本发明涉及原子的电子态分离器、原子干涉仪、原子跃迁频率测量装置、原子振荡器、光晶格钟、量子计算机以及原子的电子态叠加态的生成方法。本技术主张基于美国第63153434号临时专利申请和日本专利申请2021-116217的优先权。该申请的说明书通过引用整体并入本说明书。
背景技术：
：：1、作为高精度地测量原子跃迁频率的方法，已知有拉比分光和拉姆塞分光(例如，参照非专利文献1)。另外，在本说明书中，将包含原子、分子、离子的状态的跃迁称为“原子跃迁”。2、在这些分光法中，通过以脉冲的方式照射与原子相干的激发光(探测光)来激发原子。原子的跃迁概率根据探测光的频率敏锐地变化。因此，通过测量跃迁概率，能够高精度地观测跃迁频率。3、另外，还提出了将原子捕获至光晶格的晶格点附近，使其在原子移动路径上移动而进行输送的“移动光晶格”(例如，参照专利文献1)。4、现有技术文献5、专利文献6、专利文献1：国际公开wo2014/0276377、非专利文献：8、非专利文献1：f.riehle，“frequency standards:basics and applications”john wiley&sons(2006)，isbn:978-3-527-60595-8非专利文献2：g.santarelli，c.audoin，a.makdissi，p.laurent，g.j.dick，a.clairon，frequency stabilitydegradation of an oscillator slaved to a periodically interrogated atomicresonator，ieee trans.ultrason.ferroelectr.freq.control，45(1998)887-894.9、非专利文献3：a.v.taichenachev，v.i.yudin，c.w.oates，c.w.hoyt，z.w.barber，l.hollberg，magnetic field-induced spectroscopy of forbidden opticaltransitions with application to lattice-based optical atomic clocks，physicalreview letters，96(2006)083001.10、非专利文献4：t.kishimoto，h.hachisu，j.fujiki，k.nagato，m.yasuda，h.katori，electrodynamic trapping of spinless neutral atoms with an atom chip，physical review letters，96(2006)123001.11、非专利文献5：m.schioppo，r.c.brown，w.f.mcgrew，n.hinkley，r.j.fasano，k.beloy，t.h.yoon，g.milani，d.nicolodi，and j.sherman，“ultrastable optical clockwith two cold-atom ensembles”，nat.photon.11，48(2017)12、非专利文献6：w.bowden，a.vianello，i.r.hill，m.schioppo，and r.hobson，“improving the q factor of an optical atomic clock using quantumnondemolition measurement”，phys.rev.x 10，041052(2020)13、非专利文献7：s.dorscher，a.al-masoudi，m.bober，r.schwarz，r.hobson，u.sterr，and c.lisdat，“dynamical decoupling of laser phase noise in compoundatomic clocks”，commun.phys.3，1(2020)14、非专利文献8：m.takamoto，i.ushijima，n.ohmae，t.yahagi，k.kokado，h.shinkai，and h.katori，“test of general relativity by apair of transportableoptical lattice clocks”，nat.photon.(2020)技术实现思路1、发明要解决的课题2、在拉姆塞(ramsey)分光中，原子与激发光相互作用两次。此时，与激发光的相互作用在时间上或空间上的间隔越大，分光测量的测量精度越高。但是，在空间上隔开激发光的情况下，由于使光分割、反射的反射镜的机械稳定度的原因，激发光的相干性劣化。因此，为了提高精度，间隔越宽，越必须提高反射镜的机械稳定度。在这种情况下，难以维持相干性。另一方面，在时间上隔开激发光的情况下，反射镜的机械稳定度的问题得到解决。但是，另一方面，需要在时间上将拉姆塞分光和原子的状态检测分开。这种情况下，由于不能进行连续频率测量，因此不能对光的相位敏感进行稳定化处理。已知，由于极低温原子的生成和捕获以及状态检测所需要的时间对于拉姆塞分光而言为无用的时间，因此产生被称为dick极限的稳定度的极限(例如，参照非专利文献2)。这样，在使用拉比分光或拉姆塞分光的现有方式中，难以连续地进行高精度的频率测量。进而，为了提高测量精度，原子与激光的相互作用时间越长，对激光的频率稳定度的要求越高。在这样的激光的生成中，由于数10cm7长度的光谐振器的参照是不可缺少的，因此成为导致装置大型化的原因。即，在现有的分光方法中，难以用紧凑的装置进行高精度的原子跃迁频率测量。3、本发明是鉴于这样的课题而完成的，其目的在于使用紧凑的装置实现高精度的分光测量。4、用于解决课题的手段5、为了解决上述课题，本发明的一个方式的原子的电子态分离器包括：原子供给部、原子移动路径、探测激光光源和磁场生成部。原子供给部供给以一定速度在原子移动路径中移动的原子。探测激光光源向原子移动路径内供给与原子移动路径同轴地在与原子的运动方向相反或相同的方向上传播的探测激光。磁场生成部通过在原子移动路径上生成与原子移动路径正交的磁场并引起与容许电偶极子跃迁的电子态之间的波函数的混合，从而能够利用探测激光激发时钟跃迁。6、根据该方式，能够使用在时间和空间上同样的探测激光来实现任意的脉冲面积的激发。因此，能够实现可将原子的内部状态分支为任意的叠加态的原子的电子态分离器。该方式的原子的电子态分离器能够应用于原子跃迁频率测量装置、原子振荡器、光晶格钟、量子计算机等各种用途。7、在一个实施方式中，原子的电子态分离器可包括第一光晶格激光光源和第二光晶格激光光源。第一光晶格激光光源和第二光晶格激光光源通过供给在原子移动路径中相互反向行进的一对光晶格激光，形成由驻波构成的光晶格。一对光晶格激光中，各光晶格激光的频率相互频移。这样形成的光晶格成为沿原子移动路径移动的移动光晶格。移动光晶格沿着原子移动路径输送原子。8、在一个实施方式中，各光晶格激光可以被设定为不会产生时钟跃迁的斯塔克频移的魔法频率。9、在一个实施方式中，磁场可以是具有魔法频率的ac磁场(例如，具有与魔法频率匹配的激光的磁场分量的磁场)。10、本发明的另一方面提供一种原子干涉仪，设置有多个原子的电子态分离器。该原子干涉仪具有原子供给部、原子移动路径、探测激光光源、第一磁场生成部和第二磁场生成部。原子供给部供给以一定速度在原子移动路径中移动的原子。探测激光光源向原子移动路径内供给与原子移动路径同轴地在与原子的运动方向相反或相同的方向上传播的探测激光。第一磁场生成部和第二磁场生成部通过在原子移动路径中生成与原子移动路径正交且与探测光的电场平行的磁场，引起与容许电偶极子跃迁的电子态之间的波函数的混合，从而实现利用探测激光的激发。11、根据该方面，能够实现紧凑且高精度的原子干涉仪。12、在一个实施方式中，原子干涉仪具备检测用激光光源，该检测用激光光源供给用于对利用电子态分离器进行电子态操作后的原子的电子态进行投影测量的检测用激光，第一磁场生成部和第二磁场生成部可以配置为隔开相当于原子与探测激光的相互作用长度的间隔。此时，第一磁场生成部和第二磁场生成部也可以分别通过利用磁场与探测激光的组合对原子产生π/2的脉冲面积的激发，从而实现拉姆塞分光。13、在一个实施方式中，第一磁场生成部和第二磁场生成部可以无间隔地相互邻接配置。此时，第一磁场生成部及第二磁场生成部和探测激光分别对原子施加脉冲面积为π/2的脉冲，由此脉冲面积合计为π，实现拉比分光。14、本发明的另一方面提供一种原子跃迁频率测量装置。该装置包括原子供给部、原子移动路径、探测激光光源、第一磁场生成部、第二磁场生成部、检测用激光光源和检测器。原子供给部供给以一定速度在原子移动路径中移动的原子。探测激光光源向原子移动路径内供给与原子移动路径同轴地在与原子的运动方向相反或相同的方向传播上的探测激光。第一磁场生成部和第二磁场生成部配置为隔开相当于原子与探测激光的相互作用长度的间隔。第一磁场生成部和第二磁场生成部通过在原子移动路径中生成与原子移动路径正交且与探测光的电场平行的磁场，与容许电偶极子跃迁的电子态进行波函数混合，从而能够实现利用探测激光的激发。第一磁场生成部和第二磁场生成部分别通过利用磁场与探测激光的组合对原子产生具有π/2的脉冲面积的激发，从而实现拉姆塞分光。检测用激光光源供给用于对受到脉冲照射后的原子的电子态进行投影测量的检测用激光。检测器测量原子的与某个电子态的占据数成比例的荧光强度。15、根据该方面，能够实现紧凑且高精度的原子跃迁频率测量装置。16、在一个实施方式中，原子跃迁频率测量装置也可以在第一磁场生成部和第二磁场生成部的前段或后段具备拉比光谱测量用磁场生成部。第一磁场生成部与第二磁场生成部的间隔大于拉比光谱测量用磁场生成部的相互作用长度。17、在某些实施方式中，原子跃迁频率测量装置可以包括具有相互不同长度的多个“磁场生成部对”。18、在一个实施方式中，原子跃迁频率测量装置也可以在第一磁场生成部和第二磁场生成部的前段或后段具备拉比频谱测量用磁场生成部。此时，第一磁场生成部与第二磁场生成部的间隔大于拉比光谱测量用磁场生成部的相互作用长度。19、在一个实施方式中，原子移动路径可以是空芯光纤的波导。20、在一个实施方式中，原子可以通过移动光晶格沿着原子移动路径被输送。21、在一个实施方式中，捕获有原子的光晶格可以固定在原子移动路径中。此时，由“磁场生成部对”所生成的磁场在原子移动路径中移动。22、本发明的另一方面提供一种光晶格钟和原子振荡器。该光晶格钟和原子振荡器包括上述原子的电子态分离器、原子状态检测器和与其输出对应的频率控制电路。23、在一个实施方式中，光晶格钟和原子振荡器也可以包括多普勒频移补偿部，该多普勒频移补偿部包括环形谐振器、拍频检测器、第一dds(direct digital synthesizer，直接数字合成器)、第二dds、第三dds、第一光频调制器、第二光频调制器和第三光频调制器。24、根据该方面，能够实现紧凑且高精度的光晶格钟和原子振荡器。25、本发明的另一方面提供一种量子计算机。该量子计算机包括上述原子的电子态分离器。26、根据该方面，能够实现紧凑且大规模的量子计算机。27、本发明的另一方面提供一种使用原子的电子态分离器的原子的电子态叠加态的生成方法。原子的电子态分离器包括原子供给部、原子移动路径、探测激光光源和磁场生成部。该方法包括以下：利用原子供给部，供给以一定速度在原子移动路径中移动的原子；利用探测激光光源，向原子移动路径内供给与原子移动路径同轴地在与原子的运动相反或相同的方向上传播的探测激光；以及通过利用磁场生成部在原子移动路径中生成与原子移动路径正交的磁场，与容许电偶极子跃迁的电子态进行波函数混合，从而实现基于探测激光的激发。28、根据该方面，能够利用同样的探测激光实现任意的脉冲面积。因此，能够实现可将原子的内部状态分支为任意的叠加态的、原子的电子态。该方面的原子的电子态叠加态的生成方法能够应用于原子跃迁频率测量装置、原子振荡器、光晶格钟、量子计算机等各种用途。29、本发明的另一方面提供一种用于针对具有非零总角动量(f≠0)的原子的电子态分离器。该原子的电子态分离器具有原子供给部、原子移动路径、探测激光光源、磁场源和磁屏蔽件。原子供给部供给以一定速度在原子移动路径中移动的原子。磁屏蔽件配置为围绕原子移动路径。该磁屏蔽件在围绕部分的屏蔽区域内减少外部的磁场。探测激光光源向原子移动路径内供给与在屏蔽区域内发生塞曼频移的原子跃迁发生共振的探测激光。由此，能够在屏蔽位置激发原子。30、根据该方面，在原子的电子态分离器中，31、·能够通过一阶塞曼频移进行激发控制；32、·进行与正负的磁次能级(±m状态)对应的塞曼频移±f的测量，可通过取其平均进行一阶塞曼频移的补偿；33、·另外，能够根据一阶塞曼频移推算磁场，根据其结果进行二阶塞曼频移的补偿；34、·其结果，不需要磁场或驱动电源的校正；35、·与磁场感应型的方法相比，能够将二阶塞曼频移和光晶格光频移降低到1/1000左右。36、本发明的另一方面提供一种原子干涉仪。该原子干涉仪包括针对具有非零总角动量(f≠0)的原子的多个电子态分离器。即，该原子干涉仪具有原子供给部、原子移动路径、探测激光光源、磁场源、第一磁屏蔽件和第二磁屏蔽件。原子供给部供给以一定速度在原子移动路径上移动的原子。第一磁屏蔽件和第二磁屏蔽件被配置为围绕原子移动路径。第一磁屏蔽件和第二磁屏蔽件分别在围绕部分的第一屏蔽位置和第二屏蔽位置减少外部磁场。探测激光光源向原子移动路径内供给与在屏蔽区域内发生塞曼频移的原子跃迁发生共振的探测激光。由此，能够在第一屏蔽位置和第二屏蔽位置激发原子。37、根据该方面，在原子干涉仪中，38、·能够通过一阶塞曼频移进行激发控制；39、·进行与正负的磁次能级(±m状态)对应的塞曼频移±f的测量，可通过取其平均进行一阶塞曼频移的补偿；40、·另外，能够根据一阶塞曼频移推算磁场，根据其结果进行二阶塞曼频移的补偿；41、·与磁场感应型的方法相比，能够将二阶塞曼频移和光晶格光频移降低到1/1000左右。42、本发明的另一方面提供一种原子跃迁频率测量装置。该原子跃迁频率测量装置包括：原子供给部、原子移动路径、第一磁屏蔽件、第二磁屏蔽件、探测激光光源、磁场源、检测用激光光源和检测器。原子供给部供给以一定速度在原子移动路径中移动的原子。第一磁屏蔽件和第二磁屏蔽件配置为围绕原子移动路径。第一磁屏蔽件和第二磁屏蔽件分别在围绕部分的第一屏蔽位置和第二屏蔽位置减少外部的磁场。探测激光光源通过向原子移动路径内供给与在屏蔽区域内发生塞曼频移的原子跃迁共振的探测激光，从而在第一屏蔽位置和第二屏蔽位置激发该原子。第一磁屏蔽件和第二磁屏蔽件通过在第一屏蔽位置和第二屏蔽位置对原子产生具有π/2的脉冲面积的激发，从而实现拉姆塞分光。检测用激光光源供给用于对受到脉冲照射后的原子的电子态进行投影测量的检测用激光。检测器对与原子的电子态的占据数成比例的信号进行测量。43、根据该方式，在拉姆塞分光中，44、·能够通过一阶塞曼频移进行激发控制；45、·进行与正负的磁次能级(±m状态)对应的塞曼频移±f的测量，可通过取其平均进行一阶塞曼频移的补偿；46、·另外，能够根据一阶塞曼频移推算磁场，根据其结果进行二阶塞曼频移的补偿；47、·与磁场感应型的方法相比，能够将二阶塞曼频移和光晶格光频移降低到1/1000左右。48、再者，将上述组件的任意组合和本发明的表现在装置、方法、系统、记录介质、计算机程序等之间进行转换而获得的方案作为本发明的一个方面也是有效的。49、发明的效果50、根据本发明，能够使用紧凑的装置实现高精度的原子跃迁频率测量。当前第1页12当前第1页12