WO2022045147A1 - 量子シミュレータおよび量子シミュレーション方法 - Google Patents

量子シミュレータおよび量子シミュレーション方法 Download PDF

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WO2022045147A1
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light
chamber
quantum
spots
incident
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寛人 酒井
賢治 大森
太郎 安藤
レゼルック シルヴァン ド
隆文 富田
靖司 素川
良幸 大竹
晴義 豊田
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浜松ホトニクス株式会社
大学共同利用機関法人自然科学研究機構
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F3/00—Optical logic elements; Optical bistable devices

Definitions

  • the present invention relates to a quantum simulator and a quantum simulation method.
  • quantum mechanical effect As described above, the quantum mechanical effect as described above is produced by a large number of particles interacting with each other. Even in such a situation, it should be possible to describe the phenomenon by quantum mechanics in principle, but quantum mechanics (quantum multi-body problem) consisting of multiple particles is extremely complicated, theoretically and numerically. It can be said that it is impossible to predict the behavior in reality, except for the ideal form, which deviates greatly from the actual system.
  • Quantum simulators have been attracting attention in recent years as a method for studying such complex quantum mechanical many-body problems.
  • a model system with the physical characteristics of the research object is prepared, and the model system is actually moved to observe what kind of phenomenon occurs.
  • a model system in which appropriate atoms are arranged according to the spatial arrangement according to the crystal structure is prepared.
  • the interatomic distance is small and it is difficult to follow its behavior, but by arranging the atoms at an interval of about micrometer, it is possible to construct a model system of a size that makes it easy to control and observe quantum phenomena. can.
  • the quantum simulator can detect the influence that appears in the entire system by controlling the position of the arranged atoms and giving some kind of stimulus to each arranged atom.
  • an optical trap technique for condensing light and capturing atoms at the condensing spot is used (see Patent Document 1).
  • a means for stimulating atoms in a quantum simulator a technique of generating an optical pattern having a predetermined shape and irradiating the arranged atoms is used. By repeating the detection process under the same conditions multiple times, for example, the probability of existence of electrons important for analysis can be known, so that excellent control is achieved in both means for arranging atoms and means for stimulating atoms. Sexuality and reproducibility are required.
  • Spatial light modulators can be used when multiple atoms are regularly arranged by optical trap technology.
  • a spatial light modulator By spatially phase-modulating or amplitude-modulating light with a spatial light modulator, a plurality of focused spots are regularly arranged one-dimensionally or two-dimensionally on the image plane by the modulated light. Can be done. Further, if a spatial light modulator is used, the light of each of the plurality of focused spots is added by adding the modulation pattern that corrects the aberration between the light source and the image plane to the modulation pattern that forms the plurality of focused spots. It is possible to make the intensity uniform, reduce the distortion of the arrangement of the plurality of light-collecting spots, and reduce the distortion of the shape of each of the plurality of light-collecting spots.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a quantum simulator and a quantum simulation method capable of performing a regular arrangement of a plurality of atoms with high accuracy.
  • the quantum simulator of the embodiment of the present invention is for (1) a chamber having a window portion and (2) light incident from the window portion into the inside of the chamber to capture atoms on the image plane inside the chamber.
  • An optical beam generator that forms a plurality of focused spots in a regular arrangement in a one-dimensional or two-dimensional manner, and (3) a detection device that detects the state of atoms captured by the focused spots inside the chamber.
  • the light beam generator has a rectangular inner region with sides parallel to the first or second direction and an outer region surrounding the inner region, and the light transmission rate or light transmission between the inner region and the outer region.
  • An optical mask including an optical mask having different amounts of phase modulation and a spatial optical modulator that spatially phase-modulates or amplitude-modulates light input to a modulation surface in which a plurality of pixels are arranged in two dimensions and outputs the light.
  • An xy coordinate system consisting of an x-axis parallel to the first direction and a y-axis parallel to the second direction on the image plane by incident the light modulated by the spatial optical modulator through the window into the inside of the chamber.
  • (1) light is incident on the inside of the chamber from the window portion of the chamber, and a plurality of focusing spots for capturing atoms on the image plane inside the chamber are set as one. It includes a light capture step formed by regularly arranging in a three-dimensional or two-dimensional manner, and (2) a detection step of detecting the state of atoms captured in a condensing spot inside the chamber.
  • the light capture step the light transmission or phase between the inner and outer regions having a rectangular inner region with sides parallel to the first or second direction and an outer region surrounding the inner region.
  • An xy coordinate system consisting of an x-axis parallel to the first direction and a y-axis parallel to the second direction on the image plane by incident the light modulated by the spatial optical modulator through the window into the inside of the chamber.
  • a regular arrangement of a plurality of atoms can be performed with high accuracy, and the accuracy of quantum simulation can be improved.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the quantum simulator 100.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the operation of the quantum simulator 100 and an example of a quantum simulation method.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of the light beam generator 4.
  • FIG. 4 is a diagram showing another configuration example of the light beam generator 4.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an optical mask 43 of the light beam generator 4.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a two-dimensional arrangement of a plurality of pixels on the modulation plane of the spatial light modulator 44 of the light beam generator 4.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an arrangement of a plurality of focused spots on the image plane 46.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the arrangement of a plurality of focused spots on the image plane 46 in more detail.
  • FIG. 9 the minimum value ⁇ x min of the difference between the x coordinate values of the center positions of the plurality of focused spots on the image plane 46 and the minimum value ⁇ y min of the difference between the y coordinate values are longer than the non-overlapping distance D.
  • FIG. 10 is a table summarizing the rectangular lattice array, the square lattice array, the regular triangular lattice array, the Kagome lattice array, and the hexagonal lattice array used in the examples.
  • FIG. 10 is a table summarizing the rectangular lattice array, the square lattice array, the regular triangular lattice array, the Kagome lattice array, and the hexagonal lattice array used in the examples.
  • FIG. 12 is a diagram showing the value of ⁇ x min and the value of ⁇ y min in the range of the angle ⁇ satisfying ⁇ x min > D and ⁇ y min > D in Example 1.
  • FIG. 14 is a diagram showing the value of ⁇ x min and the value of ⁇ y min in the range of the angle ⁇ satisfying ⁇ x min > D and ⁇ y min > D in Example 2.
  • FIG. 16 is a diagram showing the value of ⁇ x min and the value of ⁇ y min in the range of the angle ⁇ satisfying ⁇ x min > D and ⁇ y min > D in Example 3.
  • FIG. 18 is a diagram showing the value of ⁇ x min and the value of ⁇ y min in the range of the angle ⁇ satisfying ⁇ x min > D and ⁇ y min > D in Example 4.
  • FIG. 20 is a diagram showing the value of ⁇ x min and the value of ⁇ y min in the range of the angle ⁇ satisfying ⁇ x min > D and ⁇ y min > D in Example 5.
  • the quantum simulator and the quantum simulation method will be described. After that, the details of the light beam generator for forming the focused spots for capturing and regularly arranging the atoms in the present embodiment will be described.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the quantum simulator 100.
  • the quantum simulator 100 includes a light stimulus applying device 1, a chamber 2, an atomic gas supply device 3, a light beam generator 4, a light detection device 5, and an atomic number detection device 6.
  • Chamber 2 has a window portion (first window portion 21 and second window portion 22) that allows light to pass between the outside and the inside.
  • the first window portion 21 is optically connected to the light beam generator 4.
  • the second window portion 22 is optically connected to the light stimulus applying device 1.
  • the first window portion and the second window portion may be configured by a common window portion.
  • the chamber 2 has an exhaust opening 23 for exhausting the gas inside by the vacuum exhaust system, and the inside can be maintained in an ultra-high vacuum state by exhausting by a pump or adsorbing gas by a getter.
  • the chamber 2 has an atomic gas introduction opening 24 for introducing the atomic gas supplied from the atomic gas supply device 3 into the chamber 2.
  • the chamber 2 includes a magnetic circuit for MOT for capturing atoms by the action of light and a magnetic field.
  • MOT is an abbreviation for "Magneto-Optical Trap” and is a technology for capturing atomic groups by the action of light and magnetic field.
  • the atomic gas supply device 3 supplies atomic gas to the inside of the chamber 2.
  • the atomic gas supply device 3 is a heater arranged inside or around a vacuum glass cell that heats a desired metal atom or a compound containing a desired atom to generate a gaseous atom, and applies an electric current. Includes a magnetic circuit with a coil or the like that produces a magnetic field.
  • the atomic gas supply device 3 heats a metal atom with a heater to generate an atomic gas, and captures the metal gas by the light pressure of the laser beam irradiating the vacuum glass cell and the action of the light and the magnetic field.
  • the atomic gas supply device 3 transports the captured atomic gas to a predetermined position by the light pressure generated by irradiation with another laser beam, and the atomic gas enters the inside of the chamber 2 from the opening 24 for introducing the atomic gas in the chamber 2. Supply.
  • the light beam generator 4 causes light to enter the inside of the chamber 2 from the first window portion 21 to form a condensing spot for capturing the atoms inside the chamber 2. It is preferable that the light beam incident on the inside of the chamber 2 from the light beam generator 4 via the first window portion 21 is a laser beam. Atoms inside the chamber 2 are captured by the light pressure of the laser beam and the action of the light and the magnetic field. Further, the captured atoms may be transported or arranged at a predetermined position by the light pressure of another laser beam. Further, atoms may be excited by radio waves from other laser beams and radio wave generation sources. The light beam generator 4 generates these laser beams and also generates radio waves. Details of the formation of a plurality of focused spots by the light beam generator 4 will be described later.
  • the light stimulus applying device 1 causes light to enter the inside of the chamber 2 from the second window portion 22 and gives a light stimulus to the atoms captured in the condensing spot inside the chamber 2.
  • the light stimulus applying device 1 may generate a pseudo-speckle pattern as a light stimulus pattern, for example, as described in Patent Document 1.
  • the light stimulus applying device 1 includes a control unit 10, a light source 11, a beam expander 12, a spatial light modulator 15, and a lens 16.
  • the light source 11 outputs light.
  • the beam expander 12 is optically connected to the light source 11 and expands and outputs the beam diameter of the light output from the light source 11.
  • the spatial light modulator 15 is a phase modulation type and has a configurable phase modulation distribution.
  • the spatial light modulator 15 is optically connected to the beam expander 12, outputs light output from the light source 11 and whose beam diameter is expanded by the beam expander 12, and inputs the input light according to the modulation distribution. It is spatially modulated and the modulated light is output.
  • the lens 16 is an objective lens that is optically connected to the spatial light modulator 15 and preferably has a high NA.
  • the lens 16 inputs the light output from the spatial light modulator 15 and causes the light to enter the inside of the chamber 2 from the second window portion 22.
  • the lens 16 is a reproduction optical system that reproduces a light stimulation pattern inside the chamber 2 by light incident on the inside of the chamber 2.
  • the control unit 10 may set a computer hologram obtained based on the two-dimensional pseudo-random number pattern (preferably also based on the correlation function) as the modulation distribution of the spatial light modulator 15.
  • a dichroic mirror 51 is inserted in the optical path between the spatial light modulator 15 and the lens 16.
  • the dichroic mirror 51 transmits the light output from the light source 11 and reflects the light such as fluorescence generated by the atoms inside the chamber 2.
  • the light detection device 5 receives the light reflected by the dichroic mirror 51 through the second window portion 22 among the light such as fluorescence generated by the atoms inside the chamber 2.
  • the light detection device 5 may detect the intensity of the received light, or may detect the spectrum of the received light (for example, a fluorescence spectrum or an absorption spectrum). Further, the photodetector 5 may be a CCD camera capable of detecting these two-dimensional images.
  • the atomic number detection device 6 includes an ionization electrode 61 and an ion detector 62 provided inside the chamber 2.
  • the atom number detecting device 6 ionizes an atom in a predetermined state by irradiating the electric field formed by the ionization electrode 61 or one or more pulsed lights having an appropriate wavelength from the outside, and ionizes the number of the ions. Counting is performed by the detector 62.
  • Each of the light detection device 5 and the atomic number detection device 6 can detect the influence of the light stimulus on the atom inside the chamber 2 by measuring the number of generated ions while changing the ionization conditions.
  • the quantum simulation method using the quantum simulator 100 having the above configuration includes an atomic gas supply step, a light capture step, a light stimulation application step, and a detection step.
  • the atomic gas is supplied to the inside of the chamber 2 in a vacuum state by the atomic gas supply device 3.
  • a light beam that captures atoms inside the chamber 2 is generated by the light beam generator 4, and the light beam is incident on the inside of the chamber 2 from the first window portion 21 to form a focused spot. .. Atoms are captured in this focused spot, transported or arranged, or excited.
  • the light stimulating device 1 gives a light stimulus to the atoms inside the chamber 2 by the light incident on the inside of the chamber 2 from the second window portion 22.
  • the light output from the light source 11 and expanded in beam diameter by the beam expander 12 by the spatial light modulator 15 having a configurable phase modulation distribution is spatially spatially according to the modulation distribution. It modulates and outputs the modulated light.
  • the light stimulation pattern is reproduced inside the chamber 2 by the lens 16 that inputs the light output from the spatial light modulator 15.
  • the control unit 10 may set a computer hologram obtained based on the two-dimensional pseudo-random number pattern (preferably also based on the correlation function) as the modulation distribution of the spatial light modulator 15.
  • the influence of the light stimulus on the atom inside the chamber 2 is detected by the detection device (light detection device 5 or atomic number detection device 6).
  • the detection device light detection device 5 or atomic number detection device 6
  • the effect of the light stimulus on the atom can be detected.
  • the measuring means 1 the atoms supplied to the inside of the chamber 2 by the atomic gas supply device 3 are arranged by the light beam generator 4 regardless of the presence or absence of regularity, and the state of the atoms is detected by the light detection device 5 or the number of atoms. Measured by device 6.
  • the measuring means 2 arranges the atoms supplied to the inside of the chamber 2 by the atomic gas supply device 3 with or without regularity by the light beam generator 4, and gives a light stimulus to the atoms by the light stimulus applying device 1. After a predetermined time has elapsed, the state of the atom is measured by the light detection device 5 or the atomic number detection device 6.
  • the atoms supplied to the inside of the chamber 2 by the atomic gas supply device 3 are arranged by the light beam generator 4 regardless of the presence or absence of regularity, and the light stimulation pattern is irradiated by the light stimulation applying device 1.
  • the atoms are rearranged irregularly, and the state of the atoms after the rearrangement is measured by the light detection device 5 or the atomic number detection device 6.
  • the measured value 1 is a measured value of the fluorescence spectrum or the absorption spectrum by the photodetector 5.
  • the measured value 2 is a measured value of the number of ions by the atomic number detection device 6.
  • the measurement target 1 is the atomic group as it is supplied by the atomic gas supply device 3.
  • the measurement target 2 is an ion group of atoms ionized by an ionization electrode 61 provided inside the chamber 2.
  • the measurement target 3 is a Bose-Einstein condensation (BEC). BEC selectively captures (evaporatively cools) only atoms with a small momentum when the intensity of the laser beam for capturing the atoms introduced into the chamber 2 from the light beam generator 4 is gradually weakened. Generated by.
  • the measurement target 4 is a Rydberg atom group.
  • the Rydberg atom emits laser light of one or more wavelengths appropriately selected according to the atomic species or radio waves of one or more frequencies appropriately selected from the light beam generator 4 to the atoms inside the chamber 2. It is an atom in a highly excited state, which is generated by irradiating a step and whose electrons are excited into orbitals with a main quantum number of 10 or more.
  • the optical operation 1 is an operation of a measurement target based on an optical lattice pattern due to a standing wave of light.
  • the optical operation 2 is an operation of a measurement target based on an optical pattern by reproducing a hologram. These are performed by a light beam incident on the inside of the chamber 2 from the light beam generator 4.
  • the arranging means 1 arranges the measurement target by MOT inside the chamber 2.
  • the arranging means 2 maintains a state in which the measurement objects are arranged by MOT inside the chamber 2, and arranges the measurement objects at a predetermined position by the light pressure generated by the irradiation of another laser beam.
  • the arranging means 3 arranges the measurement target by the MOT inside the chamber 2, interrupts the MOT, and arranges the measurement target at a predetermined position by the light pressure generated by the irradiation of another laser beam.
  • the arranging means 4 maintains a state in which the measurement objects are arranged by MOT inside the chamber 2, and arranges the measurement objects at a predetermined position by the light pressure obtained by applying the optical operation 1 to the irradiation of another laser beam.
  • the arranging means 5 arranges the measurement target by the MOT inside the chamber 2, interrupts the MOT, and arranges the measurement target at a predetermined position by the light pressure obtained by performing the optical operation 1 on the irradiation of another laser beam. ..
  • the arranging means 6 maintains a state in which the measurement objects are arranged by MOT inside the chamber 2, and arranges the measurement objects at a predetermined position by the light pressure obtained by performing the optical operation 2 on the irradiation of another laser beam.
  • the arranging means 7 arranges the measurement target by the MOT inside the chamber 2, interrupts the MOT, and arranges the measurement target at a predetermined position by the light pressure obtained by performing the optical operation 2 on the irradiation of another laser beam. ..
  • crystals are formed by variously combining these measuring means 1 to 3, measured values 1 and 2, measuring objects 1 to 4, optical operations 1 and 2, and arranging means 1 to 7.
  • the atoms inside the chamber 2 are arranged by any of 1 to 7.
  • the light beam or radio wave is irradiated from the light beam generator 4 to the inside of the chamber 2, and the arranged atoms are converted into any of the measurement targets 1 to 4.
  • the light stimulating device 1 gives a light stimulus to the atoms inside the chamber 2 to rearrange or give fluctuations to the atoms inside the chamber 2.
  • any of the measured values 1 and 2 is acquired by any of the measuring means 1 to 3 using the light detection device 5 or the atomic number detection device 6. This makes it possible to elucidate the effect of disorder on the measurement target or the sequence of the measurement target.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the operation of the quantum simulator 100 and an example of a quantum simulation method.
  • ions are generated according to the existence probability of electrons at the measured point. Therefore, by repeating the procedure from the supply of atomic gas to the acquisition of the measured value 2 multiple times, the electrons are generated. It becomes possible to know the existence probability of.
  • the disorder is disordered.
  • the light beam generator 4 uses a spatial light modulator that spatially phase-modulates or amplitude-modulates the input light and outputs the light inside the chamber 2. It is formed by regularly arranging a plurality of light-collecting spots for capturing atoms on the image plane in a one-dimensional or two-dimensional manner, and is characterized by the way in which these multiple light-collecting spots are arranged. ..
  • This light beam generator 4 is suitable for, for example, ordering Rydberg atoms in a regular arrangement.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of the light beam generator 4.
  • the light beam generator 4A of this configuration example includes a light source 41, a beam expander 42, an optical mask 43, a spatial light modulator 44, and a lens 45 for capturing atoms on an image plane 46 inside the chamber 2.
  • a plurality of light-collecting spots are regularly arranged in a one-dimensional shape or a two-dimensional shape.
  • the light source 41 outputs light.
  • the light source 41 is preferably a laser light source.
  • the beam expander 42 is optically connected to the light source 41, expands the beam diameter of the light output from the light source 41, and outputs the light to the optical mask 43.
  • the optical mask 43 is optically connected to the beam expander 42.
  • the optical mask 43 has an inner region in the shape of a rectangle (including a square) having sides parallel to the first or second direction, and an outer region surrounding the inner region.
  • the light transmittance or the amount of phase modulation differs between the inner region and the outer region.
  • the optical mask 43 blocks the peripheral portion of the beam cross section of the light arriving from the beam expander 42 in the outer region, and transmits the central portion having high light intensity and high uniformity in the inner region. ..
  • the optical mask 43 may be integrated with the beam expander 42. Further, the optical mask 43 may be integrated with the spatial light modulator 44. In this case, for example, the inner region of the optical mask 43 is a region in which a plurality of pixels of the spatial light modulator exists, and the outer region of the optical mask 43 is a region surrounding the plurality of pixels of the spatial light modulator. Further, for example, the optical mask 43 may be a rectangular optical fiber integrated with the light source 41.
  • the spatial light modulator 44 is optically connected to the optical mask 43.
  • the spatial light modulator 44 inputs light that is output from the light source 41, whose beam diameter is expanded by the beam expander 42, and has passed through the optical mask 43, and the input light is spatially modulated according to the modulation distribution. , Outputs the modulated light.
  • the spatial light modulator 44 spatially phase-modulates or amplitude-modulates the light input to the modulation plane in which a plurality of pixels are two-dimensionally arranged, and outputs the light.
  • Each of the plurality of pixels on the modulation plane generally has the shape of a rectangle (including a square) having sides parallel to the third or fourth direction, along the third and fourth directions, respectively. Are arranged at regular intervals.
  • the phase or amplitude modulation distribution on the modulation plane is configurable.
  • the lens 45 is optically connected to the spatial light modulator 44.
  • the lens 45 inputs the light output from the spatial light modulator 44, and rules a plurality of focusing spots for capturing atoms on the image plane 46 inside the chamber 2 in a one-dimensional shape or a two-dimensional shape. Form by arranging.
  • a modulation distribution for forming a plurality of focused spots in a regular arrangement on the image plane 46 is set in this way.
  • FIG. 4 is a diagram showing another configuration example of the light beam generator 4.
  • the light beam generator 4B of the configuration example shown in FIG. 4 is different in that it does not include the lens 45.
  • the modulation distribution set in the spatial light modulator 44 of the light beam generator 4B is the modulation distribution set in the spatial light modulator 44 in the light beam generator 4A (to form a plurality of focused spots in a regular arrangement).
  • the modulation distribution (Frenel lens pattern) that realizes the function of the lens 45 in the light beam generator 4A is added to the modulation distribution).
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an optical mask 43 of the light beam generator 4.
  • the optical mask 43 has an inner region 43a and an outer region 43b.
  • the inner region 43a has a rectangular shape (including a square) having sides parallel to the first direction (s-axis direction in the figure) or the second direction (t-axis direction in the figure).
  • the light transmittance or the amount of phase modulation differs between the inner region 43a and the outer region 43b. There is a large change in light transmittance or phase modulation at the boundary between the inner region 43a and the outer region 43b.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a two-dimensional arrangement of a plurality of pixels on the modulation plane of the spatial light modulator 44 of the light beam generator 4.
  • 8 ⁇ 8 pixels which are smaller than the actual number, are shown.
  • each of the plurality of pixels on the modulation plane of the spatial light modulator 44 is generally in the third direction (u-axis direction in the figure) or the fourth direction (v-axis direction in the figure). It has the shape of a substantially rectangular shape (including a square) having parallel sides, and is arranged at regular intervals along the third direction (u-axis direction) and the fourth direction (v-axis direction), respectively.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an arrangement of a plurality of condensing spots on the image plane 46.
  • a plurality of focused spots are regularly arranged on the image plane 46.
  • This figure shows an example in which 9 ⁇ 9 condensing spots are arranged in a square grid pattern.
  • the light intensity distribution of each condensing spot generally becomes smaller and smaller as the distance from the central position where the intensity is maximum becomes smaller, and can be approximated by, for example, a Gaussian distribution.
  • the size d of the atom capture region by each focused spot is set, for example, based on the thermal vibration width of the atom captured when performing a quantum simulation.
  • the x-axis and y-axis of the xy coordinate system on the image plane 46 shown in FIG. 7 are the s-axis and t-axis on the optical mask 43 shown in FIG. 5 projected onto the image plane 46. Is parallel to.
  • the x-axis on the image plane 46 is parallel to the s-axis on the optical mask 43
  • the y-axis on the image plane 46 is parallel to the t-axis on the optical mask 43.
  • the ordered array of the plurality of focused spots on the image plane 46 has a basic axis represented by the basic vector a and the basic vector b.
  • the directions of the basic vectors a and b are not parallel to either the x-axis direction or the y-axis direction.
  • the directions of the basic vectors a and b may be orthogonal to each other or may not be orthogonal to each other.
  • the lengths of the basic vectors a and b may be equal to each other or different from each other.
  • ⁇ be the angle formed by one of the basic vectors a with respect to the x-axis direction.
  • the basic vectors a and b and the integers m and n differ depending on the mode of the regular arrangement of the plurality of focused spots.
  • a rectangular lattice array, a square lattice array, a triangular lattice array, a Kagome lattice array, and a hexagonal lattice array are exemplified.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the arrangement of a plurality of focused spots on the image plane 46 in more detail.
  • any two focusing spots 47, 48 of the plurality of focusing spots on the image plane 46 are shown.
  • a side lobe 47a that becomes noise is formed around the condensing spot 47 due to the discontinuity of the light transmission characteristics (transmittance, phase modulation amount) at the boundary between the inner region 43a and the outer region 43b of the optical mask 43.
  • the center positions of the focused spot 47 and the side lobe 47a have the same x-coordinate value or y-coordinate value.
  • the position (or region) of the atom attempted to be captured by the light-collecting spot 48 extends to the region of the side lobe 47a.
  • the ordered arrangement of a plurality of atoms may not be as intended, and the accuracy of the quantum simulation may be reduced.
  • the x of the center position of each of the plurality of focused spots is x.
  • the minimum value of the difference between the coordinate values ⁇ x min and the minimum value of the difference between the y coordinate values ⁇ y min should be longer than the non-overlapping distance.
  • the coordinate value of the center position of the k1th condensing spot among the plurality (K) condensing spots is (x k1 , y k1 ), and the coordinate value of the center position of the k2th condensing spot is (x k1, y k1).
  • and the difference between the y coordinate values ⁇ y
  • the combination of two focused spots selected from a plurality of focused spots may affect the capture of atoms when the side lobe of one focused spot overlaps the other focused spot. It may include at least a combination of some and may include a combination of all two focused spots.
  • the non-overlapping distance is the distance between the two center positions necessary to prevent the side lobes of one light-collecting spot from interfering with (not affecting) the capture of atoms by another light-collecting spot.
  • the second term on the right-hand side of this equation represents the radius of the side lobe.
  • the minimum value ⁇ x min of the difference between the x coordinate values of the center positions of the plurality of focused spots on the image plane 46 and the minimum value ⁇ y min of the difference between the y coordinate values are longer than the non-overlapping distance D. It is a flowchart of the process of finding the angle ⁇ that can be done.
  • step S1 the center positions of the plurality of focused spots are regularly arranged in a grid pattern of a desired mode, with the angle ⁇ being 0 ° as the initial value.
  • the difference ⁇ x of the x-coordinate value of the center position and the difference ⁇ y of the y-coordinate value are obtained for the combination of the two condensing spots selected from the plurality of condensing spots.
  • step S3 it is determined whether or not the minimum value ⁇ x min of ⁇ x is longer than the non-overlapping distance D, and whether or not the minimum value ⁇ y min of ⁇ y is longer than the non-overlapping distance D is determined.
  • step S4 it is determined whether or not the angle ⁇ is 90 ° or more. If it is determined in step S4 that the angle ⁇ is not 90 ° or more, the angle ⁇ is increased by ⁇ in step S5, and the processing after step S2 is repeated for the new angle ⁇ . If it is determined in step S4 that the angle ⁇ is 90 ° or more, the process ends.
  • FIG. 10 is a table summarizing the rectangular lattice array, the square lattice array, the regular triangular lattice array, the Kagome lattice array, and the hexagonal lattice array used in the examples.
  • Example 1 a regular arrangement of a plurality of condensing spots was made into a rectangular grid arrangement.
  • Example 2 a regular arrangement of a plurality of light-collecting spots was used as a square grid arrangement.
  • Example 3 a regular arrangement of a plurality of condensing spots was used as a regular triangular lattice arrangement.
  • Example 4 a regular arrangement of a plurality of condensing spots was used as a caustic lattice arrangement.
  • Example 5 a regular arrangement of a plurality of condensing spots was made into a hexagonal lattice arrangement.
  • the size d of the atomic capture region by each condensing spot is 0.2 ⁇ m
  • the minimum distance L between the center positions of each condensing spot is 10 ⁇ m
  • the light beam generator 4 to the chamber 2 The wavelength ⁇ of the light incident on the inside of the chamber 2 is 0.9 ⁇ m
  • the numerical aperture NA of the optical system for incident the light from the light beam generator 4 to the inside of the chamber 2 is 0.5
  • the non-overlapping distance D is 1.0 ⁇ m.
  • FIG. 12 is a diagram showing the value of ⁇ x min and the value of ⁇ y min in the range of the angle ⁇ satisfying ⁇ x min > D and ⁇ y min > D in Example 1.
  • FIG. 14 is a diagram showing the value of ⁇ x min and the value of ⁇ y min in the range of the angle ⁇ satisfying ⁇ x min > D and ⁇ y min > D in Example 2.
  • FIG. 16 is a diagram showing the value of ⁇ x min and the value of ⁇ y min in the range of the angle ⁇ satisfying ⁇ x min > D and ⁇ y min > D in Example 3.
  • FIG. 18 is a diagram showing the value of ⁇ x min and the value of ⁇ y min in the range of the angle ⁇ satisfying ⁇ x min > D and ⁇ y min > D in Example 4.
  • FIG. 20 is a diagram showing the value of ⁇ x min and the value of ⁇ y min in the range of the angle ⁇ satisfying ⁇ x min > D and ⁇ y min > D in Example 5.
  • FIGS. 11, 13, 15, 17, and 19 the circles in the drawings indicate the light-collecting spots on the image plane.
  • the horizontal axis is the angle ⁇
  • the vertical axis is ⁇ x min
  • ⁇ y min the value of ⁇ x min is indicated by a circle
  • the value of ⁇ y min Is indicated by a + mark.
  • FIG. 22 shows the phase presented to the spatial light modulator 44 when a plurality of focused spots are arranged in a square grid
  • the modulation distribution in FIG. 23 is obtained by adding the modulation distribution (Fresnel lens pattern) that realizes the lens function to the modulation distribution in FIG. 22.
  • These figures show the magnitude of phase modulation in each pixel of the modulation surface of the spatial light modulator 44 in shades of light. In either case, a plurality of focused spots can be arranged in a square grid on the image plane 46.
  • the minimum value of the difference between the x-coordinate values of the center positions of the plurality of focused spots is the minimum value.
  • the minimum value ⁇ y min of the difference between ⁇ x min and the y coordinate value is made longer than the non-overlapping distance D. This makes it possible to prevent the side lobes of one condensing spot from interfering with (not affecting) the capture of atoms by another condensing spot, so that the ordered arrangement of multiple atoms can be performed with high accuracy. And can improve the accuracy of quantum simulation.
  • the inner region 43a of the optical mask 43 as described above. If the side lobes and the condensing spots due to the discontinuity of the light transmission characteristics at the boundary between the light and the outer region 43b do not overlap, the side lobes and the collection due to the shape of each pixel of the spatial light modulator 44 It does not overlap with the light spot.
  • the inner region 43a of the optical mask 43 as described above.
  • the range of the angle ⁇ that prevents the side lobes and the focused spots from overlapping due to the discontinuity of the light transmission characteristics at the boundary between the light and the outer region 43b is obtained, and similarly, each pixel of the spatial light modulator 44 is obtained.
  • the range of the angle ⁇ that prevents the side lobe and the condensing spot from overlapping due to the shape of the above can be obtained, and the angle ⁇ included in both of these two ranges may be adopted.
  • the quantum simulator and the quantum simulation method are not limited to the above embodiments and configuration examples, and various modifications are possible.
  • the quantum simulator of the above embodiment has (1) a chamber having a window portion, and (2) a plurality of light incidents from the window portion into the inside of the chamber to capture atoms on the image plane inside the chamber. It is equipped with a light beam generator that forms a focused spot in a regular arrangement in a one-dimensional or two-dimensional manner, and (3) a detection device that detects the state of atoms captured by the focused spot inside the chamber. ..
  • the light beam generator has a rectangular inner region with sides parallel to the first or second direction and an outer region surrounding the inner region, and the light transmission rate or light transmission between the inner region and the outer region.
  • An optical mask including an optical mask having different amounts of phase modulation and a spatial optical modulator that spatially phase-modulates or amplitude-modulates light input to a modulation surface in which a plurality of pixels are arranged in two dimensions and outputs the light.
  • An xy coordinate system consisting of an x-axis parallel to the first direction and a y-axis parallel to the second direction on the image plane by incident the light modulated by the spatial optical modulator through the window into the inside of the chamber.
  • the size of the atomic capture region by each of the plurality of focused spots is d
  • the wavelength of the light incident on the inside of the chamber is ⁇
  • the light is incident on the inside of the chamber.
  • the light beam generator preferably forms a plurality of focused spots on the image plane by regularly arranging them in a rectangular grid shape, a square grid shape, a triangular grid shape, a cage grid shape, or a hexagonal grid shape.
  • the quantum simulator further includes a light stimulus applying device that stimulates atoms inside the chamber by light incident on the inside of the chamber from the window portion. It is preferable to further include an atomic gas supply device that supplies atomic gas to the inside.
  • a plurality of rectangular pixels having sides parallel to the third direction or the fourth direction are two-dimensionally arranged on the modulation surface of the spatial optical modulator, and an image is obtained.
  • an xy coordinate system consisting of an x-axis parallel to the third direction and a y-axis parallel to the fourth direction is set on the surface, the difference between the x-coordinate values of the center positions of the plurality of focused spots is It is preferable to form a plurality of focused spots so that the minimum value ⁇ x min and the minimum value ⁇ y min of the difference between the y coordinate values are longer than the non-overlapping distance.
  • (1) light is incident on the inside of the chamber from the window portion of the chamber, and a plurality of focusing spots for capturing atoms on the image plane inside the chamber are one-dimensionally formed.
  • it includes a light capture step formed by regularly arranging them in a two-dimensional manner, and (2) a detection step of detecting the state of the atoms captured by the condensing spot inside the chamber.
  • the light capture step the light transmission or phase between the inner and outer regions having a rectangular inner region with sides parallel to the first or second direction and an outer region surrounding the inner region.
  • An xy coordinate system consisting of an x-axis parallel to the first direction and a y-axis parallel to the second direction on the image plane by incident the light modulated by the spatial optical modulator through the window into the inside of the chamber.
  • the size of the atomic capture region by each of the plurality of condensing spots is d
  • the wavelength of the light incident on the inside of the chamber is ⁇
  • the light is incident on the inside of the chamber.
  • NA the numerical aperture of the optical system
  • the light capture step it is preferable to form a plurality of light-collecting spots on the image plane by regularly arranging them in a rectangular grid shape, a square grid shape, a triangular grid shape, a cage grid shape, or a hexagonal grid shape.
  • the quantum simulation method further includes a photostimulation applying step of stimulating the atoms inside the chamber by the light incident on the inside of the chamber from the window portion, and the chamber. It is preferable to further include an atomic gas supply step for supplying atomic gas to the inside of the chamber.
  • a plurality of rectangular-shaped pixels having sides parallel to the third or fourth direction on the modulation plane of the spatial optical modulator are arranged two-dimensionally, and the image plane is formed.
  • the difference between the x-coordinate values of the center positions of the plurality of focused spots is the minimum. It is preferable to form a plurality of focused spots so that the minimum value ⁇ y min of the difference between the values ⁇ x min and the y coordinate value is longer than the non-overlapping distance.
  • the present invention can be used as a quantum simulator and a quantum simulation method capable of performing a regular arrangement of a plurality of atoms with high accuracy.

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Abstract

量子シミュレータは、チャンバー、光ビーム発生装置４および光検出装置等を備える。光ビーム発生装置４は、光源４１、ビームエキスパンダ４２、光学マスク４３、空間光変調器４４およびレンズ４５を備える。光学マスク４３は、第１方向または第２方向に平行な辺を有する長方形（正方形を含む。）の形状の内側領域と、該内側領域を取り囲む外側領域とを有する。光ビーム発生装置４は、チャンバーの内部の像面４６上において、第１方向に平行なｘ軸と第２方向に平行なｙ軸とからなるｘｙ座標系を設定したときに、複数の集光スポットそれぞれの中心位置のｘ座標値の差の最小値δｘminおよびｙ座標値の差の最小値δｙminが非重複距離より長くなるように、複数の集光スポットを規則配列して形成する。これにより、複数の原子の規則配列を高精度に行うことができる量子シミュレータおよび量子シミュレーション方法が提供される。

Description

量子シミュレータおよび量子シミュレーション方法
　本発明は、量子シミュレータおよび量子シミュレーション方法に関するものである。
　原子レベルのミクロな領域での物質の挙動は量子力学に従っていることが知られている。このようなミクロな領域での現象は、その距離スケールが現実世界のスケールと大きくかけ離れていることもあって、我々の目に直接触れる形で現れることは多くない。しかし、近年の科学技術の発展に伴い、量子力学的効果を利用する有効な技術が生み出されてきている。例えば、超電導、通信用素子、薬剤開発、新機能物質（特殊な電気伝導物質や強力な磁石など）など、その応用範囲は広範囲に亘っており、量子の挙動を知ることは新たな技術を生み出すための第一歩として、重要となりつつある。
　現実の物質内において、上記のような量子力学的効果は、多数の粒子が互いに相互作用を及ぼし合いながら生み出されている。このような状況でも量子力学によって現象を記述することは原理的には可能なはずであるが、複数の粒子からなる量子力学（量子多体問題）は極めて複雑であり、理論的・数値的にその挙動を予言することは、現実の系から大きく乖離した理想形を除いて、現実的には不可能といっていい。
　量子シミュレータは、このような複雑な量子力学的多体問題を研究するための手法として、近年注目を集めている。量子シミュレータでは、研究対象が持つ物理的特徴を備えたモデル系を準備して、そのモデル系を実際に動かして如何なる現象が起こるかを観測する。たとえば、結晶中での量子力学的現象を研究する場合には、適当な原子を結晶構造に応じた空間配置に従って配列したモデル系を準備する。現実の結晶では原子間隔が小さく、その挙動を追うことは困難であるが、原子をマイクロメートル程度の間隔で配列することで、量子現象を制御および観測しやすいサイズのモデル系を構築することができる。
　量子シミュレータは、配列された原子の位置を制御したり、配列された各原子に何らかの刺激を与えたりすることにより、系全体に現れる影響を検出することができる。量子シミュレータにおいて原子を配列する手段として、光を集光して当該集光スポットに原子を捕捉する光トラップ技術が用いられる（特許文献１参照）。また、量子シミュレータにおいて原子に刺激を与える手段としては、所定の形状を持つ光パターンを生成し、配列された原子に照射する技術が用いられる。同条件下での検出プロセスを複数回数くり返すことで、例えば解析に重要な電子の存在確率を知ることができるので、原子を配列する手段および原子に刺激を与える手段の双方において、優れた制御性および再現性が求められる。
特開２０１８－１８０１７９号公報
　光トラップ技術により複数の原子を規則配列する場合、空間光変調器を利用することができる。空間光変調器により光を空間的に位相変調または振幅変調することで、その変調後の光により像面上において複数の集光スポットを１次元状または２次元状に規則配列して形成することができる。また、空間光変調器を用いれば、複数の集光スポットを形成する変調パターンに、光源から像面までの間の収差を補正する変調パターンを加算することにより、複数の集光スポットそれぞれの光強度の均一化、複数の集光スポットの配置の歪みの低減、および、複数の集光スポットそれぞれの形状の歪みの低減が可能となる。
　しかしながら、光学マスクを経た光を空間光変調器に入射させて、空間光変調器により像面上に複数の集光スポットを形成すると、各集光スポットの周辺にノイズとなるサイドローブが形成され、このサイドローブが他の集光スポットと重なる場合がある。このようにサイドローブと集光スポットとが重なった場合、複数の原子の規則配列に影響が及ぶことになって、量子シミュレーションの精度が低下する可能性がある。
　本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、複数の原子の規則配列を高精度に行うことができる量子シミュレータおよび量子シミュレーション方法を提供することを目的とする。
　本発明の実施形態の量子シミュレータは、(1) 窓部を有するチャンバーと、(2) 窓部からチャンバーの内部へ光を入射させて、チャンバーの内部の像面上において原子を捕捉するための複数の集光スポットを１次元状または２次元状に規則配列して形成する光ビーム発生装置と、(3) チャンバーの内部において集光スポットに捕捉された原子の状態を検出する検出装置と、を備える。光ビーム発生装置は、第１方向または第２方向に平行な辺を有する長方形形状の内側領域と該内側領域を取り囲む外側領域とを有し内側領域と外側領域との間で光の透過率または位相変調量が互いに異なる光学マスクと、複数の画素が２次元配列されている変調面に入力された光を空間的に位相変調または振幅変調して出力する空間光変調器とを含み、光学マスクを経て空間光変調器により変調された光を窓部からチャンバーの内部へ入射させ、像面上において、第１方向に平行なｘ軸と第２方向に平行なｙ軸とからなるｘｙ座標系を設定したときに、複数の集光スポットそれぞれの中心位置のｘ座標値の差の最小値δｘminおよびｙ座標値の差の最小値δｙminが非重複距離より長くなるように、複数の集光スポットを形成する。
　本発明の実施形態の量子シミュレーション方法は、(1) チャンバーの窓部からチャンバーの内部へ光を入射させて、チャンバーの内部の像面上において原子を捕捉するための複数の集光スポットを１次元状または２次元状に規則配列して形成する光捕捉ステップと、(2) チャンバーの内部において集光スポットに捕捉された原子の状態を検出する検出ステップと、を備える。光捕捉ステップにおいて、第１方向または第２方向に平行な辺を有する長方形形状の内側領域と該内側領域を取り囲む外側領域とを有し内側領域と外側領域との間で光の透過率または位相変調量が互いに異なる光学マスクと、複数の画素が２次元配列されている変調面に入力された光を空間的に位相変調または振幅変調して出力する空間光変調器とを用いて、光学マスクを経て空間光変調器により変調された光を窓部からチャンバーの内部へ入射させ、像面上において、第１方向に平行なｘ軸と第２方向に平行なｙ軸とからなるｘｙ座標系を設定したときに、複数の集光スポットそれぞれの中心位置のｘ座標値の差の最小値δｘminおよびｙ座標値の差の最小値δｙminが非重複距離より長くなるように、複数の集光スポットを形成する。
　本発明の実施形態によれば、複数の原子の規則配列を高精度に行うことができ、量子シミュレーションの精度を改善することができる。
図１は、量子シミュレータ１００の構成を示す図である。 図２は、量子シミュレータ１００の動作の一例および量子シミュレーション方法の一例を説明する図である。 図３は、光ビーム発生装置４の構成例を示す図である。 図４は、光ビーム発生装置４の他の構成例を示す図である。 図５は、光ビーム発生装置４の光学マスク４３を説明する図である。 図６は、光ビーム発生装置４の空間光変調器４４の変調面における複数の画素の２次元配列を説明する図である。 図７は、像面４６における複数の集光スポットの配列を説明する図である。 図８は、像面４６における複数の集光スポットの配列を更に詳細に説明する図である。 図９は、像面４６上において複数の集光スポットそれぞれの中心位置のｘ座標値の差の最小値δｘminおよびｙ座標値の差の最小値δｙminが非重複距離Ｄより長くなるようにすることができる角度θを求める処理のフローチャートである。 図１０は、実施例で用いた矩形格子配列、正方格子配列、正三角格子配列、カゴメ格子配列および六角格子配列を纏めた表である。 図１１は、実施例１でθ＝０°としたときの複数の集光スポットの矩形格子配列を示す図である。 図１２は、実施例１でδｘmin＞Ｄ 且つ δｙmin＞Ｄ を満たす角度θの範囲においてδｘminの値およびδｙminの値を示す図である。 図１３は、実施例２でθ＝０°としたときの複数の集光スポットの正方格子配列を示す図である。 図１４は、実施例２でδｘmin＞Ｄ 且つ δｙmin＞Ｄ を満たす角度θの範囲においてδｘminの値およびδｙminの値を示す図である。 図１５は、実施例３でθ＝０°としたときの複数の集光スポットの正三角格子配列を示す図である。 図１６は、実施例３でδｘmin＞Ｄ 且つ δｙmin＞Ｄ を満たす角度θの範囲においてδｘminの値およびδｙminの値を示す図である。 図１７は、実施例４でθ＝０°としたときの複数の集光スポットのカゴメ格子配列を示す図である。 図１８は、実施例４でδｘmin＞Ｄ 且つ δｙmin＞Ｄ を満たす角度θの範囲においてδｘminの値およびδｙminの値を示す図である。 図１９は、実施例５でθ＝０°としたときの複数の集光スポットの六角格子配列を示す図である。 図２０は、実施例５でδｘmin＞Ｄ 且つ δｙmin＞Ｄ を満たす角度θの範囲においてδｘminの値およびδｙminの値を示す図である。 図２１は、図３に示される光ビーム発生装置４Ａの構成において像面４６上に複数の集光スポットを正方格子配列（θ＝０°）する場合に空間光変調器４４に提示される位相変調分布の一例を示す図である。 図２２は、図３に示される光ビーム発生装置４Ａの構成において像面４６上に複数の集光スポットを正方格子配列（θ＝１２°）する場合に空間光変調器４４に提示される位相変調分布の一例を示す図である。 図２３は、図４に示される光ビーム発生装置４Ｂの構成において像面４６上に複数の集光スポットを正方格子配列（θ＝１２°）する場合に空間光変調器４４に提示される位相変調分布の一例を示す図である。
　以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　先ず、量子シミュレータおよび量子シミュレーション方法について説明する。その後に、本実施形態において原子を捕捉して規則配列するための集光スポットを形成する光ビーム発生装置の詳細について説明する。
　図１は、量子シミュレータ１００の構成を示す図である。量子シミュレータ１００は、光刺激付与装置１、チャンバー２、原子ガス供給装置３、光ビーム発生装置４、光検出装置５および原子数検出装置６を備える。
　チャンバー２は、外部と内部との間で光を透過させる窓部（第１窓部２１および第２窓部２２）を有する。第１窓部２１は光ビーム発生装置４と光学的に接続されている。第２窓部２２は光刺激付与装置１と光学的に接続されている。なお、第１窓部と第２窓部とは共通の窓部によって構成されていてもよい。チャンバー２は、真空排気系により内部の気体を排気するための排気用開口２３を有し、ポンプによる排気やゲッターによるガスの吸着などによって内部を超高真空の状態に維持することができる。チャンバー２は、原子ガス供給装置３から供給される原子ガスを内部に導入するための原子ガス導入用開口２４を有する。また、チャンバー２は、光と磁場の作用により原子を捕捉するためのＭＯＴ用磁気回路を含む。ＭＯＴとは「Magneto-Optical Trap」の略語であり、光と磁場の作用により原子集団を捕捉する技術である。
　原子ガス供給装置３は、チャンバー２の内部へ原子ガスを供給する。原子ガス供給装置３は、真空ガラスセルの内部または周辺に配置された、所望の金属原子あるいは所望の原子を含む化合物などを加熱して気体状の原子を発生するヒータ、および、電流を加えることにより磁場を生成するコイルなどを有する磁気回路を含む。原子ガス供給装置３は、ヒータにより金属原子を加熱して原子ガスを生成し、真空ガラスセルに照射したレーザ光の光圧および光と磁場の作用により金属ガスを捕捉する。そして、原子ガス供給装置３は、その捕捉した原子ガスを別のレーザ光の照射による光圧で所定の位置に輸送して、チャンバー２の原子ガス導入用開口２４からチャンバー２の内部へ原子ガスを供給する。
　光ビーム発生装置４は、第１窓部２１からチャンバー２の内部へ光を入射させて、チャンバー２の内部の原子を捕捉するための集光スポットを形成する。光ビーム発生装置４から第１窓部２１を経てチャンバー２の内部に入射される光ビームはレーザ光であるのが好適である。このレーザ光の光圧および光と磁場の作用によりチャンバー２の内部の原子を捕捉する。また、その捕捉した原子を他のレーザ光の光圧により所定の位置に輸送または配列してもよい。更に他のレーザ光および電波発生源からの電波により原子を励起してもよい。光ビーム発生装置４は、これらのレーザ光を発生させ、また、電波をも発生させる。光ビーム発生装置４による複数の集光スポットの形成についての詳細は後述する。
　光刺激付与装置１は、第２窓部２２からチャンバー２の内部へ光を入射させて、チャンバー２の内部の集光スポットに捕捉された原子に光刺激を与える。この光刺激付与装置１は、例えば、特許文献１に記載されているように、擬似スペックルパターンを光刺激パターンとして生成してもよい。光刺激付与装置１は、制御部１０、光源１１、ビームエキスパンダ１２、空間光変調器１５およびレンズ１６を含む。
　光源１１は光を出力する。ビームエキスパンダ１２は、光源１１と光学的に接続され、光源１１から出力される光のビーム径を拡大して出力する。空間光変調器１５は、位相変調型のものであって、設定可能な位相の変調分布を有する。空間光変調器１５は、ビームエキスパンダ１２と光学的に接続され、光源１１から出力されてビームエキスパンダ１２によりビーム径を拡大された光を入力し、その入力した光を変調分布に応じて空間的に変調して、その変調後の光を出力する。
　レンズ１６は、空間光変調器１５と光学的に接続され、好適には高ＮＡを有する対物レンズである。レンズ１６は、空間光変調器１５から出力された光を入力して、その光を第２窓部２２からチャンバー２の内部へ入射させる。レンズ１６は、チャンバー２の内部へ入射させた光によりチャンバー２の内部において光刺激パターンを再生する再生光学系である。制御部１０は、２次元擬似乱数パターンに基づいて（好適には更に相関関数にも基づいて）得られる計算機ホログラムを空間光変調器１５の変調分布として設定してもよい。
　空間光変調器１５とレンズ１６との間の光路上にダイクロイックミラー５１が挿入されている。ダイクロイックミラー５１は、光源１１から出力される光を透過させ、チャンバー２の内部の原子で発生する蛍光等の光を反射させる。光検出装置５は、チャンバー２の内部の原子で発生する蛍光等の光のうち第２窓部２２を透過してダイクロイックミラー５１で反射された光を受光する。光検出装置５は、受光した光の強度を検出してもよいし、受光した光のスペクトル（例えば蛍光スペクトルや吸収スペクトル）を検出してもよい。また、光検出装置５は、これらの２次元画像を検出することができるＣＣＤカメラであってもよい。
　原子数検出装置６は、チャンバー２の内部に設けられたイオン化電極６１およびイオン検出器６２を含む。原子数検出装置６は、イオン化電極６１が形成する電場、もしくは適当な波長を有するひとつ以上のパルス光を外部から照射することにより、所定の状態にある原子をイオン化させ、そのイオンの個数をイオン検出器６２により計数する。光検出装置５および原子数検出装置６それぞれは、イオン化条件を変化させながら生成イオン数を計測することにより、チャンバー２の内部において光刺激が原子に与える影響を検出することができる。
　上記のような構成を有する量子シミュレータ１００を用いた量子シミュレーション方法は、原子ガス供給ステップ、光捕捉ステップ、光刺激付与ステップおよび検出ステップを含む。
　原子ガス供給ステップでは、真空状態とされたチャンバー２の内部へ原子ガス供給装置３により原子ガスを供給する。光捕捉ステップでは、チャンバー２の内部の原子を捕捉する光ビームを光ビーム発生装置４により発生させ、その光ビームを第１窓部２１からチャンバー２の内部へ入射させて集光スポットを形成する。この集光スポットに原子を捕捉し、原子を輸送または配列し、または、原子を励起する。
　光刺激付与ステップでは、光刺激付与装置１により、第２窓部２２からチャンバー２の内部へ入射させた光によりチャンバー２の内部の原子に光刺激を与える。この光刺激付与ステップでは、設定可能な位相の変調分布を有する空間光変調器１５により、光源１１から出力されてビームエキスパンダ１２によりビーム径を拡大された光を変調分布に応じて空間的に変調して、その変調後の光を出力する。そして、空間光変調器１５から出力された光を入力するレンズ１６により、光刺激パターンをチャンバー２の内部において再生する。また、制御部１０により、２次元擬似乱数パターンに基づいて（好適には更に相関関数にも基づいて）得られる計算機ホログラムを空間光変調器１５の変調分布として設定してもよい。
　検出ステップでは、チャンバー２の内部において光刺激が原子に与える影響を検出装置（光検出装置５または原子数検出装置６）により検出する。光刺激付与後から検出までの時間差を変化させながら検出することで、光刺激が原子に与える影響を検出することができる。
　測定手段としては以下の３つの態様が可能である。測定手段１では、原子ガス供給装置３によりチャンバー２の内部に供給された原子を光ビーム発生装置４により規則性の有無を問わず配列させ、その原子の状態を光検出装置５または原子数検出装置６により測定する。測定手段２は、原子ガス供給装置３によりチャンバー２の内部に供給された原子を光ビーム発生装置４により規則性の有無を問わず配列させ、光刺激付与装置１により原子に光刺激を与え、所定時間が経過した後に原子の状態を光検出装置５または原子数検出装置６により測定する。また、測定手段３では、原子ガス供給装置３によりチャンバー２の内部に供給された原子を光ビーム発生装置４により規則性の有無を問わず配列させ、光刺激付与装置１による光刺激パターンの照射により原子を不規則に再配列させ、その再配列後の原子の状態を光検出装置５または原子数検出装置６により測定する。
　計測値としては以下の２つが可能である。計測値１は、光検出装置５による蛍光スペクトルまたは吸収スペクトルの計測値である。計測値２は、原子数検出装置６によるイオン数の計測値である。
　測定対象としては以下の４つの態様が可能である。測定対象１は、原子ガス供給装置３により供給された原子集団そのままである。測定対象２は、チャンバー２の内部に設けられたイオン化電極６１によりイオン化された原子のイオン集団である。測定対象３はボーズアインシュタイン凝縮体（ＢＥＣ: Bose-Einstein Condensation）である。ＢＥＣは、光ビーム発生装置４からチャンバー２の内部に導入された原子の捕捉の為のレーザ光の強度を徐々に弱くしたときに運動量の小さい原子のみを選択的に捕捉（蒸発冷却）することで生成される。測定対象４はリュードベリ原子（Rydberg atom）集団である。リュードベリ原子は、原子種に応じて適切に選択した１つ以上の波長のレーザ光または適切に選択した１つ以上の周波数の電波を光ビーム発生装置４からチャンバー２の内部の原子に対して多段階に照射することで生成され、電子が主量子数１０以上の軌道に励起された高励起状態の原子である。
　測定対象に対する光学操作としては以下の２つの態様が可能である。光学操作１は、光の定在波による光の格子パターンに基づく測定対象の操作である。光学操作２は、ホログラムの再生による光パターンに基づく測定対象の操作である。これらは、光ビーム発生装置４からチャンバー２の内部に入射される光ビームにより行われる。
　測定対象に対する配列手段としては以下の７つの態様が可能である。配列手段１は、チャンバー２の内部においてＭＯＴにより測定対象を配列させる。配列手段２は、チャンバー２の内部においてＭＯＴにより測定対象を配列させた状態を維持し、別のレーザ光の照射による光圧で測定対象を所定の位置に配列させる。配列手段３は、チャンバー２の内部においてＭＯＴにより測定対象を配列させた後にＭＯＴを中断して、別のレーザ光の照射による光圧で測定対象を所定の位置に配列させる。配列手段４は、チャンバー２の内部においてＭＯＴにより測定対象を配列させた状態を維持し、別のレーザ光の照射に光学操作１を施した光圧で測定対象を所定の位置に配列させる。配列手段５は、チャンバー２の内部においてＭＯＴにより測定対象を配列させた後にＭＯＴを中断して、別のレーザ光の照射に光学操作１を施した光圧で測定対象を所定の位置に配列させる。配列手段６は、チャンバー２の内部においてＭＯＴにより測定対象を配列させた状態を維持し、別のレーザ光の照射に光学操作２を施した光圧で測定対象を所定の位置に配列させる。配列手段７は、チャンバー２の内部においてＭＯＴにより測定対象を配列させた後にＭＯＴを中断して、別のレーザ光の照射に光学操作２を施した光圧で測定対象を所定の位置に配列させる。
　上記の量子シミュレータ１００および量子シミュレーション方法では、これらの測定手段１～３、計測値１，２、測定対象１～４、光学操作１，２および配列手段１～７を様々に組み合わせることにより、結晶構造の特徴を表すモデルを構築して、その結晶構造を研究することができる。すなわち、原子ガス供給ステップでは、原子ガス供給装置３からチャンバー２の内部へ原子ガスを供給し、光捕捉ステップでは、光ビーム発生装置４からチャンバー２の内部へ光ビームを照射して、配列手段１～７の何れかによりチャンバー２の内部の原子を配列させる。また、光ビーム発生装置４からチャンバー２の内部へ光ビームまたは電波を照射して、その配列させた原子を測定対象１～４の何れかに転化する。その後、光刺激付与ステップでは、光刺激付与装置１により、チャンバー２の内部の原子に光刺激を与えて、チャンバー２の内部の原子を再配列させたり揺らぎを与えたりする。そして、検出ステップでは、光検出装置５または原子数検出装置６を用いて、測定手段１～３の何れかにより、計測値１，２の何れかを取得する。これにより、無秩序性が測定対象または測定対象の配列に与える影響を解明することができる。
　より具体的な量子シミュレータ１００の動作の一例および量子シミュレーション方法の一例は以下のとおりである。図２は、量子シミュレータ１００の動作の一例および量子シミュレーション方法の一例を説明する図である。原子ガス供給装置３からチャンバー２の内部へ原子ガスを供給した後、光ビーム発生装置４からチャンバー２の内部へ光ビームを照射して、例えば配列手段７によりチャンバー２の内部の原子を５行５列に２次元配列させる。さらに、光ビーム発生装置４からチャンバー２の内部へポンプ光を照射して、その配列させた原子を測定対象４に転化する。ポンプ光を照射した時刻ｔをｔ＝０とする。時刻ｔ＝ｔ１のタイミングで、光刺激付与装置１により、チャンバー２の内部に光刺激パターンを生成する。ｔ＝ｔ１以降の所定の時刻ｔ＝ｔ２において、光ビーム発生装置４からチャンバー２内部の被測定地点へプローブ光を照射して、測定手段２により計測値２を取得する。ここで、プローブ光照射に対して、当該被測定地点における電子の存在確率に応じてイオンが生成されるため、原子ガスの供給から計測値２の取得までの手続きを複数回繰り返すことで、電子の存在確率を知ることが可能となる。さらに、プローブ光を照射する被測定地点の位置を変化させるとともに、プローブ光照射時刻ｔ＝ｔ２を時刻ｔ＝ｔ３など様々な時刻に変化させつつ計測値２を蓄積することで、無秩序性が測定対象または測定対象中の電子分布に与える影響の空間および時間的な変化を追跡することができる。
　本実施形態の量子シミュレータ１００または量子シミュレーション方法においては、光ビーム発生装置４は、入力された光を空間的に位相変調または振幅変調して出力する空間光変調器を用いて、チャンバー２の内部の像面上において原子を捕捉するための複数の集光スポットを１次元状または２次元状に規則配列して形成するものであって、これら複数の集光スポットの配列の仕方に特徴を有する。この光ビーム発生装置４は、例えばリュードベリ原子を規則配列させるのに好適なものである。
　図３は、光ビーム発生装置４の構成例を示す図である。この構成例の光ビーム発生装置４Ａは、光源４１、ビームエキスパンダ４２、光学マスク４３、空間光変調器４４およびレンズ４５を備え、チャンバー２の内部の像面４６上において原子を捕捉するための複数の集光スポットを１次元状または２次元状に規則配列して形成する。
　光源４１は光を出力する。光源４１はレーザ光源であるのが好適である。ビームエキスパンダ４２は、光源４１と光学的に接続され、光源４１から出力される光のビーム径を拡大して光学マスク４３へ出力する。
　光学マスク４３は、ビームエキスパンダ４２と光学的に接続されている。光学マスク４３は、第１方向または第２方向に平行な辺を有する長方形（正方形を含む。）の形状の内側領域と、該内側領域を取り囲む外側領域とを有する。内側領域と外側領域との間で光の透過率または位相変調量が互いに異なる。光学マスク４３は、例えば、ビームエキスパンダ４２から到達した光のビーム断面のうち、光強度が小さい周辺部分を外側領域で遮断し、光強度が大きく均一性が高い中央部分を内側領域で透過させる。
　なお、光学マスク４３はビームエキスパンダ４２と一体であってもよい。また、光学マスク４３は空間光変調器４４と一体であってもよい。この場合、例えば、光学マスク４３の内側領域は空間光変調器の複数の画素が存在する領域であって、光学マスク４３の外側領域は空間光変調器の複数の画素を取り囲む領域である。また、例えば、光学マスク４３は、光源４１と一体となった矩形型の光ファイバでもよい。
　空間光変調器４４は、光学マスク４３と光学的に接続されている。空間光変調器４４は、光源４１から出力されてビームエキスパンダ４２によりビーム径を拡大されて光学マスク４３を経た光を入力し、その入力した光を変調分布に応じて空間的に変調して、その変調後の光を出力する。空間光変調器４４は、複数の画素が２次元配列されている変調面に入力された光を空間的に位相変調または振幅変調して出力する。変調面上の複数の画素それぞれは、一般に、第３方向または第４方向に平行な辺を有する長方形（正方形を含む。）の形状を有しており、第３方向および第４方向それぞれに沿って一定周期で配列されている。変調面における位相または振幅の変調分布は設定可能である。
　レンズ４５は、空間光変調器４４と光学的に接続されている。レンズ４５は、空間光変調器４４から出力された光を入力して、チャンバー２の内部の像面４６上に原子を捕捉するための複数の集光スポットを１次元状または２次元状に規則配列して形成する。空間光変調器４４は、このように像面４６上において複数の集光スポットを規則配列して形成するための変調分布が設定される。
　図４は、光ビーム発生装置４の他の構成例を示す図である。図３に示される構成例の光ビーム発生装置４Ａと比較すると、図４に示される構成例の光ビーム発生装置４Ｂは、レンズ４５を備えていない点で相違する。光ビーム発生装置４Ｂの空間光変調器４４に設定される変調分布は、光ビーム発生装置４Ａにおいて空間光変調器４４に設定される変調分布（複数の集光スポットを規則配列して形成するための変調分布）に、光ビーム発生装置４Ａにおけるレンズ４５の機能を実現する変調分布（フレネルレンズパターン）を加えたものである。
　図５は、光ビーム発生装置４の光学マスク４３を説明する図である。光学マスク４３は、内側領域４３ａおよび外側領域４３ｂを有する。内側領域４３ａは、第１方向（図中でｓ軸方向）または第２方向（図中でｔ軸方向）に平行な辺を有する長方形（正方形を含む。）の形状を有している。内側領域４３ａと外側領域４３ｂとの間で光の透過率または位相変調量が互いに異なる。内側領域４３ａと外側領域４３ｂとの境界において光の透過率または位相変調の変化が大きい。
　図６は、光ビーム発生装置４の空間光変調器４４の変調面における複数の画素の２次元配列を説明する図である。この図では、図示の簡便化の為に、実際より少ない８×８個の画素が示されている。この図に示されるように、空間光変調器４４の変調面上の複数の画素それぞれは、一般に、第３方向（図中でｕ軸方向）または第４方向（図中でｖ軸方向）に平行な辺を有する概略長方形（正方形を含む。）の形状を有しており、第３方向（ｕ軸方向）および第４方向（ｖ軸方向）それぞれに沿って一定周期で配列されている。
　図７は、像面４６における複数の集光スポットの配列を説明する図である。この図に示されるように、像面４６において複数の集光スポットは規則配列されている。この図は、９×９個の集光スポットが正方格子状に配列されている例を示している。各集光スポットの光強度分布は、一般に、強度が最大である中心位置から離れるに従って強度が次第に小さくなり、例えばガウシアン分布で近似することができる。各集光スポットによる原子捕捉領域のサイズｄは、例えば、量子シミュレーションを行う際に捕捉する原子の熱振動幅に基づいて設定される。
　図７中に示された像面４６上のｘｙ座標系のｘ軸，ｙ軸は、図５中に示された光学マスク４３上のｓ軸，ｔ軸が像面４６上に投影されたものに平行である。像面４６上のｘ軸は光学マスク４３上のｓ軸に平行であり、像面４６上のｙ軸は光学マスク４３上のｔ軸に平行である。図７に示されるように、像面４６における複数の集光スポットの規則配列は、基本ベクトルａおよび基本ベクトルｂで表される基本軸を有する。基本ベクトルａ，ｂそれぞれの方向は、ｘ軸方向およびｙ軸方向の何れとも平行ではない。基本ベクトルａ，ｂそれぞれの方向は、互いに直交している場合もあり、互いに直交していない場合もある。基本ベクトルａ，ｂそれぞれの長さは、互いに等しい場合もあり、互いに異なる場合もある。一方の基本ベクトルａがｘ軸方向に対してなす角度をθとする。
　像面４６における複数の集光スポットそれぞれの中心位置は、上記の基本ベクトルａ，ｂ、全体の平行移動を表すベクトルｃ、および、各集光スポットを識別する整数ｍ，ｎを用いて、ｍａ＋ｎｂ＋ｃの形式でベクトル表示することができる。図７では、ｃ＝０としている。基本ベクトルａ，ｂおよび整数ｍ，ｎは、複数の集光スポットの規則配列の態様によって異なる。規則配列の態様として、矩形格子配列、正方格子配列、三角格子配列、カゴメ格子配列および六角格子配列が例示される。
　図８は、像面４６における複数の集光スポットの配列を更に詳細に説明する図である。この図では、像面４６上の複数の集光スポットのうちの任意の二つの集光スポット４７，４８が示されている。光学マスク４３の内側領域４３ａと外側領域４３ｂとの境界における光透過特性（透過率、位相変調量）の不連続性に起因して、集光スポット４７の周辺にノイズとなるサイドローブ４７ａが形成され、このとき、集光スポット４７およびサイドローブ４７ａそれぞれの中心位置はｘ座標値またはｙ座標値が互いに等しい。このサイドローブ４７ａが他の集光スポット４８と重なると、集光スポット４８により捕捉しようとした原子の位置（または領域）は、サイドローブ４７ａの領域まで拡がることになる。これにより、複数の原子の規則配列が意図したものにならず、量子シミュレーションの精度が低下する可能性がある。
　このような問題点を解消する為に、本実施形態では、光ビーム発生装置４は、像面４６上において複数の集光スポットを形成する際に、複数の集光スポットそれぞれの中心位置のｘ座標値の差の最小値δｘminおよびｙ座標値の差の最小値δｙminが非重複距離より長くなるようにする。
　すなわち、複数（Ｋ個）の集光スポットのうちの第k1の集光スポットの中心位置の座標値を（ｘk1，ｙk1）とし、第k2の集光スポットの中心位置の座標値を（ｘk2，ｙk2）として、これら二つの中心位置のｘ座標値の差δｘ＝|ｘk1－ｘk2|およびｙ座標値の差δｙ＝|ｙk1－ｙk2|を求める。複数の集光スポットのうちから選択される二つの集光スポットの組合せについて中心位置のｘ座標値の差δｘを求めて、これらのうちの最小値δｘminを求める。同様にして最小値δｙminを求める。δｘminは、或る集光スポットの中心位置と他の集光スポットの中心位置との間のｘ軸方向の距離の最小値を表す。δｙminは、或る集光スポットの中心位置と他の集光スポットの中心位置との間のｙ軸方向の距離の最小値を表す。ここで複数の集光スポットのうちから選択される二つの集光スポットの組合せは、一方の集光スポットのサイドローブが他方の集光スポットに重なったときに原子の捕捉に影響を与える可能性がある組合せを少なくとも含み、全ての二つの集光スポットの組合せを含んでもよい。
　非重複距離は、或る集光スポットのサイドローブが他の集光スポットによる原子の捕捉に干渉しない（影響を与えない）ようにする為に必要な両者の中心位置の間隔である。具体的には、各集光スポットによる原子捕捉領域のサイズｄ、光ビーム発生装置４からチャンバー２の内部へ入射させる光の波長λ、および、光ビーム発生装置４からチャンバー２の内部へ光を入射させる光学系の開口数ＮＡを用いて、非重複距離Ｄは、Ｄ＝ｄ／２＋λ／(２ＮＡ)　なる式で表すことができる。この式の右辺の第２項は、サイドローブの半径を表している。
　図９は、像面４６上において複数の集光スポットそれぞれの中心位置のｘ座標値の差の最小値δｘminおよびｙ座標値の差の最小値δｙminが非重複距離Ｄより長くなるようにすることができる角度θを求める処理のフローチャートである。ステップＳ１では、角度θを初期値の０°として、複数の集光スポットの中心位置を所望の態様の格子状に規則配列する。ステップＳ２では、複数の集光スポットのうちから選択される二つの集光スポットの組合せについて中心位置のｘ座標値の差δｘおよびｙ座標値の差δｙを求める。ステップＳ３では、δｘのうちの最小値δｘminが非重複距離Ｄより長いか否かを判定するとともに、δｙのうちの最小値δｙminが非重複距離Ｄより長いか否かを判定して、δｘmin＞Ｄ 且つ δｙmin＞Ｄ を満たす場合の角度θを記憶する。ステップＳ４では、角度θが９０°以上であるか否かを判断する。ステップＳ４で角度θが９０°以上でないと判断された場合には、ステップＳ５で角度θをδθだけ大きくして、その新たな角度θについてステップＳ２以降の処理を繰り返す。ステップＳ４で角度θが９０°以上であると判断された場合には、処理を終了する。
　次に、複数の集光スポットの規則配列を矩形格子配列、正方格子配列、正三角格子配列、カゴメ格子配列および六角格子配列それぞれとした場合の実施例について説明する。図１０は、実施例で用いた矩形格子配列、正方格子配列、正三角格子配列、カゴメ格子配列および六角格子配列を纏めた表である。この表には、それぞれの格子配列について、基本ベクトルａと基本ベクトルｂとがなす角、θ＝０およびθ＝αそれぞれとした場合の基本ベクトルａ、θ＝０およびθ＝αそれぞれとした場合の基本ベクトルｂ、ならびに、整数ｍ，ｎの集合が示されている。基本ベクトルａ，ｂの長さ比βは、実施例１の矩形格子配列では１.２とし、実施例２の正方格子配列では１とした。表中のＬは、各集光スポットの中心位置の最小間隔である。
　実施例１では、複数の集光スポットの規則配列を矩形格子配列とした。実施例２では、複数の集光スポットの規則配列を正方格子配列とした。実施例３では、複数の集光スポットの規則配列を正三角格子配列とした。実施例４では、複数の集光スポットの規則配列をカゴメ格子配列とした。実施例５では、複数の集光スポットの規則配列を六角格子配列とした。実施例１～５の何れにおいても、各集光スポットによる原子捕捉領域のサイズｄを０.２μｍとし、各集光スポットの中心位置の最小間隔Ｌを１０μｍとし、光ビーム発生装置４からチャンバー２の内部へ入射させる光の波長λを０.９μｍとし、光ビーム発生装置４からチャンバー２の内部へ光を入射させる光学系の開口数ＮＡを０.５とし、非重複距離Ｄを１.０μｍとした。
　図１１は、実施例１でθ＝０°としたときの複数の集光スポットの矩形格子配列を示す図である。図１２は、実施例１でδｘmin＞Ｄ 且つ δｙmin＞Ｄ を満たす角度θの範囲においてδｘminの値およびδｙminの値を示す図である。
　図１３は、実施例２でθ＝０°としたときの複数の集光スポットの正方格子配列を示す図である。図１４は、実施例２でδｘmin＞Ｄ 且つ δｙmin＞Ｄ を満たす角度θの範囲においてδｘminの値およびδｙminの値を示す図である。
　図１５は、実施例３でθ＝０°としたときの複数の集光スポットの正三角格子配列を示す図である。図１６は、実施例３でδｘmin＞Ｄ 且つ δｙmin＞Ｄ を満たす角度θの範囲においてδｘminの値およびδｙminの値を示す図である。
　図１７は、実施例４でθ＝０°としたときの複数の集光スポットのカゴメ格子配列を示す図である。図１８は、実施例４でδｘmin＞Ｄ 且つ δｙmin＞Ｄ を満たす角度θの範囲においてδｘminの値およびδｙminの値を示す図である。
　図１９は、実施例５でθ＝０°としたときの複数の集光スポットの六角格子配列を示す図である。図２０は、実施例５でδｘmin＞Ｄ 且つ δｙmin＞Ｄ を満たす角度θの範囲においてδｘminの値およびδｙminの値を示す図である。
　図１１、図１３、図１５、図１７および図１９それぞれにおいて、図中の丸印は像面上における集光スポットを示している。図１２、図１４、図１６、図１８および図２０それぞれにおいて、横軸は角度θであり、縦軸はδｘmin，δｙminであり、δｘminの値を丸印で示し、δｙminの値を＋印で示している。
　これらの図から分かるように、実施例１～５の何れにおいても、δｘmin＞Ｄ 且つ δｙmin＞Ｄ を満たす角度θの範囲は、θ＝０°～９０°の間で不連続に複数存在し、また、θ＝４５°を中心として対称に存在する。角度θの設定の精度が低い場合であっても、δｘmin＞Ｄ 且つ δｙmin＞Ｄ を連続して満たす角度θの範囲が広く、この範囲の中心角度付近に設定すれば、δｘmin＞Ｄ 且つ δｙmin＞Ｄ を確実に満たすことができる。例えば、図１１および図１２に示される実施例１（矩形格子配列）では、大凡θ＝６°～１４°の角度範囲で連続してδｘmin＞Ｄ 且つ δｙmin＞Ｄ を満たすので、この範囲の中心角度であるθ＝１０°付近に設定するのが好ましい。
　図２１は、図３に示される光ビーム発生装置４Ａの構成において像面４６上に複数の集光スポットを正方格子配列（θ＝０°）する場合に空間光変調器４４に提示される位相変調分布の一例を示す図である。図２２は、図３に示される光ビーム発生装置４Ａの構成において像面４６上に複数の集光スポットを正方格子配列（θ＝１２°）する場合に空間光変調器４４に提示される位相変調分布の一例を示す図である。図２３は、図４に示される光ビーム発生装置４Ｂの構成において像面４６上に複数の集光スポットを正方格子配列（θ＝１２°）する場合に空間光変調器４４に提示される位相変調分布の一例を示す図である。図２３の変調分布は、レンズ機能を実現する変調分布（フレネルレンズパターン）を図２２の変調分布に加えたものである。これらの図は、空間光変調器４４の変調面の各画素における位相変調の大きさを濃淡で示している。何れの場合も、像面４６上において複数の集光スポットを正方格子配列することができる。
　以上のとおり、本実施形態では、光ビーム発生装置４は、像面４６上において複数の集光スポットを形成する際に、複数の集光スポットそれぞれの中心位置のｘ座標値の差の最小値δｘminおよびｙ座標値の差の最小値δｙminが非重複距離Ｄより長くなるようにする。これにより、或る集光スポットのサイドローブが他の集光スポットによる原子の捕捉に干渉しない（影響を与えない）ようにすることができるので、複数の原子の規則配列を高精度に行うことができ、量子シミュレーションの精度を改善することができる。
　なお、像面４６上において、光学マスク４３の内側領域４３ａと外側領域４３ｂとの境界における光透過特性の不連続性に起因するサイドローブと集光スポットとが重ならないようにするだけでなく、空間光変調器４４の各画素の形状に起因するサイドローブと集光スポットとが重ならないようにすることも重要である。
　光学マスク４３上のｓ軸方向，ｔ軸方向が空間光変調器４４の変調面上のｕ軸方向，ｖ軸方向と平行であれば、これまで説明してきたように光学マスク４３の内側領域４３ａと外側領域４３ｂとの境界における光透過特性の不連続性に起因するサイドローブと集光スポットとが重ならないようにすれば、空間光変調器４４の各画素の形状に起因するサイドローブと集光スポットとは重ならない。
　光学マスク４３上のｓ軸方向，ｔ軸方向が空間光変調器４４の変調面上のｕ軸方向，ｖ軸方向と平行でなければ、これまで説明してきたように光学マスク４３の内側領域４３ａと外側領域４３ｂとの境界における光透過特性の不連続性に起因するサイドローブと集光スポットとが重ならないようにする角度θの範囲を求めるとともに、同様にして空間光変調器４４の各画素の形状に起因するサイドローブと集光スポットとが重ならないようにする角度θの範囲を求めて、これら二つの範囲の双方に含まれる角度θを採用すればよい。
　量子シミュレータおよび量子シミュレーション方法は、上記の実施形態および構成例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
　上記実施形態の量子シミュレータは、(1) 窓部を有するチャンバーと、(2) 窓部からチャンバーの内部へ光を入射させて、チャンバーの内部の像面上において原子を捕捉するための複数の集光スポットを１次元状または２次元状に規則配列して形成する光ビーム発生装置と、(3) チャンバーの内部において集光スポットに捕捉された原子の状態を検出する検出装置と、を備える。光ビーム発生装置は、第１方向または第２方向に平行な辺を有する長方形形状の内側領域と該内側領域を取り囲む外側領域とを有し内側領域と外側領域との間で光の透過率または位相変調量が互いに異なる光学マスクと、複数の画素が２次元配列されている変調面に入力された光を空間的に位相変調または振幅変調して出力する空間光変調器とを含み、光学マスクを経て空間光変調器により変調された光を窓部からチャンバーの内部へ入射させ、像面上において、第１方向に平行なｘ軸と第２方向に平行なｙ軸とからなるｘｙ座標系を設定したときに、複数の集光スポットそれぞれの中心位置のｘ座標値の差の最小値δｘminおよびｙ座標値の差の最小値δｙminが非重複距離より長くなるように、複数の集光スポットを形成する。
　上記実施形態の一側面において、光ビーム発生装置は、複数の集光スポットそれぞれによる原子捕捉領域のサイズをｄとし、チャンバーの内部へ入射させる光の波長をλとし、チャンバーの内部へ光を入射させる光学系の開口数をＮＡとしたとき、ｄ／２＋λ／(２ＮＡ) なる式で求められる非重複距離よりδｘminおよびδｙminが長くなるように、複数の集光スポットを形成するのが好適である。光ビーム発生装置は、捕捉する原子の熱振動幅に基づいて複数の集光スポットそれぞれによる原子捕捉領域のサイズｄを設定するのが好適である。また、光ビーム発生装置は、像面上において複数の集光スポットを矩形格子状、正方格子状、三角格子状、カゴメ格子状または六角格子状に規則配列して形成するのが好適である。
　上記実施形態の一側面において、量子シミュレータは、窓部からチャンバーの内部へ入射させた光によりチャンバーの内部の原子に刺激を与える光刺激付与装置を更に備えるのが好適であり、また、チャンバーの内部へ原子ガスを供給する原子ガス供給装置を更に備えるのが好適である。
　上記実施形態の一側面において、光ビーム発生装置は、空間光変調器の変調面において第３方向または第４方向に平行な辺を有する長方形形状の複数の画素が２次元配列されており、像面上において、第３方向に平行なｘ軸と第４方向に平行なｙ軸とからなるｘｙ座標系を設定したときにも、複数の集光スポットそれぞれの中心位置のｘ座標値の差の最小値δｘminおよびｙ座標値の差の最小値δｙminが非重複距離より長くなるように、複数の集光スポットを形成するのが好適である。
　上記実施形態の量子シミュレーション方法は、(1) チャンバーの窓部からチャンバーの内部へ光を入射させて、チャンバーの内部の像面上において原子を捕捉するための複数の集光スポットを１次元状または２次元状に規則配列して形成する光捕捉ステップと、(2) チャンバーの内部において集光スポットに捕捉された原子の状態を検出する検出ステップと、を備える。光捕捉ステップにおいて、第１方向または第２方向に平行な辺を有する長方形形状の内側領域と該内側領域を取り囲む外側領域とを有し内側領域と外側領域との間で光の透過率または位相変調量が互いに異なる光学マスクと、複数の画素が２次元配列されている変調面に入力された光を空間的に位相変調または振幅変調して出力する空間光変調器とを用いて、光学マスクを経て空間光変調器により変調された光を窓部からチャンバーの内部へ入射させ、像面上において、第１方向に平行なｘ軸と第２方向に平行なｙ軸とからなるｘｙ座標系を設定したときに、複数の集光スポットそれぞれの中心位置のｘ座標値の差の最小値δｘminおよびｙ座標値の差の最小値δｙminが非重複距離より長くなるように、複数の集光スポットを形成する。
　上記実施形態の一側面において、光捕捉ステップにおいて、複数の集光スポットそれぞれによる原子捕捉領域のサイズをｄとし、チャンバーの内部へ入射させる光の波長をλとし、チャンバーの内部へ光を入射させる光学系の開口数をＮＡとしたとき、ｄ／２＋λ／(２ＮＡ) なる式で求められる非重複距離よりδｘminおよびδｙminが長くなるように、複数の集光スポットを形成するのが好適である。光捕捉ステップにおいて、捕捉する原子の熱振動幅に基づいて複数の集光スポットそれぞれによる原子捕捉領域のサイズｄを設定するのが好適である。また、光捕捉ステップにおいて、像面上において複数の集光スポットを矩形格子状、正方格子状、三角格子状、カゴメ格子状または六角格子状に規則配列して形成するのが好適である。
　上記実施形態の一側面において、量子シミュレーション方法は、窓部からチャンバーの内部へ入射させた光によりチャンバーの内部の原子に刺激を与える光刺激付与ステップを更に備えるのが好適であり、また、チャンバーの内部へ原子ガスを供給する原子ガス供給ステップを更に備えるのが好適である。
　上記実施形態の一側面において、光捕捉ステップにおいて、空間光変調器の変調面において第３方向または第４方向に平行な辺を有する長方形形状の複数の画素が２次元配列されており、像面上において、第３方向に平行なｘ軸と第４方向に平行なｙ軸とからなるｘｙ座標系を設定したときにも、複数の集光スポットそれぞれの中心位置のｘ座標値の差の最小値δｘminおよびｙ座標値の差の最小値δｙminが非重複距離より長くなるように、複数の集光スポットを形成するのが好適である。
　本発明は、複数の原子の規則配列を高精度に行うことができる量子シミュレータおよび量子シミュレーション方法として利用可能である。
　１…光刺激付与装置、１０…制御部、１１…光源、１２…ビームエキスパンダ、１５…空間光変調器、１６…レンズ。
　２…チャンバー、２１…第１窓部（窓部）、２２…第２窓部（窓部）、２３…排気用開口、２４…原子ガス導入用開口。
　３…原子ガス供給装置。
　４，４Ａ，４Ｂ…光ビーム発生装置、４１…光源、４２…ビームエキスパンダ、４３…光学マスク、４４…空間光変調器、４５…レンズ、４６…像面。
　５…光検出装置、５１…ダイクロイックミラー。
　６…原子数検出装置、６１…イオン化電極、６２…イオン検出器。
　１００…量子シミュレータ。

Claims (14)

  1. 　窓部を有するチャンバーと、
    　前記窓部から前記チャンバーの内部へ光を入射させて、前記チャンバーの内部の像面上において原子を捕捉するための複数の集光スポットを１次元状または２次元状に規則配列して形成する光ビーム発生装置と、
    　前記チャンバーの内部において前記集光スポットに捕捉された原子の状態を検出する検出装置と、
    　を備え、
    　前記光ビーム発生装置は、
    　　第１方向または第２方向に平行な辺を有する長方形形状の内側領域と該内側領域を取り囲む外側領域とを有し前記内側領域と前記外側領域との間で光の透過率または位相変調量が互いに異なる光学マスクと、複数の画素が２次元配列されている変調面に入力された光を空間的に位相変調または振幅変調して出力する空間光変調器とを含み、前記光学マスクを経て前記空間光変調器により変調された光を前記窓部から前記チャンバーの内部へ入射させ、
    　　前記像面上において、前記第１方向に平行なｘ軸と前記第２方向に平行なｙ軸とからなるｘｙ座標系を設定したときに、前記複数の集光スポットそれぞれの中心位置のｘ座標値の差の最小値δｘminおよびｙ座標値の差の最小値δｙminが非重複距離より長くなるように、前記複数の集光スポットを形成する、
    　量子シミュレータ。
  2. 　前記光ビーム発生装置は、前記複数の集光スポットそれぞれによる原子捕捉領域のサイズをｄとし、前記チャンバーの内部へ入射させる光の波長をλとし、前記チャンバーの内部へ光を入射させる光学系の開口数をＮＡとしたとき、ｄ／２＋λ／(２ＮＡ) なる式で求められる非重複距離よりδｘminおよびδｙminが長くなるように、前記複数の集光スポットを形成する、
    　請求項１に記載の量子シミュレータ。
  3. 　前記光ビーム発生装置は、捕捉する原子の熱振動幅に基づいて前記複数の集光スポットそれぞれによる原子捕捉領域のサイズｄを設定する、
    　請求項２に記載の量子シミュレータ。
  4. 　前記光ビーム発生装置は、前記像面上において前記複数の集光スポットを矩形格子状、正方格子状、三角格子状、カゴメ格子状または六角格子状に規則配列して形成する、
    　請求項１～３の何れか１項に記載の量子シミュレータ。
  5. 　前記窓部から前記チャンバーの内部へ入射させた光により前記チャンバーの内部の原子に刺激を与える光刺激付与装置を更に備える、
    　請求項１～４の何れか１項に記載の量子シミュレータ。
  6. 　前記チャンバーの内部へ原子ガスを供給する原子ガス供給装置を更に備える、
    　請求項１～５の何れか１項に記載の量子シミュレータ。
  7. 　前記光ビーム発生装置は、
    　　前記空間光変調器の前記変調面において第３方向または第４方向に平行な辺を有する長方形形状の複数の画素が２次元配列されており、
    　　前記像面上において、前記第３方向に平行なｘ軸と前記第４方向に平行なｙ軸とからなるｘｙ座標系を設定したときにも、前記複数の集光スポットそれぞれの中心位置のｘ座標値の差の最小値δｘminおよびｙ座標値の差の最小値δｙminが非重複距離より長くなるように、前記複数の集光スポットを形成する、
    　請求項１～６の何れか１項に記載の量子シミュレータ。
  8. 　チャンバーの窓部から前記チャンバーの内部へ光を入射させて、前記チャンバーの内部の像面上において原子を捕捉するための複数の集光スポットを１次元状または２次元状に規則配列して形成する光捕捉ステップと、
    　前記チャンバーの内部において前記集光スポットに捕捉された原子の状態を検出する検出ステップと、
    　を備え、
    　前記光捕捉ステップにおいて、
    　　第１方向または第２方向に平行な辺を有する長方形形状の内側領域と該内側領域を取り囲む外側領域とを有し前記内側領域と前記外側領域との間で光の透過率または位相変調量が互いに異なる光学マスクと、複数の画素が２次元配列されている変調面に入力された光を空間的に位相変調または振幅変調して出力する空間光変調器とを用いて、前記光学マスクを経て前記空間光変調器により変調された光を前記窓部から前記チャンバーの内部へ入射させ、
    　　前記像面上において、前記第１方向に平行なｘ軸と前記第２方向に平行なｙ軸とからなるｘｙ座標系を設定したときに、前記複数の集光スポットそれぞれの中心位置のｘ座標値の差の最小値δｘminおよびｙ座標値の差の最小値δｙminが非重複距離より長くなるように、前記複数の集光スポットを形成する、
    　量子シミュレーション方法。
  9. 　前記光捕捉ステップにおいて、前記複数の集光スポットそれぞれによる原子捕捉領域のサイズをｄとし、前記チャンバーの内部へ入射させる光の波長をλとし、前記チャンバーの内部へ光を入射させる光学系の開口数をＮＡとしたとき、ｄ／２＋λ／(２ＮＡ) なる式で求められる非重複距離よりδｘminおよびδｙminが長くなるように、前記複数の集光スポットを形成する、
    　請求項８に記載の量子シミュレーション方法。
  10. 　前記光捕捉ステップにおいて、捕捉する原子の熱振動幅に基づいて前記複数の集光スポットそれぞれによる原子捕捉領域のサイズｄを設定する、
    　請求項９に記載の量子シミュレーション方法。
  11. 　前記光捕捉ステップにおいて、前記像面上において前記複数の集光スポットを矩形格子状、正方格子状、三角格子状、カゴメ格子状または六角格子状に規則配列して形成する、
    　請求項８～１０の何れか１項に記載の量子シミュレーション方法。
  12. 　前記窓部から前記チャンバーの内部へ入射させた光により前記チャンバーの内部の原子に刺激を与える光刺激付与ステップを更に備える、
    　請求項８～１１の何れか１項に記載の量子シミュレーション方法。
  13. 　前記チャンバーの内部へ原子ガスを供給する原子ガス供給ステップを更に備える、
    　請求項８～１２の何れか１項に記載の量子シミュレーション方法。
  14. 　前記光捕捉ステップにおいて、
    　　前記空間光変調器の前記変調面において第３方向または第４方向に平行な辺を有する長方形形状の複数の画素が２次元配列されており、
    　　前記像面上において、前記第３方向に平行なｘ軸と前記第４方向に平行なｙ軸とからなるｘｙ座標系を設定したときにも、前記複数の集光スポットそれぞれの中心位置のｘ座標値の差の最小値δｘminおよびｙ座標値の差の最小値δｙminが非重複距離より長くなるように、前記複数の集光スポットを形成する、
    　請求項８～１３の何れか１項に記載の量子シミュレーション方法。
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