イオントラップ光時計と量子ネットワーク
NICT NEWS 2021 No. 2（通巻486）掲載記事
主担当：早坂 和弘、田中 歌子
イオントラップは制御した電場によりイオンを閉じた空間にとらえるデバイスで、レーザー冷却技術と併せて用いることでイオン化した原子を空中に静止させて保持することを可能とします。また、原子内部や運動の量子状態を制御することで、光周波数を用いた原子時計である光時計や量子コンピュータが実現できることが知られています。本稿ではNICTが取り組んでいるイオントラップ光時計の研究開発と光時計量子ネットワークへの応用の展望について紹介します。
イオントラップは制御した電場によりイオンを閉じた空間にとらえるデバイスで、レーザー冷却技術と併せて用いることでイオン化した原子を空中に静止させて保持することを可能とします。また、原子内部や運動の量子状態を制御することで、光周波数を用いた原子時計である光時計や量子コンピュータが実現できることが知られています。本稿ではNICTが取り組んでいるイオントラップ光時計の研究開発と光時計量子ネットワークへの応用の展望について紹介します。
背景
量子力学の教科書には個々の原子の量子状態を操作する思考実験が多く登場しますが、量子力学の創始者の一人であるE. シュレディンガーですら個々の原子での実験は現実的ではないと1950年代に記しています。しかしながら、1970年代後半にはイオントラップで個々のイオンの量子状態が実験で観測できるようになり、1982年には18桁の周波数確度を持つ単一イオン光時計が提案されました。単一イオン光時計の量子状態制御技術をベースとして、1995年にはイオントラップ量子コンピュータが提案されました。最近では、これらを基に周波数確度が19桁に及ぶ光時計や32量子ビットの量子コンピュータが実現されています。
イオントラップ光時計
NICTでは1990年代からイオントラップ技術の研究開発に取り組み、2008年にはカルシウムイオン光時計、2017年には共同冷却式インジウムイオン光時計を世界に先駆けて実現しました。単一イオン光時計はイオンの時計遷移を周波数基準として精密光周波数を生成します。1個だけのイオンの信号は微弱なので、正確な周波数を決定するまでの時間が長いという問題点がありました。これを解決したのが中性原子集団を用いた光格子時計です。光格子時計では104個以上の原子を、周波数変動を抑圧できる特定波長の光で生成する光格子に配置して信号を増強しています。イオントラップ光時計でも多数個を用いるアプローチが試みられていますが、電荷を持たない中性原子とは事情が異なります。従来型イオントラップでは電気四重極シフトと呼ばれる周波数変動がイオンごとに異なるため、それぞれのイオンが異なる基準光周波数を発生してしまい、多数個の利点が発揮できません（図1）。NICTではこの問題を解決するため、全てのイオンが同一の基準光周波数を発生するトラップ電位を発見しました。光格子時計で原子の周波数変動を抑圧する光波長を「魔法波長」と呼ぶのに倣い、このトラップ電位を「魔法電位」と呼びます。しかしながら、従来型イオントラップでは電位を制御する自由度が少ないため魔法電位を生成することができません。
図１ 従来型イオントラップ（上）とトラップされたカルシウムイオン（下）
カルシウムイオンの間隔が不均一であることから電気四重極シフトが不均一であることがわかる。
カルシウムイオンの間隔が不均一であることから電気四重極シフトが不均一であることがわかる。
オンチップイオントラップ
従来型イオントラップでは電極を三次元的に配列するため、任意のトラップ電場の生成には困難が伴います。この問題を解決するのがオンチップイオントラップです。このイオントラップでは、電極を平面形状に近似して同一平面上に配置します。これらの電極を分割して異なる電圧を印加することにより、自由度の高いトラップ電位の生成が可能となります（図2）。また、未来ICT研究所内での連携により、表面精度や耐電圧に優れたオンチップイオントラップを内製することができました（図4）。さらに、複数個イオンによる信号増強を従来型イオントラップでのエミュレータ動作で検証することができ、オンチップイオントラップを用いた複数イオン光時計の実現にあと一歩と迫りました。
図2 イオントラップの電極構成 (A)従来型イオントラップ（リニアトラップ）、(B)オンチップイオントラップ
この特徴によりオンチップイオントラップは量子コンピュータにも広く用いられています。NICTでは大阪大学との協力で13対の電極から成るトラップを試作して魔法電位の生成を試みたところ、35個のイオンで魔法電位の生成が可能であることを確認できました（図3）。
13対の電極から構成されるオンチップトラップを用いて、大阪大学大学院基礎工学研究科 田中歌子グループでの実験で観測された。図１のイオン列と異なり、イオンが等間隔に配置しており、電気四重極シフトのばらつきがないことが分かる。
また、未来ICT研究所内での連携により、表面精度や耐電圧に優れたオンチップイオントラップを内製することができました（図4）。さらに、複数個イオンによる信号増強を従来型イオントラップでのエミュレータ動作で検証することができ、オンチップイオントラップを用いた複数イオン光時計の実現にあと一歩と迫りました。
フロンティア創造総合研究室によりNICT内部施設で作製された。
イオントラップと光子による量子ネットワーク
イオンが光子を生成する際には、イオンと光子の量子状態に量子もつれと呼ばれる量子相関が生成されます。イオンは質量を持ち輸送が困難であるのに対して、光子は自由空間や光ファイバーを通して遠距離を伝送させることが比較的容易です。イオントラップと光子を用いると光時計を量子的に接続して高速に時間を決定する量子時刻同期や量子コンピュータを量子的に接続する光接続量子コンピュータなどの量子ネットワークが実現できると考えられています。NICTではイオントラップと光子による量子ネットワークに早期から着目し、2004年にはマックスプランク量子光学研究所との協力により単一イオンからの時間波形を制御した単一光子列の生成を初めて実現しました。この光子の波長は866 nmで光ファイバーでの伝送距離に制限がありましたが、2018年にはサセックス大学、大阪大学との協力により、光子の量子力学的性質を保持したまま光通信波長帯光子へと変換し、10 kmの光ファイバー中伝送を実証しました。これによりイオントラップを光ファイバーで接続した量子ネットワークの実現へと大きく近づきました。
今後の展望
光時計のネットワークを形成することで時空情報の高度化や局所的重力変動のセンシングなどが可能になると期待され、国内外でファイバリンクの整備が進められています。量子ネットワークでは、このようなネットワークで得られる時空情報配信やセンシングに要する時間を量子力学が許す極限まで短縮することができると期待されます。イオントラップ技術に加えて光周波数標準技術、微細加工技術等の量子ネットワーク実現に必要な要素技術の多くがNICT内で研究開発されており、世界に先駆けた実現を目指します。