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光ピンセットで原子の“キャッチボール”を行うことに成功

光を使って個々の原子を投げたりキャッチしたりする、世界最小のキャッチボールを実現できたことが新たに報告されている。

これは、「光ピンセット」と呼ばれる集光されたレーザー光で微小な物体を操作する技術を用いて行われたが、原子を1対の光ピンセットから別のピンセットに投げ込むのは世界で初めてのことだ。今回の成果は、次世代の量子コンピュータの構築に役立つ可能性があると言う。

今回の実験を主導した、韓国科学技術院の物理学者、共著者のJaewook Ahn氏は、「自由に飛ぶ原子は、光学トラップに保持されたり、光学トラップと相互作用することなく、ある場所から別の場所に移動します。言い換えれば、原子は、野球の試合でボールがピッチャーとキャッチャーの間を移動するように、2つの光学トラップの間に投げ込まれ、キャッチされるのです」と、プレスリリースの中で今回の実験概要を説明する。

『Optica』誌に発表された研究成果では、冷やしたルビジウム原子を使ったキャッチボールについて詳しく説明されている。

実験では、ルビジウム原子を絶対零度に近い温度まで冷却した後、2つの光ピンセットのうちの1つに入れ、レーザー光で原子を固定した。そして、原子を保持したピンセットを加速させてから急にスイッチを切ると、ルビジウム原子は4.2マイクロメートル(人間の髪の毛の幅の4分の1以下)の距離を、最大で毎秒25インチ(65センチメートル)の速さで飛び出したという。そして、隣接する1対の光ピンセットが、発射後の原子をキャッチし、完全に停止させることに成功したのだ。

この新しい研究は、量子コンピュータの開発に役立つ可能性がある。量子コンピュータは、重ね合わせなどの量子物理学のクセを利用して、古典的なコンピュータでは何千年もかかるような問題を解決することを可能とする。

「このような空飛ぶ原子を使えば、量子ビット(2進数のビットに相当)の相対位置をより自由に変えることができ、新しいタイプの動的量子コンピューティングが可能になります」とAhn氏は説明する。

ルビジウムのような中性原子を密に配列することで、理論的には従来のシリコンベースの配列よりもはるかに高密度の量子ビットを配置することが出来るだろう。

「個々の原子同士の衝突を起こすこともでき、原子ごとの化学という新しい分野を切り開くことができるのです」


論文

参考文献

研究の要旨

ある場所から別の場所へ移動可能な単一原子は、動的量子コンピューティングアーキテクチャに有用なフライング量子メモリーを実現することが出来る。光ピンセットなどで原子を誘導することは部分的な解決策になりますが、原子が誘導手段と相互作用してしまうと、量子ビットが飛ぶという利点が失われる可能性がある。そこで私たちは、光ピンセットで原子を投げたり捕まえたりすることで、原子を自由に飛ばす方法を提案し、実験的に実証した。光ピンセットによる原子の輸送、飛行する原子による原子の配置、光ピンセットからの原子の散乱など、一連の原理実証的な飛行原子のデモを提供する。実験では、温度40μKの冷たいルビジウム原子を加速光ピンセットで投げ、速度0.65m/s、飛行距離4.2μmまで自由に飛行させ、減速光ピンセットで捕捉・停止することで、94(3)%の輸送効率で実現しました。ピンセットトラップによる原子配列の欠陥補正、原子配列の高速形成、ライドベルグ原子衝突研究、動的量子コンピューティングアーキテクチャなどの応用が期待される。

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