所属
総合研究院 量子航法研究センター 教授
職名
教授
外部リンク
コウヅマ ミキオ
上妻 幹旺
KOZUMA MIKIO
News & Topics
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単一原子分解能で観測する「光と原子で作られた人工結晶」―人工物質を使って高温超伝導体の謎に迫る―
2015/07/02
掲載言語： 日本語
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量子コンピューターの実現近づく: レーザー冷却された単一Yb原子中の核スピンを自在に制御することに成功
2013/09/02
掲載言語： 日本語
大学院理工学研究科物性物理学専攻上妻幹男教授らの研究グループは、単一のYb原子を、99.997%という驚異的な反射率をもつ二つの鏡の間にいれ、共振器QED効果を誘起することで、原子中の核スピンの状態を、高速かつ高効率で読み取ることに成功した。
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Quantum computing: Manipulating a single nuclear spin qubit of a laser cooled atom
2013/09/02
掲載言語： 英語
It is advantageous to implement a quantum bit (qubit) with a single nuclear spin because the nuclear spin is robust against any stray magnetic fields. This robustness can be attributed to the small magnitude of the magnetic moment of the nuclear spin compared with that of the electronic spin.
学位
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工学（博士） （ 東京工業大学 ）
研究分野
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自然科学一般 / 半導体、光物性、原子物理
学歴
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東京工業大学 大学院総合理工学研究科 電子システム専攻 博士課程
1994年4月 - 1997年3月
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東京工業大学 大学院総合理工学研究科 物理情報工学専攻 修士課程
1992年4月 - 1994年3月
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東京工業大学 理学部 応用物理学科
1989年4月 - 1992年3月
国名： 日本国
経歴
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東京科学大学 量子航法研究センター センター長
2024年10月 - 現在
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JST K Program 研究代表者
2024年4月 - 現在
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東京工業大学 科学技術創成研究院 教授
2021年4月 - 現在
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量子技術イノベーション拠点 量子センサ拠点 拠点長
2021年2月 - 現在
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JST 共創の場形成支援プログラム 政策重点分野 プロジェクトリーダー
2020年12月 - 現在
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JST 未来社会創造事業 大規模プロジェクト型 プログラムマネージャー
2017年11月 - 2024年3月
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東京工業大学 理学院 物理学系 教授
2013年2月 - 2021年3月
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東京工業大学 大学院理工学研究科 物性物理学専攻 准教授
2001年10月 - 2013年1月
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東京大学 大学院総合文化研究科 相関基礎科学系 物理
1998年5月 - 2001年9月
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米国国立標準技術研究所（NIST） 客員研究員
1997年5月 - 1998年5月
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日本学術振興会 特別研究員 PD
1997年4月 - 1998年5月
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日本学術振興会 特別研究員（DC1）
1994年4月 - 1997年3月
所属学協会
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日本応用物理学会
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日本物理学会
論文
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Sensitivity Enhancement in Atom-Interferometer Gyroscopes via Phase-Modulation Signal Readout Scheme
Sotatsu Otabe, Naoki Kaku, Tomoya Sato, Martin Miranda, Takuya Kawasaki, Mikio Kozuma
arXiv 2025年6月
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Sub-Recoil Transverse Momentum Width in a Cold Ytterbium Atomic Beam
Toshiyuki Hosoya, Tomoya Sato, Ryotaro Inoue, Mikio Kozuma
arXiv 2025年5月
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Tomoya Sato, Naoki Nishimura, Naoki Kaku, Sotatsu Otabe, Takuya Kawasaki, Toshiyuki Hosoya, Mikio Kozuma
Physical Review Applied 23 ( 4 ) 2025年4月
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Observation of the Einstein-de Haas Effect in a Bose-Einstein condensate
Hiroki Matsui, Yuki Miyazawa, Ryoto Goto, Chihiro Nakano, Yuki Kawaguchi, Masahito Ueda, Mikio Kozuma
arXiv 2025年4月
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Analyzing the sensitivity of an atom interferometer with a phase-modulation readout scheme 査読
Takuya Kawasaki, Sotatsu Otabe, Tomoya Sato, Martin Miranda, Nobuyuki Takei, Mikio Kozuma
Physical Review A 111 ( 1 ) 013302-1 - 013302-9 2025年1月
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Multi-Harmonic Modulation in a Fiber-Optic Gyroscope 査読
Martin Miranda, Nobuyuki Takei, Yuki Miyazawa, Mikio Kozuma
Sensors 23 ( 9 ) 4442 - 4442 2023年5月
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Nobuyuki Takei, Martin Miranda, Yuki Miyazawa, Mikio Kozuma
IEEE Sensors Journal 23 ( 3 ) 2249 - 2254 2023年2月
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Bose-Einstein Condensation of Europium 査読
Yuki Miyazawa, Ryotaro Inoue, Hiroki Matsui, Gyohei Nomura, Mikio Kozuma
Physical Review Letters 129 ( 22 ) 2022年11月
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Understanding one-body losses in magnetically trapped metastable europium atoms 査読
Hiroki Matsui, Yuki Miyazawa, Ryotaro Inoue, Mikio Kozuma
Optics Communications 502 127408 - 127408 2022年1月
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Narrow-line magneto-optical trap for europium 査読
Yuki Miyazawa, Ryotaro Inoue, Hiroki Matsui, Kenta Takanashi, Mikio Kozuma
Physical Review A 103 ( 5 ) 2021年5月
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Toshiyuki Hosoya, Ryotaro Inoue, Mikio Kozuma
2021年4月
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Magneto-optical trapping of optically pumped metastable europium 査読
Ryotaro Inoue, Yuki Miyazawa, Mikio Kozuma
Physical Review A 97 ( 6 ) 2018年6月
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Site-resolved imaging of a bosonic Mott insulator using ytterbium atoms 査読
Martin Miranda, Ryotaro Inoue, Naoki Tambo, Mikio Kozuma
Physical Review A 96 ( 4 ) 2017年10月
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Measuring the branching ratios from they8P9/2state to metastable states in europium 査読
Yuki Miyazawa, Ryotaro Inoue, Keiji Nishida, Toshiyuki Hosoya, Mikio Kozuma
Optics Communications 392 171 - 174 2017年6月
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Injection locking of a high power ultraviolet laser diode for laser cooling of ytterbium atoms 査読
Toshiyuki Hosoya, Martin Miranda, Ryotaro Inoue, Mikio Kozuma
Review of Scientific Instruments 86 ( 7 ) 073110 - 073110 2015年7月
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Site-resolved imaging of ytterbium atoms in a two-dimensional optical lattice 査読
Martin Miranda, Ryotaro Inoue, Yuki Okuyama, Akimasa Nakamoto, Mikio Kozuma
Physical Review A 91 ( 6 ) 2015年6月
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23pAG-6 Yb原子量子気体顕微鏡の実現
Martin Miranda, 井上 遼太郎, 中本 顕正, 奥山 勇貴, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 70 703 - 703 2015年
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All-optical transport and compression of ytterbium atoms into the surface of a solid immersion lens 査読
M. Miranda, A. Nakamoto, Y. Okuyama, A. Noguchi, M. Ueda, M. Kozuma
Physical Review A 86 ( 6 ) 2012年12月
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Quantum-state tomography of a single nuclear spin qubit of an optically manipulated ytterbium atom 査読
Atsushi Noguchi, Yujiro Eto, Masahito Ueda, Mikio Kozuma
PHYSICAL REVIEW A 84 ( 3 ) 2011年9月
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Projective Measurement of a Single Nuclear Spin Qubit by Using Two-Mode Cavity QED 査読
Yujiro Eto, Atsushi Noguchi, Peng Zhang, Masahito Ueda, Mikio Kozuma
Physical Review Letters 106 ( 16 ) 2011年4月
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Single-nuclear-spin cavity QED 査読
Makoto Takeuchi, Nobuyuki Takei, Kodai Doi, Peng Zhang, Masahito Ueda, Mikio Kozuma
Physical Review A 81 ( 6 ) 2010年6月
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Faraday rotation with a single-nuclear-spin qubit in a high-finesse optical cavity 査読
Nobuyuki Takei, Makoto Takeuchi, Yujiro Eto, Atsushi Noguchi, Peng Zhang, Masahito Ueda, Mikio Kozuma
Physical Review A 81 ( 4 ) 2010年4月
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Quantum memory of a squeezed vacuum for arbitrary frequency sidebands 査読
Manabu Arikawa, Kazuhito Honda, Daisuke Akamatsu, Satoshi Nagatsuka, Keiichirou Akiba, Akira Furusawa, Mikio Kozuma
Physical Review A 81 ( 2 ) 2010年2月
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R. Inoue, T. Yonehara, Y. Miyamoto, M. Koashi, M. Kozuma
Physical Review Letters 103 ( 11 ) 2009年9月
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Storage and retrieval of nonclassical photon pairs and conditional single photons generated by the parametric down-conversion process 査読
K Akiba, K Kashiwagi, M Arikawa, M Kozuma
New Journal of Physics 11 ( 1 ) 013049 - 013049 2009年1月
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Storage and Retrieval of a Squeezed Vacuum 査読
Kazuhito Honda, Daisuke Akamatsu, Manabu Arikawa, Yoshihiko Yokoi, Keiichirou Akiba, Satoshi Nagatsuka, Takahito Tanimura, Akira Furusawa, Mikio Kozuma
Physical Review Letters 100 ( 9 ) 2008年3月
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Observation of a Topological and Parity-Dependent Phase ofm=0Spin States 査読
Koji Usami, Mikio Kozuma
Physical Review Letters 99 ( 14 ) 2007年10月
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Frequency-filtered storage of parametric fluorescence with electromagnetically induced transparency 査読
K. Akiba, K. Kashiwagi, T. Yonehara, M. Kozuma
Physical Review A 76 ( 2 ) 2007年8月
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Estimation of three-dimensional entanglement between an atomic ensemble and a Photon
R. Inoue, T. Yonehara, Y. Miyamoto, M. Koashi, M. Kozuma
Optics InfoBase Conference Papers 2007年
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Ultraslow propagation of squeezed vacuum pulses with electromagnetically induced transparency 査読
Akamatsu Daisuke, Yokoi Yoshihiko, Arikawa Manabu, Nagatsuka Satoshi, Tanimura Takahito, Furusawa Akira, Kozuma Mikio
Physical Review Letters 99 ( 15 ) 2007年
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Propagation of squeezed vacuum pulses inside a cold atomic ensemble with electromagnetically induced transparency
Kazuhito Honda, Daisuke Akamatsu, Manabu Arikawa, Yoshihiko Yokoi, Keiichirou Akiba, Satoshi Nagatsuka, Akira Furusawa, Mikio Kozuma
Optics InfoBase Conference Papers 2007年
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M. Arikawa, K. Honda, D. Akamatsu, Y. Yokoil, K. Akiba, S. Nagatsuka, A. Furusawa, M. Kozuma
Optics Express 15 ( 19 ) 11849 - 11849 2007年
-
Entanglement of orbital angular momentum states between an ensemble of cold atoms and a photon 査読
R. Inoue, N. Kanai, T. Yonehara, Y. Miyamoto, M. Koashi, M. Kozuma
Physical Review A 74 ( 5 ) 2006年11月
-
How to measure the quantum state of collective atomic spin excitation 査読
Koji Usami, Jun-ichi Takahashi, Mikio Kozuma
Physical Review A 74 ( 4 ) 2006年10月
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Generation of a squeezed vacuum resonant on a rubidium D-1 line with periodically poled KTiOPO4 査読
Tanimura Takahito, Akamatsu Daisuke, Yokoi Yoshihiko, Furusawa Akira, Kozuma Mikio
Optics Letters 31 ( 15 ) 2344 - 2346 2006年
-
Frequency-filtered parametric fluorescence interacting with an atomic ensemble 査読
Akiba K, Akamatsu D, Kozuma M
Optics Communications 259 ( 2 ) 789 - 792 2006年
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Quantum information processing and quantum memory: Experimental approach from atomic physics 査読
Mikio Kozuma, Daisuke Akamatsu, Keiichirou Akiba, Takahito Tanimura, Yoshihiko Yokoi
IQEC, International Quantum Electronics Conference Proceedings 2005 1194 - 1195 2005年
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Electromagnetically induced transparency with squeezed vacuum 査読
Akamatsu D, Akiba K, Kozuma M
Physical Review Letters 92 ( 20 ) 2004年
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Coherent transfer of orbital angular momentum from an atomic system to a light field 査読
Akamatsu D, Kozuma M
Physical Review a 67 ( 2 ) 2003年
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Control of Light Pulse Propagation with Only a Few Cold Atoms in a High-Finesse Microcavity 査読
Yukiko Shimizu, Noritsugu Shiokawa, Noriaki Yamamoto, Mikio Kozuma, Takahiro Kuga, L. Deng, E. W. Hagley
Physical Review Letters 89 ( 23 ) 2002年11月
-
M. Kozuma, D. Akamatsu, L. Deng, E. W. Hagley, M. G. Payne
Physical Review A 66 ( 3 ) 2002年9月
-
Achieving very-low-loss group velocity reduction without electromagnetically induced transparency 査読
L. Deng, E. W. Hagley, M. Kozuma, D. Akamatsu, M. G. Payne
Applied Physics Letters 81 ( 7 ) 1168 - 1170 2002年8月
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Optical-wave group-velocity reduction without electromagnetically induced transparency 査読
DENG L.
Phys. Rev. A 65 ( 5 ) 2002年5月
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Opening Optical Four-Wave Mixing Channels with Giant Enhancement Using Ultraslow Pump Waves 査読
L. Deng, M. Kozuma, E. W. Hagley, M. G. Payne
Physical Review Letters 88 ( 14 ) 2002年3月
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Mach-Zehnder Bragg interferometer for a Bose-Einstein condensate 査読
Yoshio Torii, Yoichi Suzuki, Mikio Kozuma, Toshiaki Sugiura, Takahiro Kuga, Lu Deng, E. W. Hagley
Physical Review A 61 ( 4 ) 2000年2月
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Coherence properties of an atom laser 査読
Marek Trippenbach, Y B Band, Mark Edwards, Marya Doery, P S Julienne, E W Hagley, L Deng, M Kozuma, K Helmerson, S L Rolston, W D Phillips
Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 33 ( 1 ) 47 - 54 2000年1月
-
Real-time detection of single atoms with transverse mode of high-finesse optical micro cavity
N. Shiokawa, Y. Shimizu, N. Yamamoto, T. Noguchi, M. Kozuma, T. Kuga
IQEC, International Quantum Electronics Conference Proceedings 176 2000年
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Phase-Coherent Amplification of Matter Waves 査読
Mikio Kozuma, Yoichi Suzuki, Yoshio Torii, Toshiaki Sugiura, Takahiro Kuga, E. W. Hagley, L. Deng
Science 286 ( 5448 ) 2309 - 2312 1999年12月
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Measurement of the Coherence of a Bose-Einstein Condensate 査読
E. W. Hagley, L. Deng, M. Kozuma, M. Trippenbach, Y. B. Band, M. Edwards, M, Doery, P. S. Julienne, K. Helmerson, S. L. Rolston, W. D. Phillips
Physical Review Letters 83 ( 16 ) 3112 - 3115 1999年10月
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A Well-Collimated Quasi-Continuous Atom Laser 査読
E. W. Hagley, L. Deng, M. Kozuma, J. Wen, K. Helmerson, S. L. Rolston, W. D. Phillips
Science 283 ( 5408 ) 1706 - 1709 1999年3月
-
Coherent Splitting of Bose-Einstein Condensed Atoms with Optically Induced Bragg Diffraction 査読
M. Kozuma, L. Deng, E. W. Hagley, J. Wen, R. Lutwak, K. Helmerson, S. L. Rolston, W. D. Phillips
Physical Review Letters 82 ( 5 ) 871 - 875 1999年2月
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Atom wave interferometer for a Bose-Einstein condensate with Bragg diffraction
Y. Torii, Y. Suzuki, T. Sugiura, M. Kozuma, T. Kuga, E. W. Hagley, L. Deng
IQEC, International Quantum Electronics Conference Proceedings 314 - 315 1999年
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宅間 宏, 小林 孝嘉, 関川 太郎, 玉木 裕介, 西山 伸彦, 吉村 政志, 平野 嘉仁, 五神 真, 上妻 幹男, 鳥井 寿夫, 板谷 太郎
レーザー研究 27 ( 8 ) 553 - 571 1999年
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NAYUKI Takuya, FUJII Takashi, NEMOTO Koshichi, KOZUMA Mikio, KOUROGI Motonobu, OHTSU Motoichi
Optical review 5 ( 5 ) 267 - 270 1998年9月
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Phase change of a probe due to oscillation of cold atoms in an optical standing wave 査読
M. Kozuma, K. Nakagawa, W. Jhe, M. Ohtsu
Physical Review A 57 ( 1 ) R24 - R27 1998年1月
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ZVYAGIN A. V.
Appl. Phys. Lett. 71 ( 17 ) 2541 - 2543 1997年10月
-
Observation of temporal behavior of an atomic wave packet localized in an optical potential - Reply 査読
M Kozuma, K Nakagawa, W Jhe, M Ohtsu
PHYSICAL REVIEW LETTERS 78 ( 13 ) 2677 - 2677 1997年3月
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Accurate Frequency Control of External-Cavity Laser Diode by Sideband Locking Technique 査読
Fujii Takashi, Nayuki Takuya, Nemoto Koshichi, Kozuma Mikio, Kourogi Motonobu, Ohtsu Motoichi
Japanese journal of applied physics. Pt. 1, Regular papers & short notes 35 ( Part 1, No. 12A ) 6090 - 6094 1996年12月
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Observation of Temporal Behavior of an Atomic Wave Packet Localized in an Optical Potential 査読
M. Kozuma, K. Nakagawa, W. Jhe, M. Ohtsu
Physical Review Letters 76 ( 14 ) 2428 - 2431 1996年4月
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M. Kozuma, Y. Imai, K. Nakagawa, M. Ohtsu
Physical Review A 52 ( 5 ) R3421 - R3424 1995年11月
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OBSERVATION OF A TRANSIENT-RESPONSE OF RECOIL-INDUCED RESONANCE - A METHOD FOR THE MEASUREMENT OF ATOMIC MOTION IN AN OPTICAL STANDING-WAVE
M KOZUMA, Y IMAI, K NAKAGAWA, M OHTSU
PHYSICAL REVIEW A 52 ( 5 ) R3421 - R3424 1995年11月
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M. Kozuma, M. Kourogi, M. Ohtsu, H. Hori
Applied Physics Letters 61 ( 16 ) 1895 - 1897 1992年10月
MISC
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28pCF-10 注入同期を用いた270mW出力紫外半導体レーザー光源の開発(28pCF 量子エレクトロニクス(量子縮退原子(実験)),領域1(原子分子・量子エレクトロニクス・放射線))
細谷 俊之, Martin Miranda, 井上 遼太郎, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 69 ( 1 ) 195 - 195 2014年3月
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28pCF-11 Yb量子原子気体顕微鏡の実現に向けた二次元光格子形成のための光源開発(28pCF 量子エレクトロニクス(量子縮退原子(実験)),領域1(原子分子・量子エレクトロニクス・放射線))
奥山 勇貴, Martin Miranda, 井上 遼太郎, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 69 ( 1 ) 196 - 196 2014年3月
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27aEE-12 全光学的手法を用いたSIL直下におけるYb2次元量子縮退ガスの生成(27aEE 量子エレクトロニクス(レーザー冷却,分光),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))
Miranda Martin, 中本 顕正, 奥山 勇貴, 野口 篤史, 上田 正仁, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 68 ( 1 ) 213 - 213 2013年3月
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26pSA-3 半球レンズを用いた蛍光顕微鏡の分解能評価(26pSA 量子エレクトロニクス(冷却原子(量子情報・光格子中の原子)),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))
奥山 勇貴, Martin Miranda, 中本 顕正, 尾野 仁深, 上田 正仁, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 67 ( 1 ) 221 - 221 2012年3月
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26pSA-2 光アコーディオンを用いた冷却Yb原子集団の空間圧縮(26pSA 量子エレクトロニクス(冷却原子(量子情報・光格子中の原子)),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))
Miranda Martin, 中本 顕正, 奥山 勇貴, 尾野 仁深, 野口 篤史, 上田 正仁, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 67 ( 1 ) 221 - 221 2012年3月
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26pSA-4 量子原子気体顕微鏡のための空間位相変調器を用いた光ポテンシャル生成(26pSA 量子エレクトロニクス(冷却原子(量子情報・光格子中の原子)),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))
尾野 仁深, 中本 顕正, Martin Miranda, 奥山 勇貴, 上田 正仁, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 67 ( 1 ) 221 - 221 2012年3月
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26pSA-6 3次元青方離調光格子トラップ中冷却Rb原子の長時間歳差運動観測(26pSA 量子エレクトロニクス(冷却原子(量子情報・光格子中の原子)),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))
本多 和仁, 奥山 勇貴, 尾野 仁深, 長岡 彰平, 中田 正博, 山本 雄樹, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 67 ( 1 ) 222 - 222 2012年3月
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28aSD-5 真空スクイーズド状態に対する2色電磁誘起透明化の観測(28aSD 量子エレクトロニクス(量子情報・イオントラップ),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))
有川 学, 本多 和仁, 赤松 大輔, 永塚 哲史, 古澤 明, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 64 ( 1 ) 149 - 149 2009年3月
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25pQD-16 電磁誘起透明化を用いた条件付き単一光子状態の保存と再生(量子エレクトロニクス(量子縮退気体(実験),原子の冷却・トラップ),領域1,原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理)
秋葉 圭一郎, 柏木 孝介, 有川 学, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 63 ( 1 ) 189 - 189 2008年2月
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26aQD-5 電磁誘起透明化を用いた真空スクイーズド光の保存・再生II(量子エレクトロニクス(原子の冷却・トラップ,イオントラップ),領域1,原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理)
本多 和仁, 有川 学, 永塚 哲史, 秋葉 圭一郎, 古澤 明, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 63 ( 1 ) 196 - 196 2008年2月
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22pRH-6 時間領域ホモダイン測定による真空スクイーズド状態の電磁誘起透明化の観測(量子エレクトロニクス(若手奨励賞記念講演,量子干渉),領域1,原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理)
有川 学, 本多 和仁, 赤松 大輔, 横井 芳彦, 秋葉 圭一郎, 永塚 哲史, 古澤 明, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 62 ( 2 ) 179 - 179 2007年8月
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22pRH-11 電磁誘起透明化を用いた真空スクイーズド光の保存・再生(量子エレクトロニクス(若手奨励賞記念講演,量子干渉),領域1,原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理)
本多 和仁, 赤松 大輔, 有川 学, 横井 芳彦, 秋葉 圭一郎, 永塚 哲史, 古澤 明, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 62 ( 2 ) 181 - 181 2007年8月
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23pRH-4 量子メモリに向けたパラメトリック蛍光の評価(量子エレクトロニクス(量子光学),領域1,原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理)
柏木 孝介, 秋葉 圭一郎, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 62 ( 2 ) 191 - 191 2007年8月
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21aXK-9 単一光子状態の保存再生に向けたパラメトリック蛍光の周波数狭窄化(量子エレクトロニクス(量子光学),領域1,原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理)
柏木 孝介, 秋葉 圭一郎, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 62 ( 1 ) 171 - 171 2007年2月
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21aXK-8 電磁誘起透明化を利用した真空スクイーズド状態の保存と再生(量子エレクトロニクス(量子光学),領域1,原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理)
赤松 大輔, 横井 芳彦, 古沢 明, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 62 ( 1 ) 170 - 170 2007年2月
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21aXK-7 ルビジウム原子に共鳴する高レベルスクイーズド光の生成(量子エレクトロニクス(量子光学),領域1,原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理)
横井 芳彦, 赤松 大輔, 古澤 明, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 62 ( 1 ) 170 - 170 2007年2月
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30aSA-5 PPKTP結晶を用いたRb D_1線における真空スクイーズド状態の発生(30aSA 量子エレクトロニクス(量子光学),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))
谷村 崇仁, 赤松 大輔, 横井 芳彦, 古澤 明, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 61 ( 1 ) 178 - 178 2006年3月
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30aSA-4 周波数縮退真空スクイーズド状態による電磁誘起透明化の観察II(30aSA 量子エレクトロニクス(量子光学),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))
赤松 大輔, 横井 芳彦, 谷村 崇仁, 秋葉 圭一郎, 古澤 明, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 61 ( 1 ) 177 - 177 2006年3月
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20aWA-7 周波数縮退真空スクイーズド状態による電磁誘起透明化の観察(量子エレクトロニクス,領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))
赤松 大輔, 横井 芳彦, 谷村 崇仁, 秋葉郎 圭一, 古沢 明, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 60 ( 2 ) 60 - 60 2005年8月
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20aWA-6 ルビジウム原子の超微細構造を用いた電磁誘起透明化の評価(量子エレクトロニクス,領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))
横井 芳彦, 赤松 大輔, 谷村 崇仁, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 60 ( 2 ) 59 - 59 2005年8月
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20aWA-9 原子線幅以下までのパラメトリック蛍光の周波数狭窄化(量子エレクトロニクス,領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))
秋葉 圭一郎, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 60 ( 2 ) 60 - 60 2005年8月
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20aWA-8 PPKTP結晶を用いたRb D1線におけるスクイーズド状態発生実験の進展、およびEITを用いた保存再生機構の改良について(量子エレクトロニクス,領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))
谷村 崇仁, 赤松 大輔, 横井 芳彦, 古澤 明, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 60 ( 2 ) 60 - 60 2005年8月
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21pWA-15 対称集団励起とスピン自由度とを利用した量子テレポーテーションの提案(量子エレクトロニクス(量子光学),領域1(原子・分子,量子エレクトロニクス,放射線物理))
井上 遼太郎, 金井 紀文, 秋葉 圭一郎, 小芦 雅斗, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 60 ( 2 ) 78 - 78 2005年8月
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14pTF-2 LBO-ダブラーおよび PPLN を組み合わせたスクイーシング・レベルの改善(量子エレクトロニクス : 量子光学, 領域 1)
谷村 崇仁, 赤松 大輔, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 59 ( 2 ) 125 - 125 2004年8月
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14pTF-9 原子アンサンブルを用いた条件付き単一光子の遅延の実現(量子エレクトロニクス : 量子光学, 領域 1)
秋葉 圭一郎, 赤松 大輔, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 59 ( 2 ) 126 - 126 2004年8月
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14pTF-3 電磁誘起透明化を用いた真空スクイーズド状態の超低速度伝播の実現 II(量子エレクトロニクス : 量子光学, 領域 1)
赤松 大輔, 谷村 崇仁, 秋葉 圭一郎, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 59 ( 2 ) 125 - 125 2004年8月
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29pXG-17 原子スピンコヒーレンスを用いた光子間における非古典的相関の操作(量子エレクトロニクス(量子光学))(領域1)
秋葉 圭一郎, 赤松 大輔, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 59 ( 1 ) 188 - 188 2004年3月
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29pXG-16 電磁誘起透明化を用いた真空スクイーズド状態の超低速度伝搬の実現(量子エレクトロニクス(量子光学))(領域1)
赤松 大輔, 谷村 崇仁, 秋葉 圭一郎, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 59 ( 1 ) 188 - 188 2004年3月
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21pTF-10 導波路型 PPLN 素子を用いたスクイーズド光の発生
秋葉 圭一郎, 赤松 大輔, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 58 ( 2 ) 126 - 126 2003年8月
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23aTF-6 共振器中の極低温原子集団を用いた高透過率超低速度光伝搬
金井 紀文, 西周 慶久, 赤松 大輔, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 58 ( 2 ) 146 - 146 2003年8月
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29aYA-10 原子ガスを用いた光凍結過程における光子統計の評価
赤松 大輔, 上妻 幹旺
日本物理学会講演概要集 58 ( 1 ) 168 - 168 2003年3月
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7pXF-15 ACシュタルクシフトを用いた凍結された光の軌道角運動量操作の実現(量子エレクトロニクス,領域1)
赤松 大輔, 上妻 幹男
日本物理学会講演概要集 57 ( 2 ) 118 - 118 2002年8月
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7pXF-16 冷却原子内を超低速伝搬する光の量子統計の評価(量子エレクトロニクス,領域1)
赤松 大輔, 上妻 幹男
日本物理学会講演概要集 57 ( 2 ) 118 - 118 2002年8月
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29pYN-9 少数個の冷却原子による超光速光伝播の実現
清水 祐公子, 山元 規彰, 塩川 教次, 上妻 幹男, 久我 隆弘, Hagley E.W., Deng L.
日本物理学会講演概要集 56 ( 1 ) 126 - 126 2001年3月
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25aC-4 High Q光微小共振器による単一中性原子検出の実現
塩川 教次, 清水 祐公子, 山元 規彰, 野口 達夫, 上妻 幹男, 久我 隆弘
日本物理学会講演概要集 55 ( 1 ) 119 - 119 2000年3月
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23pC-1 光ファイバー内ツインビームの強度相関測定とその応用
佐中 薫, 上妻 幹男, 久我 隆弘
日本物理学会講演概要集 55 ( 1 ) 93 - 93 2000年3月
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27a-YQ-10 光導波路型非線形素子による二光子相関現象I
佐中 薫, 上妻 幹男, 久我 隆弘
日本物理学会講演概要集 53 ( 2 ) 341 - 341 1998年9月
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25p-YQ-8 共鳴Bragg散乱を用いた中性原子の反跳限界温度以下への冷却
杉浦 俊昭, 塩川 教次, 上妻 幹男, 久我 隆弘
日本物理学会講演概要集 53 ( 2 ) 332 - 332 1998年9月
講演・口頭発表等
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冷却原子の量子慣性センサへの展開 招待
上妻 幹旺
量子フォーラムシンポジウム 「冷却原子が拓く量子技術の最前線」 2024年11月
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Towards next-generation inertial navigation using atom interferometer gyroscope 招待 国際会議
Tomoya Sato, Mikio Kozuma
The 14th Japan-US Joint Seminar on Quantum Electronics and Laser Spectroscopy 2024年9月
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超精密自己位置推定 招待
上妻 幹旺
Science Tokyo 設立記念総合研究院キックオフシンポジウム ー知の融合が生む新たな可能性ー 2024年4月
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Einstein-de Haas effect in europium Bose-Einstein condensate 招待 国際会議
Hiroki Matsui, Yuki Miyazawa, Mikio Kozuma
Ultracold Atoms Japan 2024 2024年4月
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Bose-Einstein Condensate of europium 招待 国際会議
Yuki Miyazawa, Hiroki Matsui, Mikio Kozuma
Ultracold Atoms Japan 2024 2024年4月
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Thermal atomic beam gyroscope using phase modulation scheme 国際会議
Naoki Kaku, Mikio Kozuma
The 28th International Conference on Atomic Physics（ICAP2024） 2024年7月
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Observation of the Einstein-de Haas effect in europium Bose-Einstein condensate 国際会議
Hiroki Matsui, Mikio Kozuma
The 28th International Conference on Atomic Physics（ICAP2024） 2024年7月
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Closed-loop atom interferometer gyroscope with velocity-dependent phase dispersion compensation 国際会議
Tomoya Sato, Mikio Kozuma
The 28th International Conference on Atomic Physics (ICAP2024) 2024年7月
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量子航法研究センターの活動について 招待
上妻 幹旺
一般社団法人 量子フォーラム主催 量子計測・センシング分野の動向俯瞰シンポジウム 2024年6月
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Bragg interferometer using cold ytterbium atomic beam with sub-recoil momentum width 国際会議
Toshiyuki Hosoya, Mikio Kozuma
The 28th International Conference on Atomic Physics（ICAP2024） 2024年7月
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Eu の BEC を用いた Einstein-de Haas 効果の観測
松井宏樹, 後藤稜斗, 中野ちひろ, 宮澤裕貴, 上妻幹旺
2024年9月
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Eu の BEC を用いた spinor dipolar BEC における基底状態量子相の探索
後藤稜斗, 松井宏樹, 宮澤裕貴, 上妻幹旺
日本物理学会第79回年次大会 2024年7月
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横方向運動量幅を光反跳以下に抑圧した冷却Yb原子ビームを用いた Bragg 干渉計
細谷俊之, 佐藤智哉, 井上遼太郎, 吉良敦史, 上妻幹旺
日本物理学会第79回年次大会 2024年9月
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原子干渉計型ジャイロスコープにおける位相変調方式の実証
小田部荘達, 賀来直紀, 佐藤智哉, 川﨑拓也, 西村尚輝, 細谷俊之, 上妻幹旺
日本物理学会第79回年次大会 2024年9月
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クローズドループ型原子干渉ジャイロスコープ
佐藤智哉, 西村尚輝, 賀来直紀, 小田部荘達, 川﨑拓也, 細谷俊之, 上妻幹旺
日本物理学会第79回年次大会 2024年9月
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Ba を用いた磁場耐性の高い原子干渉計の開発
田中耕大, 細谷俊之, 佐藤智哉, 中野ちひろ, 吉良敦史, 上妻幹旺
日本物理学会第79回年次大会 2024年9月
共同研究・競争的資金等の研究課題
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2024年4月 - 2034年3月
科学技術振興機構 経済安全保障重要技術育成プログラム
上妻 幹旺
担当区分：研究代表者
慣性航法の要素技術となるジャイロスコープ、加速度計、重力勾配計について、自らの先行研究成果を生かした開発を進めます。慣性航法では加速度、角速度といった「ベクトル」の超精密測定が求められますが、この課題に対しHardware In the Loop Simulation(HILS)に代表されるModel Based Systems Engineering(MBSE)を駆使した研究を進めます。
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2020年12月 - 2030年3月
科学技術振興機構 共創の場形成支援プログラム(COI-NEXT) 政策重点分野
上妻 幹旺
担当区分：研究代表者
GPSに代表される衛星航法の登場により、船舶、民航機、そして地上のあらゆる交通システムの安定な運航が実現された。その一方で地中、水中といった電波の届かない領域での航法精度は、その要求に反し地表面上のそれに遠く及ばない。また地上であってもGPS妨害や欺瞞など国民の安全・安心に直結する問題が生じている。本拠点は、航法を支える各種センサーや時計について、古典から量子に至るあらゆる最先端技術を開発・融合し、海中や外宇宙にまで人類の活動空間を拡げる革新的航法技術の開拓を狙う。さらにそのような最先端航法科学技術を駆使し地球内部を診断することで、防災・減災へ役立てるなど、航法科学の新たな応用先を開拓する。
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2017年11月 - 2024年3月
科学技術振興機構 戦略的な研究開発の推進 未来社会創造事業 大規模プロジェクト型
上妻 幹旺
担当区分：研究代表者
ジャイロスコープの性能は、定角速度下における出力のアラン偏差で評価できる。最高性能を有する 光干渉型リングレーザージャイロに比べ、アラン偏差を2桁程度低減することができれば、「自動運転 車の多重安全性確保」、「海洋資源探索の効率化」、「自動運転船舶を用いた物流における安全 性確保」などが期待できる。本研究では、光波のかわりに、原子やイオンが有するド・ブロイ波を用い て干渉計を構築することでアラン偏差を飛躍的に低減するとともに、原子波ジャイロスコープを用いた 高性能自己位置推定機器の実証機を試作する。原子波ジャイロスコープを実験室環境下で原理 実証することはもとより、これを振動や加速を伴う実使用環境下でも機能するセンサーとして実装し、 さらに小型化技術を醸成することで、様々なビークルへの搭載を可能にする。ジャイロスコープの性能 が桁で向上すると、重力異常や鉛直線偏差といった重力の変動が自己位置推定に与える影響が 無視できなくなる。この影響は、重力勾配計によって原理的に補正が可能であり、本研究ではジャイ ロスコープ性能向上後の将来も見据え、重力勾配計に関する基礎研究も併走させる。
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量子気体顕微鏡を用いた光格子系におけるエントロピー制御
研究課題/領域番号：17H02934 2017年4月 - 2020年3月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
上妻 幹旺
配分額：19370000円 （ 直接経費：14900000円 、 間接経費：4470000円 ）
Yb原子のボソン、フェルミオン双方に対し、Mott絶縁体相を量子気体顕微鏡によって観測することに成功した。後者については核スピンが6成分と2成分の場合についてMott shell構造を確認するに至っている。これらの成果は、光格子を構成するレーザーに対し強度雑音、周波数雑音を抑圧するとともに、適切な光学アライメントを施すことで得られた。さらに原子1個あたりのエントロピーを0.35kBに比し桁で下げるためにFilter冷却を計画し、その前段階としてデジタルミラーデバイスを用いて光格子に重畳した調和振動子型ポテンシャルを抑圧し、Mott shell半径を増大させることに成功した。
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ユウロピウム原子のレーザー冷却
研究課題/領域番号：16K13856 2016年4月 - 2018年3月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 挑戦的萌芽研究
上妻 幹旺, 井上 遼太郎
配分額：3640000円 （ 直接経費：2800000円 、 間接経費：840000円 ）
大きな磁気モーメントをもつ原子のボース凝縮体は、短距離等方的なｓ波散乱相互作用に加え、長距離異方的な磁気双極子相互作用を有する。磁気双極子相互作用はスピンと軌道角運動量を結合させるため、スピンテクスチャーや超流動渦を伴う基底状態量子相など、興味深い現象の観測につながると期待されている。スピン自由度を維持したまま散乱長を抑圧するうえで、基底状態の超微細構造を利用したマイクロ波Feshbach共鳴の活用が考えられる。我々は、大きな質量と磁気モーメントをもち、かつ基底状態に超微細構造を有するユウロピウム（Eu）に対し、準安定状態を利用して磁気光学トラップを生成することに世界で初めて成功した。
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冷却フェルミ原子気体に対する量子気体顕微鏡を利用したｄ波超伝導状態の実現
研究課題/領域番号：16F16029 2016年4月 - 2018年3月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特別研究員奨励費
上妻 幹旺, MIRANDA MARTIN
配分額：2300000円 （ 直接経費：2300000円 ）
本研究は、2次元正方光格子中に捕捉された冷却フェルミ原子気体を対象として、ｄ波超伝導状態を実現することを目的としていた。d波超伝導状態を実現するためには、超交換相互作用で特徴付けられるNeel温度に比べ、原子気体の温度を桁で下げる必要がある。具体的にはnKあるいはpKといった極低温が要求される。
光格子中で発現する量子相の中には、エントロピーが空間的な分布をもつMott絶縁体相と呼ばれるものがある。高いエントロピーをもつ原子を選択的に排除した後、系を熱平衡化すれば、上記したような極限的な冷却が原理的には可能となる。本研究では、光格子中の原子をサイト分解して観測できる「量子気体顕微鏡」を使って、Mott絶縁体相を観測するとともに、高いエントロピーを有する原子を選択的に排除することを計画した。
研究を開始した当初、我々は光格子中に捕捉されたイッテルビウム（Yb）原子を、サイト分解して観測することには成功していたが、強相関物性現象を誘起し、これを顕微観測するには至っていなかった。2年間の研究期間を通し、我々は174Yb（ボソン）を対象としてMott絶縁体相を誘起し、その特徴的な空間構造であるMott shellを量子気体顕微鏡を用いて捉えることに世界で初めて成功した。さらに173Yb（フェルミオン）をT/TF～0.15程度のフェルミ縮退領域にまで冷却し（Tは系の温度、TFはフェルミ温度）、これを光格子中に導入することで、同じくMott絶縁体相を誘起し、Mott shellを観測することに成功した。上記した成果は目的とするd波超伝導相を発現・観測する上で重要なマイルストーンとなるものである。 -
光格子原子顕微鏡で探索する人工ゲージ場が織り成す非平衡現象
研究課題/領域番号：26103509 2014年4月 - 2016年3月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)
上妻 幹旺
配分額：7020000円 （ 直接経費：5400000円 、 間接経費：1620000円 ）
本研究の目的は、光格子中に捕捉された個々のイッテルビウム（Yb）原子を観測できる「量子気体顕微鏡」を構築し、これを利用して新奇な非平衡現象を探索することにある。昨年度、我々は、世界で初めてYb原子に対する量子気体顕微鏡を実現することに成功した。そこで平成27年度は、光格子中で発現する各種基底状態量子相を量子気体顕微鏡を用いて直接観測することを目指して実験を行った。まず我々は、伝統的な飛行時間法を使って、光格子中で超流動-Mott絶縁体転移が誘起される様子を確認した。具体的には、光格子の深さを増すにつれ、原子波干渉が消失していく様子を観測することに成功した。次に、生成されたMott絶縁体相を、量子気体顕微鏡を用いて直接観測することを試みた。基底状態量子相を観測するためには、各サイトにおける原子の有無だけでなく、原子数そのものを判定する必要性がある。実際には各サイトの原子数は多くても２個程度であるため、原子数の偶奇を見分けることができれば目的を十分達成することができる。我々は、光格子中の原子に対し、光会合を誘起するレーザーを照射することで、この目的を達成することにした。Mott絶縁相にある原子気体に対して光会合光を照射した後、量子気体顕微鏡を使って原子気体の直接観測を行ったが、Mott絶縁体相特有のMott shell構造を確認するには至らなかった。Mott shellを観測するためには、光格子系の温度が1nK程度にまで下がっている必要性がある。光格子系の加熱レートを別途実験的に評価したところ、およそ30nK/secであることが判明し、上記した超低温度下における観測を実行することが難しいことが判明した。今後、系の加熱を誘起している各種ノイズを抑圧することで、基底状態量子相の直接観測が可能となり、クエンチに代表される非平衡現象を対象とした実験が可能になるものと考えている。
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単一原子分解能をもつ位相差顕微鏡で探る冷却原子マクロ量子系のダイナミクス
研究課題/領域番号：23340118 2011年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
上妻 幹旺
配分額：10400000円 （ 直接経費：8000000円 、 間接経費：2400000円 ）
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磁気ダイポール相互作用をするルビジウムボース凝縮体が発現する新奇な物性の探索
研究課題/領域番号：22654049 2010年 - 2011年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 挑戦的萌芽研究
上妻 幹旺
配分額：3040000円 （ 直接経費：2800000円 、 間接経費：240000円 ）
本研究の目的は、超弱磁場環境下(～10uG)でRbのボース凝縮体を生成する全く新しい実験系を構築することにある。RbのF=1基底状態は強磁性をもっているため、ゼーマンシフトを抑圧すると、長距離、非等方的な磁気ダイポール相互作用を有するようになる。これにより、スピンと軌道とが結合し、質量流とスピンテクスチャーを伴う新しいダイナミクス、量子相が顕現する。今年度、我々は、第一真空槽内でRbの磁気光学トラップを生成し、ここにプッシュ光を照射することで、十分環境磁場が抑圧された第二真空槽へと原子運び、そこで再度磁気光学トラップを行うことに成功した。この原子集団を光トラップし、蒸発冷却を行うことでボース凝縮体を生成する。光トラップを構成するための1.06umレーザーをすでに開発していたが、今年度、実際に共振器に光を導入したところ、問題点が発見された。我々は、十分深い光トラップポテンシャルを得るために、ガラスセルをボウタイ型の共振器で囲み、共振器内の光パワーを増大させることを計画している。そのためには、レーザーの周波数がモードホップを起こさず、十分安定であることが必須となる。しかし我々が昨年作成したレーザーは、10Wの出力がでるものの、モードホップが頻繁に発生し、光共振器を長時間安定化することが出来なかった。東京大学井上研究室の先行研究により、このレーザーのモードホップの主要因が、共振器長の熱膨張によるものであることがわかっていたので、これを抑圧する機構を導入したところ、ほぼモードホップフリーのレーザーを作成することが出来た。今後、このレーザーを既に構築されている光共振器に導入し蒸発冷却を施すことで、超弱磁場環境下で10^6個程度のボース凝縮体を生成することを目指していく。
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縮退イッテルビウム原子集団を用いたクラスター量子計算の実現
研究課題/領域番号：22102503 2010年 - 2011年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)
上妻 幹旺
配分額：11700000円 （ 直接経費：9000000円 、 間接経費：2700000円 ）
本研究は、Yb原子がもつ核スピンを利用したクラスター量子計算を実現することを目的としている。具体的には、ソリッドイマージョンレンズの近傍に2次元光ポテンシャルを形成し、量子ビットとなる冷却されたYb原子を規則正しく配列する。我々は、ソリッドイマージョンレンズを真空ガラスセル内に固定した形で、10^<-11>Torr台の超高真空状態を実現することに成功した。次に我々は、Ybの磁気光学トラップを行い、冷却された原子集団を532nmのレーザーを用いてトラップした。レーザーのウェストポイントを空気式移動台を用いて移動させることにより、磁気光学トラップを作成する真空チャンバーから、先程説明したガラスセルチャンバーへと原子を移動させた。移動距離は400mmである。ガラスセル中に固定されたソリッドイマージョンレンズの直下まで運ばれたYb原子集団の光トラップ寿命を測定したところ、84秒を得ることが出来た。この値は、^<174>Ybによるボース凝縮、および^<171>Ybのフェルミ縮退を蒸発冷却を用いて実現する上で十分な真空度といえる。また単一のYb原子を用いた実験を別途行い、微小共振器と1.5um帯のレーザーを用いたシュタルクシフトを利用することで、核スピン情報を実時間で読み取る新しい技術を確立することにも成功した。
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ボース凝縮体の衝突相互作用を利用した猫状態の生成と量子情報的手法による状態評価
研究課題/領域番号：20340103 2008年 - 2010年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
上妻 幹旺, 本多 和仁
配分額：19240000円 （ 直接経費：14800000円 、 間接経費：4440000円 ）
本研究は、中性原子気体のボース凝縮体を利用して量子猫状態を生成することを目的としている。まず、ダブル磁気光学トラップ用超高真空槽、ならびにクローバーリーフ型磁場トラップを構築し、^<87>Rb原子のボース凝縮体を生成した。しかし磁場トラップによる磁気シールドの磁化の影響で、10μG以下まで残留磁場を抑圧することが難しかったため、光トラップのみを用いてボース凝縮体を生成する方式に切り替えることにした。YVO_4結晶を用いて1.06um、10Wのレーザーを自作し、その出力を真空ガラスセルをふくむボウタイ型光共振器に導入することで、十分なポテンシャルを有する光トラップを構成することに成功した。この光トラップは、パーマロイ磁気シールドと共存しており、磁気光学トラップを内部で行っても、残留磁界を数μG、残留磁場勾配を2μG/cmにとどめることが出来る。今後、この系を利用して、当初目的を達成する予定である。
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光-冷却原子集団間における多次元エンタングルメントの制御
研究課題/領域番号：18340118 2006年 - 2007年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
上妻 幹旺
配分額：16580000円 （ 直接経費：14600000円 、 間接経費：1980000円 ）
本研究の目的は、光と冷却原子集団との間に多次元のエンタングルメントを生成し、かつ制御する手法を開発することにある。冷却された原子集団に光を照射し、単一のアンチストークス光子を検出することで、原子集団内に単一の励起を生成することができる。その後、逆過程を誘起すれば、今度は単一のストークス光子を発生させることができる。これらアンチストークス光子とストークス光子の間の軌道角運動量相関を検出することで、原子系とアンチストークス光子との間の多次元エンタングルメントを検証することを目的として、研究を行った。ここで生成されたエンタングルメントは、外部運動状態の量子テレポーテーションへの応用、あるいは量子通信において通信容量を増やす新しい手段として活用が期待できる。平成18年度、我々はレーザー冷却された原子集団とアンチストークス光子との間に2×2次元の軌道角運動量に関するエンタングルメントが生成されていることを確認することに成功した。具体的には量子トモグラフィーを行い、再構成された密度行列からEntanglement of formationを評価し、0.76>0という結果を得た。平成20年度は、空間位相変調器を用いることで、軌道角運動量1=-1,0,1の各種重ね合わせ基底に対する測定を実現し、これにより3×3次元の量子トモグラフィーを行った。最尤法によって再構築された密度行列より最大限エンタングルした状態に対するフィデリティーを算出し、そこからシュミットナンバーを計算した。シュミットナンバーとは、系が何次元のエンタングルメント状態にあるかを判定するパラメーターであり、今回我々は、世界ではじめて3、つまり多次元のエンタングルメントを確認することに成功した。以上、当初予定していた実験研究にすべて成功することができた。
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スーパー磁気光学トラップの生成とそれを利用した量子情報処理に関する研究
研究課題/領域番号：15684008 2003年 - 2005年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究(A)
上妻 幹旺
配分額：27560000円 （ 直接経費：21200000円 、 間接経費：6360000円 ）
Rbの冷却原子集団と単一光子との間に軌道角運動量に関するエンタングルメントを生成することに成功した。ハイパーファインポンピングされた原子集団にC数とみなせるような光を照射するとAnti-stokes Raman過程がおこる。この際、ある特定の空間モードに射出された単一の光子を検出すると、原子のディッケ状態を1つ励起することができる。原子系のデコヒーレンス時間内であれば、Stokes Raman過程を誘起するような光を照射することで、好きな時刻に単一光子を取り出すことが可能となる。このようにして発生した単一光子が、実は原子集団との間に軌道角運動量のエンタングルメントをもつことを我々は確かめた。Dislocationをもつホログラムとシングルモードファイバーとの組み合わせを利用して、軌道角運動量に関する量子トモグラフィーを行い、再構成された密度行列要素から、エンタングルメントの指標である
Entanglement of formation(EOF)を評価した。その結果、0.6という値を得た(EOF>0の場合、エンタングルメントが存在する)。今回の実験は、軌道角運動量状態を2次元に限定して行ったが、系が本質的に多次元の性質をもっていると推定することはごく自然である。量子情報が原子集団の空間的な位相分布にマッピングされるため、非共鳴のレーザーを絞って原子集団に照射することで、エンタングルメントコンセントレーションを行うことも可能となるだろう。さらに、対応する原子集団を凝縮体にかえることで、イラスト状態の励起など物性面に関する研究を行うことも可能となる。 -
時間軌道光ポテンシャルによるコヒーレント原子波ファイバーの実現
研究課題/領域番号：13640396 2001年 - 2002年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C)
上妻 幹旺, 久我 隆弘
配分額：3500000円 （ 直接経費：3500000円 ）
私上妻が2001年10月1日より新しい研究室の立ち上げを行うことになったため、本研究費は新しい研究テーマの執行に使うことになった。これは新しい研究室において、本予算のみでゼロから装置を立ち上げて原子波ファイバーを実現することは難しいと判断したことによる。この判断は功を奏し、わずか2年間の間に新しい研究テーマに関する非常に重要な成果をあげることができた。具体的には、光と原子との間で量子情報を自由にやりとりするための基礎研究を行った。その結果、(1)EITを用いない新しい超低速度光伝搬の理論的提案、(2)この理論に基づいた新しい手法による光凍結の実現、(3)原子系が持つ軌道角運動量の光へのコヒーレントな転写の実現、(4)超低速光パルス伝搬を利用したGiant非線形効果の理論的導出、(5)光凍結とACシュタルクシフトを利用した光軌道角運動量の操作の実現、(6)凍結再生後の光子統計が、バンチド光に対して保存されていることの評価、を行うことが出来た。
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レーザー冷却と原子気体BECの物理の研究
研究課題/領域番号：11216201 1999年 - 2002年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 特定領域研究
久我 隆弘, 上妻 幹旺, 平野 琢也, 佐々田 博之, 吉川 豊, 鳥井 義夫
配分額：140300000円 （ 直接経費：140300000円 ）
久我らは(1)原子気体ボース・アインシュタイン凝縮(BEC)の実現、(2)原子気体ボーズ凝縮に関連した物理の研究、(3)新しい原子気体BEC装置の開発、および(4)レーザー冷却された原子と微小光共振器とを組み合わせた、共振器量子電気力学の実験的研究を行った。(1)のボーズ凝縮は本邦最初の成功であり、まず、予備冷却されたルビジウム原子を超高真空中(10-8Pa以下)で大量に集め、次に磁揚トラップに移行し断熱圧縮し、最後に蒸発冷却法により原子を冷却する手順を踏んでBECを得た。(2)は光の定在波とボーズ凝縮した原子波との相互作用の物理の実験で、i)ラマン・ナス(Raman-Nath)領域、ブラッグ(Bragg)領域、およびシュテルン・ゲルラッハ(Stern-Gerlach)領域における原子回折の研究、ii)光定在波を3回ボーズ凝縮体に照射することで構成するマッハ・ツェンダー干渉計の研究、iii)光と原子波で起こす4波混合を利用した原子波増幅の研究などを行った。(3)では、ボーズ凝縮体の輝度を上げる目的で、ゼーマン減速器から極低温原子を連続供給できる装置開発した。秒速約20m(温度換算で約50K)、流量毎秒10^11個の低速ルビジウム原子線が得られた。(4)では磁気光学トラップされたルビジウム原子を約10個共振器長約70ミクロンの光微小共振器内へ導入し、光の周波数の設定によって光が共振器を通過する伝搬時間が高速度より早くなったり、遅くなる現象を解析した。平野らは主としてボーズ擬縮体の物理の研究を行った。一つはボーズ凝縮体に一様な非共鳴光を照射したときに起きるダイナミクスの研究、もう一つはシングルビーム光双極子トラップ中のボーズ凝縮体のダイナミクスの研究である。佐々田らはA1計画研究の白濱と共同でヘリウムトラップに使う新しい低温原子線源の開発を行った。また、高密度磁気光学トラップに必要なラゲール・ガウス光ビームの研究を行った。
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冷却気体原子を用いた量子光学(自然発光の抑制、量子ゼノン効果、ボーズ凝縮)
研究課題/領域番号：09440150 1997年 - 1999年
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
久我 隆弘, 上妻 幹旺, 平野 琢也
配分額：12400000円 （ 直接経費：12400000円 ）
本研究における最大の目標であった、ルビジウム気体原子のボースアインシュタイン凝縮(BEC)を1998年末に実現し、コヒーレント物質波の特性解明に関して世界的に見ても大きな貢献をすることができた。特に、原子波のブラッグ反射を利用したマッハツェンダー型の原子波干渉計による高精度干渉実験、さらには原子波のコヒーレント増幅の確認などである。特に後者は今後の物質波光学の進展に大きな礎となった。
また、光と原子の相互作用の基礎として、1原子と1光子の相互作用の様子を実時間で観測した。真空槽内に高Q値微小共振器を設置し、冷却されたルビジウム原子が通過する際の共振器からの透過光強度を測定する。原子は共振器内の1光子と相互作用すると、共鳴周波数がラビ分裂するため、その効果が透過光強度の変化として観測される。今回は数光子と1原子の相互作用の効果が観測された。また、高次の共振モード(TEM01)を用いた1光子による1原子の捕獲法を提案し、予備実験としてTEM01による1原子観測信号を得た。今後は、原子が共振器内に侵入した際に光周波数をシフトさせて1光子による1原子捕獲を実現させる。
最後の量子ゼノン効果のに関しては、人的資源の不足からシミュレーションのみにとどまり、実験的な確認にまで至ることはできなかった。
学術貢献活動
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JST さきがけプロジェクト 量子フロンティア アドバイザー
役割：審査・評価
井元 信之 2023年10月 - 2029年3月
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JST CRESTプロジェクト 量子フロンティア アドバイザー
役割：審査・評価
井元 信之 2023年10月 - 2029年3月
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JST ムーンショットプログラム 目標6 副構想ディレクター
役割：企画立案・運営等, 審査・評価
北川 勝浩 2020年10月 - 2030年11月
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Q-LEAP 光量子飛躍フラッグシッププログラム アドバイザー
役割：審査・評価
伊藤 公平 2018年10月 - 2030年3月