科学技術・学術審議会 先端研究基盤部会量子科学技術委員会(第7回) 参考資料

コヒーレント制御の概念と研究動向

自然科学研究機構 分子科学研究所大森 賢治

資料２－３科学技術・学術審議会 先端研究基盤部会

量子科学技術委員会（第７回）平成２８年１２月２７日

コヒーレント制御とは？

コヒーレント制御：物質の波動関数の振幅と位相を制御する光技術

1980年代： 真空中で孤立した分子の光解離過程を制御する目的で提案された1990年代以降： レーザー技術の進展によって実験的に実証された

Brumer-Shapiroスキーム（複数の光励起過程の干渉）M. Shapiro / P. Brumer (イスラエル / カナダ; Chemical Physics Letters 1988); D. S. Eliott (米国; Physical Review Letters 1990) ; R. Gordon (米国; Science 1995)

Tannor-Riceスキーム（波束のpump-dump）D. Tannor / S. A. Rice (イスラエル/ 米国; Journal of Chemical Physics 1985); G. Gerber (ドイツ; Physical Review Letters 1991) ; A. H. Zewail (米国; Nature 1992)

波束干渉法（double pulse）G. R. Fleming (米国; Journal of Chemical Physics 1991, 1992) ; K. Ohmori (日本; Science 2006, PRL 2003, 2006, 2009)

整形光パルス + 学習アルゴリズムK. R. Wilson (米国; Physical Review Letters 1995) ; Y. Silberberg (イスラエル; Nature 1998) ; G. Gerber (ドイツ; Science 1998) ; R. J. Levis (米国; Science 2001)

強レーザー誘起量子干渉（強いレーザー場による量子干渉)A. Stolow (カナダ; Science 2006) ;K. Ohmori (日本; Nature Physics 2011)

現代： 化学反応・光物性・量子情報・生命科学分野の重要ツールとして期待

問題点： 液体・固体（凝縮系）への展開が必要だが十分に対応できてない

コヒーレント制御とは？

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Brumer-Shapiroスキーム共通の量子状態への複数の異なる

光励起経路の干渉を利用

コヒーレント制御とは？

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M. Shapiro / P. Brumer(イスラエル / カナダ)

D. S. Eliott (米国) R. Gordon (米国)

Tannor-Riceスキーム波束のpump-dump(pump)

D. Tannor / S. A. Rice (米国)G. Gerber (ドイツ)A. H. Zewail (米国)

フェムト秒

位相ロックしたダブルパルス

波束干渉法

レーザー光の位相を波束の量子位相に転写して干渉を制御

G. R. Fleming (米国)K. Ohmori (日本)

タイミングを調節

フェムト秒レーザーパルス

西拠点の成果

光拠点成果；アト秒精度のコヒーレント制御（分子研）

分子の中の波束干渉が描く量子力学的な時空間模様をアト秒・ピコメートル精度で可視化・制御

（Science 2006; Phys. Rev. Lett. 2003, 2006, 2009）

固体中の原子の超高速運動を10兆分の1秒単位で制御し画像化する新しい光技術

（Nature Commun. 2013）

世界最速スパコンより1000倍速くナノより小さい１分子コンピューター

（Phys. Rev. Lett. 2010）

ナノより小さい１分子コンピューター内の情報書き換えに成功（Nature Phys. 2011）

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~ 30mm

光双極子トラップ@ ~70mK

極低温ルビジウム原子集団

原子レベルで動作する世界最速の量子シミュレーター（Nature Commun. 2016 ； Scienceハイライト ； 英国物理学会ハイライト；etc.）

強相関・極低温リュードベリ原子集団における1フェムト秒周期の超高速・多体電子ダイナミクスをアト秒精度で観測・制御する新しい光技術

リュードベリ電子

光拠点成果；アト秒精度のコヒーレント制御（分子研）

超高速コヒーレント制御と極低温物理が融合した新しい科学の始まり

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光拠点成果；高強度レーザー開発と量子制御（量研機構）

高強度THz波発生用に1 kHz繰り返し10 mJ/1.3 ps高強度レーザーを稼働し施設共用を開始

（Opt. Express 2015）

新たなポンプ・プローブ技術により真空紫外パルスの位相を計測

（Opt. Exress 2015）

新型の小型THz波発生デバイスを開発発生部の圧倒的小型化と空間均一性向上が可能

（Opt. Lett. 2014）

回転周期差と角度依存イオン化を利用した同位体選択をN2分子を用いて実施

（Appl. Phys.B 2012; Phys. Rev. A 2015）

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今後の展望

量子多体問題は多くの重要な物理・化学現象を支配している

気相孤立系から量子多体系（凝縮系）への展開が必要

量子多体問題

化学反応

http://chemistry.about.com/od/chemicalreactions/ss/10-Examples-of-Chemical-Reactions-in-Everyday-Life.htm#step10

超伝導

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ybco.jpg

磁性

http://www.bbc.co.uk/bitesize/ks3/science/energy_electricity_forces/magnets_electric_effects/revision/3/

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国外の研究動向・現状

・固体中のポラリトン制御ポラリトン凝縮体伝播の制御Bloch @ LPN/CNRS （フランス）

Nature Phys. 6, 860 (2010)

GaAsポラリトン凝縮体の振動波束干渉Baumberg @ Cambridge大 （英国）

Nature Phys. 8, 190 (2012)

全光学的ポラリトントランジスタBallarini @ IIT Lecce （イタリア）

Nature Commun. 4, 1778 (2013)

・超高速量子シミュレーター

強相関・極低温リュードベリ原子集団のアト秒多体電子ダイナミクス観測・制御

Ohmori @ IMS （日本）Nature Commun. 7, 13449 (2016)

・オプトメカニクス系の制御

シリカ・ナノ粒子の振動制御Novotny @ ETHZ（スイス）

Phys. Rev. Lett. 117, 163601 (2016)

ナノダイヤモンドの運動制御Vamivakas @ Rochester（米国）

Nature Photo. 9, 653 (2015)

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光制御（エネルギー注入）→ コヒーレント制御への展開が必要

国外の研究動向・現状

https://www6.slac.stanford.edu/news/2013-07-28-Speed-Limit-Set-Ultrafast-Electrical-Switch.aspx

マグネタイトFe3O4に近赤外フェムト秒光パルスを照射して１兆分の１秒で絶縁体から金属に変化させる

銅酸化物La1.675Eu0.2Sr0.125CuO4に中赤外フェムト秒光パルスを照射して１兆分の１秒で超伝導体に変化させる

https://www.mpg.de/986735/Laser_bewirkt_Supraleitung?page=1

中赤外フェムト秒光パルスはK3C60の高温超伝導を誘起する？

・固体物性の光制御

Dür @ Stanfiord （米国）Nature Mat. 12, 882 (2013)

Cavalleri @ MPSD・Oxford（独・英国）Science 331, 189 (2011)

Cavalleri @ MPSD・Oxford（独・英国）Nature 530, 461 (2016)

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現状

• コヒーレント制御は化学反応・光物性・量子情報・生命科学分野の重要ツールとして期待されている

• 気相孤立系のコヒーレント制御はほぼ完成済み

今後の開発の方向性

• 液体・固体（凝縮系）のコヒーレント制御• 凝縮系ダイナミクスの量子シミュレーション

波及効果

• 量子論の検証（量子-古典境界の探索など）• 超伝導・磁性など物性の起源や化学反応メカニズムの探求・制御

→ 新物質の創成（光機能性材料・環状オゾン分子など）

• 生命現象における量子性の検証• 超伝導材料・磁性材料・薬剤分子などの開発に寄与する新しい

超高速シミュレーション・プラットフォーム

• 物質の波動関数の振幅と位相を用いた超高速情報処理（分子コンピューターなど）

まとめ；現状と今後の展望

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表紙コヒーレント制御とは？西拠点の成果今後の展望