<講義ノート>冷却原子系を用いた量子シミュレーション実験

Abstract

冷却原子系はその高い制御性からいわゆる「量子シミュレータ」の有力な候補であり、近年その制御性の向上とともに、物性物理分野だけでなく非平衡系物理や量子情報分野にもインパクトを与えるような研究が次々と行われている。この講義ノートでは、冷却原子系を用いた量子シミュレーション実験の「ツール」として使われる物理、「Feshbach共鳴」「光格子」「Rydeberg原子」を主に取り上げて説明する。「Feshbach共鳴」は冷却原子系において原子間相互作用(s波散乱長)の制御を可能にする現象で、冷却原子系を用いて量子多体系を研究する上で重要なツールとなる。また「光格子」と呼ばれる、レーザー光の定在波による周期ポテンシャルを冷却原子系に構築することで、冷却原子系に格子構造やそれに由来するバンド構造を導入でき、固体物理で研究されるHubbardモデルのような系の量子シミュレーションが可能になる。「Rydberg原子」は主量子数nが非常に大きい軌道に励起された電子をもつ励起状態原子で、これを用いた量子シミュレーション・量子コンピュータ研究が近年急速に進展しているところである。これらの物理の理解を通じて、冷却原子系を用いた量子シミュレーショとは何か、何ができるのか、を理解してもらいたい。