January, 19, 2026, Trieste--イタリアとドイツを拠点とする研究チームは、蛍光顕微鏡に基づくイメージングスキームを活用し、個々の原子を迅速かつ最小限の破壊方法で検出する新しい手法を開発した(Phys. Rev. Lett., doi: 10.1103/n3bg-7yw7)。
現在の技術は通常、連続レーザ冷却下で蛍光を集めるが、新しい方法は非平衡で冷却のない領域で動作し、原子が短時間でフォトンのバーストを散乱する。この結果は、量子シミュレーション、計測、コンピューティングプラットフォームへの応用において、高精度かつ高い生存率を兼ね備えた、これまでで最も高速な中性原子イメージングを示している。
カメラのフラッシュのように
個別にトラップされた中性原子のアレイは、量子コンピューティングや次世代原子時計などの量子技術開発において最も有望なプラットフォームの一つである。しかし、個々の原子を扱う際の重要な課題は、それらを正確かつ非破壊的に検出できること。これらの要件を満たすほとんどの単一原子イメージング方式は、10msから数百ms(ミリ秒)に及ぶ長い撮影時間を持ち、実験の繰り返し速度を制限する。
「長時間露光と原子トラップ光パラメータの微調整は、レーザ冷却を効果的に行うために不可欠であり、フォトン反動加熱を相殺し、原子損失を防ぐ」とイタリア・トリエステ大学(University of Trieste)のFrancesco Scazzaaは話している。「副作用として、検出が遅いため、単一のトラップに複数の原子が存在するかどうかを特定することが不可能になる。」
この目的のために、Scazzaと同氏の同僚たちはカメラフラッシュの使用に類似した別の戦略を採用した。チームは、非常に短く、逆方向に伝播する強力なレーザパルスを連射して原子を照らし、強い蛍光発光を励起させた。このような短い照射中、原子はフォトンの散乱によってエネルギーを得るが、光的ピンセットの罠から逃れるには十分なエネルギーがない。その後、高速冷却パルスによってイメージングプロセスによって導入された余剰エネルギーが除去される。
最先端の性能
研究チームは、光ピンセットアレイに捕捉された単一のイッテルビウム原子を、99.9%を超え、0.5%未満の損失でマイクロスケールで検出することに成功した。その結果は通常の取得時間の約1,000倍の時間スケールで収集され、アルカリ性土塁元素の原子の最先端の性能と高精度、生存率に匹敵する。また、この技術は単一のトラップ内の複数の原子を検出することもできる。
「非破壊的高速検出は量子コンピュータにおける誤り訂正の実装に向けた重要な一歩である。同様の観点から、実証された高速測定および原子再利用能力は、いわゆる連続クロックアーキテクチャの実現に強力な継続的な取り組みが注がれている新世代原子時計におけるデッドタイムの最小化に不可欠なものとなると考えられる」とScazzaは、コメントしている。