まで 近接させる。
[ 0 0 8 4 ] 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 F I F Oメモリ部 6 3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、 及ぴ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ィスは、 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。 【0 0 8 5】 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 5 0内に収容することが必要である。 真空容器 5 0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 パ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。
【0 0 8 6】 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 5 5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 C M O S口ジックゲ一ト回路や、 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。
[ 0 0 8 7〗 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、 アル力リ土類原子であるストロンチウム ( r ) 原子を 例として具体的に説明する。図 1 0は、 S rのエネルギー準位図である。 S rは、 最外殻の 2個の電子が 5 s 2の状態にある1 S。状態が基底状態であり、 また、 そ の励起状態として、 図 1 0に示したように、 エネルギーが低い方から順に3 P。、 3 Pい 3 P 2の 3つの励起状態、 及び3 D 3の励起状態を持つ。 ここでは、 これら の励起状態のうち、 3 P。状態を量子ビット 0の状態 I 0 >とし、 3 P 2の状態を量 子ビット 1の状態 I 1 >とする。 また、 3 P 2状態と3 D 3状態とは、 波長； I = 2 9 2 3 n mの光によつて遷移可能である。
【0 0 8 8】 このようなエネルギー準位を持つ S r原子を用い、 2個の S r原 子に量子相関（量子もつれ）を形成することを考える。図 1 1 A及び図 1 1 Bは、 2個の S r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 S r原子に 対し、 所定のシフト量 δだけシフトさせた波長； (2 9 2 3 + δ ) nmの光を 照射するものとする。
【0 0 8 9】 図 1 1 Aは、 2個の S r原子のうち、 一方が I 0〉状態、 他方が
I 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 ι >状態にある 1個の S r原子は波長 2 9 2 3 n mの光で3 D 3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 S r原子の間には量子相関は付与されない。
【0 0 9 0】 一方、 図 1 1 Bは、 2個の S r原子がいずれも I 1 >状態にある 場合について示す準位図である。 このとき、 I 1〉状態にある 2個の S r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、 I 1 > I 1 >状態にある 2個の S r原子は、 波長 (2 9 2 3 + δ) nmの 光によって3 D 3状態へと遷移し、 これらの S r原子の間に量子相関が付与される c 以上により、 S r原子を用いた C PHAS Eゲートを実現することができる。 【0 0 9 1】 なお、 このように中性原子 Aとして S r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、 1 P 状態への許容遷移 （λ = 4 6 1 nm) による冷却と、 3 P i状態への禁制遷移 (λ = 6 8 9 nm) 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。
[ 0 0 9 2 ] 図 1 2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 （S i ) 基板 1 Cを用いており、 S i基板 1 C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 6 1、 原子シフトレジスタ部 6 2、 F I FOメモリ部 6 3、 及び原子衝突部 6 4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。
【0 0 9 3】 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 S i基板 1 C上に一体化して形成した原子 '光'電子集積回路（A OE I C ： Atom— Opto— Electronic IC) として構成されてレヽる。 【0 0 9 4】 すなわち、 図 1 2に示した原子デバイスでは、 移動ライン L 1、 L 2の分岐点 Pに近接する S i基板 1 C内の部位にレーザダイォード 1 2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 L 1上の S i基板 1 C内の 部位にフォトダイォード 1 3、 及びレーザダイオード 1 4がさらに形成されてい る。 これらの光デバイスは、 基板 1 C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 1 C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 ォトニタス技術と、 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; る。
【0 0 9 5】 また、 S i基板 1 C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 C MO S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 1 2においては、 F I F Oメモリ部 6 3の左右両側 に設けられた電子デバィス部 1 1を模式的に示してある。 このように電子デバィ スが形成された基板 1 Cを用レ、れば、 電子、 原子デバィ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。
【0 0 9 6〗 本発明による原子デバィスは、 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 S r原子を例として挙げた力 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。
産業上の利用可能性
【0 0 9 7】 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、 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 デバイスとして利用可能である。 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ィツ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、 ォ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。
【0 0 9 8】 また、 上記構成では、 シュタルクポテンシャルの式
UF E = - a I E I 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 強レ、原子デバイスが実現される。

Claims

請求の範囲
1 . 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 つて、
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る第 2の状態とを交 互にスィツ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こ とを特徴とする原子デバイス。
2 . 前記第 1の状態では前記第 2電極対を構成する 2個の電極を前記基 準電位に設定し、 前記第 2の状態では前記第 1電極対を構成する 2個の電極を前 記基準電位に設定することを特徴とする請求項 1記載の原子デバィス。
3 . 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または 2記載の原子デバィス。
4 . 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 1 0 μ m以下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。
5 . 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 1〜4のいずれか一項記載の原子デバイス。
6 . 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〜 4のいずれか一項記載の原子デバィス。
7 . 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 ぴ前記第 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ィツチ 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〜 6のいずれか一項記載の原子デバィス。
8 . 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 つ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 7記載の原子デバィス。
9 . それぞれ情報が付与された 2個の前記中性粒子を少なくとも用いる とともに、 複数の前記電極群は、 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 7または 8記載の原子デ バイス。
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