京都大学(京大)は12月25日、極低温のルビジウム原子を用いた実験により、ノイズによるエラーを克服できる可能性のあるトポロジカル量子コンピュータの基礎原理に通じる「トポロジカル原子レーザー」の発振に世界で初めて成功したと発表した。

  • 光のレーザーと原子レーザーの対比。(左)一般的なレーザー発振の原理

    光のレーザーと原子レーザーの対比。(左)一般的なレーザー発振の原理。外部からエネルギー(利得)を与えられ、光が増幅される。(右)今回の実験の概念図。人工次元(スピン空間)上の格子において、蒸発冷却を巧みに利用することで実効的な利得を生み出し、端(エッジ)の状態に原子が凝縮して「原子レーザー」として振る舞う様子(出所:京大Webサイト)

同成果は、京大 理学研究科の津野琢士大学院生(研究当時)、同・高橋義朗教授、同・田家慎太郎助教、同・高須洋介准教授らの研究チームによるもの。詳細は、英科学誌「Nature」系のオンライン科学誌「Nature Communications」に掲載された。

低温ルビジウム原子により励起状態への凝縮に成功

量子力学の領域において、外部環境とのエネルギーの出入りがある系(エネルギーの保存されない開放系)は「非エルミート量子系」と呼ばれ、この系を記述する理論的な枠組みは「非エルミート量子力学」という。特に、信号を増幅する「利得(ゲイン)」と、信号が減衰する「損失(ロス)」を制御することで現れる特異な現象は、レーザーや光通信などのフォトニクス分野で研究が活発に行われている。

また、この非エルミート量子力学の研究は、原子などの物質粒子を扱う「冷却原子気体」の分野でも進展している。しかしその実験においては、原子を系から取り除く「損失」の導入は容易であるものの、光のように外部からポンプして「利得(増幅)」を加えることは技術的に極めて困難とされてきた。そのため、これまでの原子を用いた実験は「損失のみ」を扱うものに限定されており、レーザー発振のように「利得」が本質的な役割を果たす現象の観測は大きな課題となっていた。

そこで研究チームは今回、実際の空間(三次元)ではなく、原子が持つ「スピン(内部状態)」という自由度を、あたかも空間座標であるかのように見立て、人工的な格子構造を作る技術である「人工次元」に注目。実空間では実現が難しい高次元の物理現象や特殊なトポロジカル物質をシミュレートできることから、この技術を用いたという。

具体的には、原子番号37のルビジウム原子の複数のスピン状態に対し、マイクロ波を照射して状態間を往来できるように結合させることで、仮想的な「一次元の格子(チェーン)」が作り出された。この際、マイクロ波の強度や位相を精密に調整することで、「SSHモデル」と呼ばれる、トポロジカルな性質(物質の内部は絶縁体だが、表面や端だけは電気や信号を通すという、端に特殊な状態が現れる性質)を持つ人工結晶が実現された。

今回の最大のブレイクスルーは、冷却原子実験で標準的に用いられる「蒸発冷却」という手法を、まったく新しい発想で利用した点にあるという。通常の蒸発冷却では、エネルギーの高い原子を系外へ捨て、残った原子を最もエネルギーの低い状態(基底状態)へと冷却・凝縮させる。

それに対し今回の研究では、初期状態の原子分布と蒸発させる条件が巧みに設計された。その結果、熱的な原子集団からエネルギーの高い原子が取り除かれる過程で、逆に「トポロジカル端(エッジ)状態」という高いエネルギー状態にある原子の割合が相対的に増大していくという状況を作り出すことに成功したのである。これは、着目する端状態にとっては原子が注入されている(利得がある)のと物理的に等価であり、これを“実効的な利得”として機能させたとした。

この手法を用いた結果、通常であれば不安定で原子が留まれないはずの高エネルギーなトポロジカル端状態において、「ボース・アインシュタイン凝縮」(BEC)現象が生じる様子が観測された。BECとは、極低温において、多数の原子が単一の量子状態を共有し、あたかも1つの巨大な波のように振る舞う現象である。

今回BECが観測されたことは、レーザー発振器内で特定のモードの光が増幅されてレーザー光となるのと同様の現象であり、原子の波(物質波)による「トポロジカル原子レーザー」が実現されたといえるという。また、この凝縮体がトポロジカルな性質(構造上の欠陥や乱れに対する強さ)を保持していることも確認された。

今回の研究により、冷却原子系において長年の壁だった「利得」を自在に制御する道が拓かれた。これにより、光の分野で培われてきた非エルミート量子力学の知見を、物質波である原子の世界に本格的に導入することが可能になるという。今回実現された「トポロジカル原子レーザー」は、トポロジカル端状態特有の「乱れに強い」という性質を持つ。将来的には、この性質を利用した堅牢で高感度な原子干渉計や重力センサ、あるいは指向性の高い原子ビーム源、さらにはノイズによるエラーに耐性を持つトポロジカル量子コンピュータなど、次世代の量子技術への応用が期待されるとしている。