量子テクノロジーパズルゲーム —光周波数コムと超安定レーザーが可能にする第二の量子革命—

量子テクノロジーパズルゲーム　—光周波数コムと超安定レーザーが可能にする第二の量子革命—

2023年02月06日カテゴリ：Focus
サブジャンル：Focus 著者：Menlo Systems　Benjamin Sprenger，Patrizia Krok 連載シリーズ

3.　実現技術

図1　ストロンチウム格子時計（光学式）の真空容器内。（出典：ドイツ連邦物理工学研究所）

経験則上，測定精度は測定周波数に比例する。いわゆる「光時計」（図1）は，現在もSI秒を規定しているセシウム原子の超微細分裂という電波領域と比較して，より高いエネルギーを持つ原子遷移に依存する。光時計の遷移周波数は，数ギガヘルツではなく，数百テラヘルツのオーダーであり，マイクロ波領域とは対照的に，電磁スペクトルの可視または紫外線領域の放射が一般的であることを意味する。

これらの光周波数を直接カウントすることは技術的に不可能である。検出器などの電子部品はギガヘルツ帯に到達するが，数百テラヘルツ帯の放射は，従来の電子機器の能力をはるかに超えている。そこで，ギガヘルツ領域と光領域のギャップを埋めるのが，周波数コム^2）である。

図2　時間領域と周波数領域は，フーリエ変換を介してつながっている。（出典：メンローシステムズ）

周波数コムの基本はモードロックレーザーである。従来はチタンドープサファイアレーザーが使われていたが，現在はモードロックファイバーレーザーが主流となっている。このレーザーは，一定の間隔で光パルスを発振する。モードロックレーザーの光スペクトルを拡大すると，はっきりとした線が見える（図2）。

時間領域では，モードロックレーザーのパルス列は，2つの自由度によって定義される。レーザー共振器の長さは，共振器内のパルスが1往復するごとに，光パルスの一部がアウトカップリングミラーを通過することで決定される。光キャリア波とパルスの電界包絡線は，レーザー共振器内で分散を受ける。しかし，その結果生じる位相と群速度は同一ではないため，あるパルスから次のパルスへの光位相のわずかなシフトを引き起こす。これが，キャリア−エンベロープ−位相，またはキャリア−エンベロープ−オフセット（CEO）として知られる第二の自由度につながる。

周波数領域は，パルス列のスペクトル成分のこれら2つの自由度への依存性を示している。スペクトル線の間隔（「櫛」）は，繰り返し周波数に等しい。搬送波と包絡線（CEO）のオフセットは，周波数ゼロからの最初の虚数櫛形線の距離として現れる。従って，単純な櫛歯方程式f=n–f_rep+f_ceoは，1つの櫛歯の周波数を定義する。ここでfは櫛歯の周波数，nは整数（「櫛歯モード番号」），f_repは繰り返し周波数，f_ceoはCEO周波数とする。f_repとf_ceoはメガヘルツのオーダーであり，nは実験的に決定できる整数であるため，数百テラヘルツの光周波数は，市販の電子部品を用いて測定できる高周波成分に分解することが可能である。これらの自由度の測定と安定化技術により，2005年のノーベル物理学賞をTheodor W. Hänschが受賞した。

図3　ストロンチウム（Sr）原子の超微細遷移と698.4 nmの超長波クロック遷移（上段）。光クロック用の商用完全システムには，光周波数コムにスペクトル純度を転送する超安定レーザーと，同じくコムにロックされた他のすべてのレーザーが含まれている（下段）。（出典：メンローシステムズ）

光周波数コムは，量子パズルゲームの1つの要素である。冷たい原子実験などの量子応用において，もう1つの重要なコンポーネントは，超安定レーザーである。これらのレーザーは，原子の冷却，リパンピング，そして光時計に使用される原子やイオンの超長距離「クロック遷移」に対処するために必要である。量子力学と基礎物理学の法則によれば，特定の原子やイオンの遷移は明確に定義される。そのため，同じ種の2つの粒子は同一の性質を持ち，2つの特定の励起準位間のエネルギーの差が同一であることを意味する（図3上段）。しかし，これは環境条件が同一である場合にのみ当てはまることで，外部からの摂動が遷移エネルギーに影響を与えることがある。ゼロケルビン以上の温度では，粒子の機械的運動によって遷移エネルギースペクトルが広がり，ドップラー広がりと呼ばれる。そのため，粒子を冷却する必要がある。一方では，実験用に粒子を一定の場所に捕らえることができ，他方では，遷移を絞り込むことができる。

これらの遷移のスペクトル帯域幅は，典型的にはヘルツのオーダーか，それ以下である。周波数選択素子やリトローグレーティングなどの受動的安定化技術を用いた一般的なCWレーザーでは，数十キロヘルツ以上の線幅しか得られない。さらに，中心周波数は環境の影響を受けやすく，温度変化でドリフトする可能性がある。線幅の広さとドリフトの両方を解決する方法として，光共振器上でレーザーを安定化させる方法がある（図3下段）。

Pound-Drever-Hall法では，安定した光学高精度共振器を通過するレーザー光にサイドバンドを変調し，エラー信号を得ることができる。この信号は，広がり効果を打ち消すためにレーザーに戻される。共振器は，反射率が極めて高い（例：R>99.999％）一対のミラーで構成されている。その距離は，温度や振動などの環境変動に影響されないように設計されたスペーサーで定義される。共振器は，熱シールド，温度安定化，防音，防振台を備えた真空チャンバー内に設置され，その性能をさらに向上させる。これにより，レーザーの線幅を数十キロヘルツから1ヘルツ以下に狭め^3），近赤外領域の中心周波数で10^–15以上の安定性を実現する。秒単位の短い時間スケールでは，この安定度はすでにマイクロ波原子時計よりも高い。