研究テーマ
アト秒精度の超高速量子シミュレータ開発と量子コンピュータへの応用
キーワード
アト秒、コヒーレント制御、量子力学、波束、分子コンピューター、超高速量子シミュレーター
「物質は見方によって粒子になったり波になったりする。」量子の世界の本質はここにあります。量子力学が生まれて100年、コンピュータやCDプレーヤー等、量子力学の応用製品はなくてはならない存在になりました。しかし、人類はまだ量子の世界をよく理解しておらず、その応用の余地も膨大に残されています。私たちは、量子の世界をより良く理解するために、物質の波を光で完全に制御するというテーマに挑戦しています。1)-8)
私たちは、電子や原子の波にアト秒（アト＝10-18）レベルで制御されたレーザー光の情報を転写することで、それらをピコメートル（ピコ＝10-12）・フェムト秒（フェムト＝10-15）レベルの時空間精度で加工し可視化することに成功しました1),2)。さらに、この技術を用いて、世界最速レベルのスパコンの1000倍以上の速さで計算する分子コンピュータを開発しました3),4)。つい最近では、世界最速スパコンでも計算不可能な多数の電子の集団運動をアト秒レベルでシミュレートできる全く新しい超高速量子シミュレータの開発に成功しています6),7)。これらの成果は、朝日新聞や中日新聞を始めとする多数の新聞各紙で取り上げられた他、英米の科学雑誌Nature、Science、Nature Physics、Nature Photonics、米国物理学会Physics、英国物理学会PhysicsWorld、ドイツ物理学会Pro-Physik 、あるいはScienceDaily、PhysOrg、PopSciなど各国のメディアで大きく報道される等、世界的な注目を集めています。
今後、私たちの研究の途上で、「物質の波と粒子の性質がどんなふうに共存しているのか？」そんな100年の謎を解くためのヒントが見つかるかもしれません。
Fig.1. Spatiotemporal images of a wave function, which has been designed and visualized in the iodine molecule with precisions on the picometer spatial and attosecond temporal scales. Adopted from ref. 2).
参考文献
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"Visualizing picometric quantum ripples of ultrafast wave-packet interference,” H. Katsuki et al., Science 311, 1589-1592 (2006).
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"Actively tailored spatiotemporal images of quantum interference on the picometer and femtosecond scales,” H. Katsuki et al., Phys. Rev. Lett. 102, 103602 (2009).
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"Ultrafast Fourier transform with a femtosecond laser driven molecule,” K. Hosaka et al., Phys. Rev. Lett. 104, 180501 (2010).
Selected for “Editors’ Suggestions” in PRL.
Covered by “Viewpoints” in Physics; Physics 3, 38 (2010).
Covered by “Research Highlights” in Nature; Nature 465, 138-139 (2010).
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“Strong-laser-induced quantum interference,” H. Goto et al., Nature Physics 7, 383-385 (2011).
Highlighted by “News and Views” in Nature Physics 7, 373-374 (2011).
Highlighted by "Research Highlights" in Nature Photonics 5, 382–383 (2011).
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"All-optical control and visualization of ultrafast two-dimensional atomic motions in a single crystal of bismuth,” H. Katsuki et al., Nature Commun. 4, 2801 (2013).
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"Direct observation of ultrafast many-body electron dynamics in an ultracold Rydberg gas,” N. Takei et al., Nature Commun. 7, 13449 (2016).
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"Ultrafast coherent control of condensed matter with attosecond precision,” H. Katsuki et al., Acc. Chem. Res. 51, 1174-1184 (2018).
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"Attosecond control of restoration of electronic structure symmetery,” C. Liu et al., Phys. Rev. Lett. 121, 173201 (2018).
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"Ultrafast creation of overlapping Rydberg electrons in an atomic BEC and Mott-insulator lattice,” M. Mizoguchi et al., Phys. Rev. Lett. 124, 253201 (2020).
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"Ultrafast energy exchange between two single Rydberg atoms on a nanosecond timescale,” Y. Chew et al., Nature Photonics 16, 724–729 (2022).
