[論文レビュー] Attosecond Physics and Quantum Information Science

M. Lewenstein, N. Baldelli+15 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2022

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ひとこと要約

本論文はアトセカンド物理学と量子情報科学の共生を提唱し、高調波生成および強場レーザー-物質相互作用が、巨視的で制御可能かつ頑丈な量子もつれ状態（平均光子数⟨n⟩ ≈ 9.4の光学シュレーディンガーの猫状態を含む）を生成できることを示した。これにより、量子技術のための新たなプラットフォームが提供される。このアプローチは、条件付け手法と非古典的光を活用し、量子シミュレーション、トポロジー検出、制御されたデコherence研究を可能にする。

ABSTRACT

In this article, we will discuss a possibility of a symbiosis for attophysics (AP) and quantum information (QI) and quantum technologies (QT). We will argue that within few years AP will reach Technology Readiness Level (RTL) 4-5 in QT, and will thus become a legitimate platform for QI and QT.

研究の動機と目的

• 技術成熟度レベル4–5に達するまで、アトセカンド物理学を量子情報科学および量子技術分野の実用的プラットフォームとして確立すること。
• 超短パルスレーザー-物質相互作用を用いて、巨視的で頑丈かつ制御可能なもつれ量子状態を生成・検出する手法を開発すること。
• アトセカンドスケールの量子系におけるデコherenceの役割を調査し、それを量子センシングおよび計測技術に応用すること。
• 軌道的角運動量と非古典的光を用いて、トポロジカル秩序および量子相関を生成する可能性を検討すること。
• アトセカンド計測を用いて、強い相関系におけるキラリティ、トポロジー、強相関を統合的に研究するフレームワークを構築すること。

提案手法

• 高調波生成（HHG）を、特に光学シュレーディンガーの猫状態を生成するための非古典的・もつれ状態の光源として活用する。
• HHGや超過閾値イオン化に基づく事後選別などの条件付け手法を適用し、高光子数スーパポジション状態の準備と検証を行う。
• 理論的モデリングとWigner関数再構成を用いて、生成された状態の非古典的性質を定量化・可視化する。
• 高スペクトル分解能を有する光電子干渉計測法を用い、自己イオン化状態における角運動量および半径の自由度間のもつれを調べる。
• 軌道的角運動量（OAM）を有するレーザーパルスを用いて、量子系におけるトポロジカル秩序の設計および検出を実現する。
• 強力なレーザー-物質相互作用を完全に量子化した記述を統合し、原子および分子における量子相関ダイナミクスをモデル化・予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アトセカンド物理学を活用して、量子情報応用のための巨視的で頑丈かつ制御可能な量子もつれ状態を生成・制御することは可能か？
• RQ2 高調波生成は、強い相関を持つ量子物質におけるトポロジカル秩序および相転移を検出するための有効なツールとして機能するか？
• RQ3 アトセカンドスケールの量子系におけるデコherenceは果たす役割は何か？ また、これを量子センシングおよび計測技術に応用できるか？
• RQ4 光の軌道的角運動量（OAM）を用いて、原子および分子系におけるトポロジカル秩序を生成・検出することは可能か？
• RQ5 二重イオン化過程における電子のOAMにおけるもつれは測定可能か？ また、このような状態でベル不等式の破れが観測可能か？

主な発見

• 平均光子数⟨n⟩ ≈ 9.4 ± 0.1の光学シュレーディンガーの猫状態が実験的に再構成され、高精度な巨視的重ね合わせ状態の実現が実証された。
• 理論的および実験的Wigner関数再構成により、生成された状態の非古典的性質が確認され、量子重ね合わせを示す負の値が観測された。
• ヘリウムの2s2p自己イオン化状態を介した二光子イオン化において、角運動量および半径の自由度間のもつれが観測され、自己イオン化過程における動的コherency損失が生じた。
• 高調波生成が、強い相関系におけるトポロジカル秩序および相転移の検出に有効なプローブとして機能することが示された。
• HHGへの条件付けにより、高もつれ光子状態の生成が可能となり、巨視的重ね合わせを有する量子情報処理へのスケーラブルな道筋が得られた。
• 理論的モデリングにより、非古典的光を強場物理学に応用してもつれ状態を生成し、制御された方法でデコherence効果を研究することが可能であることが裏付けられた。