在现有的信息处理技术中，采用应用了电子流的电子技术、以及应 用了光子流的光子技术。与此相对，近年来，在基片上对被控制的原子 流进行相干操作的“原子电路”的实现可能性正在讨论中。这种原子控 制技术与基于电子、光子的高度控制技术的电子学、光子学的发展同样， 潜藏着作为应称为“原子学(atomtronics/ァトムトロニクス)”的新的 信息处理技术来发展的可能性。
尤其是，用于该技术中的原子或分子等粒子，由于其结构的复杂性 等，与电子及光子相比，具有非常多的内部、外部自由度。因此，可以 期待对这种粒子进行相干控制来利用的技术的确立，对于未来的量子信 息处理、量子计算及极限计测等将产生极大的效果(比如参照文献 “Donatella Cassettarietal.，“Beam Splitter for Guided Atoms”，Phys. Rev.Lett.Vol.85，pp.5483-5487(2000).”)。
在采用了上述技术的原子基片(原子芯片)中，作为中性原子的控 制方法，采用基于磁场的塞曼(Zeeman)相互作用。即，通过在导线内 流通电流来生成磁场B(r)，并利用具有磁矩μB的原子在磁场中的基于 塞曼相互作用的电势
UB(r)＝-μB·B(r) 来进行原子的捕获或移动。
具体地说，在该方法中，使基于基片上的电流导线的磁场、与来自 外部的偏置磁场相组合，由此在所希望的位置生成磁场的极小点。此时， 如果是具有与磁场反平行的磁矩μB的原子，则在磁场的极小点上塞曼电 势将成为最小，因而可将该极小点作为捕获位置来捕获原子。到目前为 止，一直利用这种原子控制原理，来进行基于基片上通电导线所产生的 磁场的原子导向、基于Y形导线的原子分支电路、及基片上玻色凝聚体 (Bose-Condensations)的生成试验等。此外，这些研究，利用经激光冷 却的碱原子的电子自旋磁场控制来进行。
然而，在这种以往的原子控制技术中，在实现利用了原子流动的原 子电路等各种原子装置方面，存在着若干的问题。即，在上述技术中， 由于在基片上的导线内流通电流来控制原子，因而难以避免发生欧姆损 失及由此引起的发热。因此，向基片上的集成化便存在限制。此外，在 利用磁场来控制原子的构成中，难以屏蔽原子电路之间的磁场。
此外，在上述技术中，从塞曼电势的计算式
UB＝-μB·B
可看出，利用磁场的1次效果来控制原子。这种控制方法存在以下问题： 原子对干扰弱，在构筑大规模量子计算机的场合下，不可避免发生反相 干。

本发明旨在解决上述问题，其目的在于，提供一种易于实现原子电 路集成化，并可降低干扰影响等的原子装置。
为达到上述目的，基于本发明的原子装置，是一种采用中性原子或 中性分子即中性粒子的原子装置，其特征在于：具有：(1)第1电极对， 其相对于在基片上的规定位置设定的捕获位置，而设置于沿通过捕获位 置的第1轴且夹着捕获位置的基片上的位置；(2)第2电极对，其设置 于沿通过捕获位置并与第1轴形成规定角度的第2轴，且夹着捕获位置 的基片上的位置，(3)通过交互切换第1状态及第2状态，来在捕获位 置捕获中性粒子，该第1状态为，将构成第1电极对的一方电极相对基 准电位设定到正电位，将另一电极设定到负电位的状态，该第2状态为， 将构成第2电极对的一方电极相对基准电位设定到正电位，将另一电极 设定到负电位的状态。
在上述原子装置中，不采用基于磁场的塞曼相互作用，而采用基于 电场的斯塔克(stark)相互作用，来控制中性原子或中性分子。即，对 具有极化率α的中性粒子施加电场E(r)，并利用基于粒子电场中的斯塔 克相互作用的电势
UE(r)＝-α|E(r)|2/2 来进行粒子的捕获。具体地说，切换施加到2组电极对的施加电压，由 此，在由这些电极对夹着的位置生成稳定点，并将该稳定点作为捕获位 置来捕获粒子。
根据这种构成及原子控制方法，由于对基片上的电极施加电压来控 制粒子，因而只发生伴随电场切换的电力损失，可避免发生欧姆损失、 以及由此引起的发热。因此，向基片上的原子电路的集成化变得容易。 此外，在利用电场来控制原子的构成中，通过在基片上设置接地面，可 容易地避免原子电路间的电场干扰。基于这些效果，在本原子装置中， 原子电路的高集成化成为可能。
此外，在上述构成中，从斯塔克电势的计算式
UB＝-α|E|2/2
可看出，由于利用电场的2次效果来控制粒子，因而与被控制粒子的环 境、及干扰的结合便得到抑制。因此，可实现耐反相干的原子装置。
这里，在第1状态与第2状态的切换中，最好，在第1状态中，将 构成第2电极对的2个电极设定为基准电位，在第2状态中，将构成第1 电极对的2个电极设定为基准电位。这样，可在2组电极对夹着的位置， 良好地生成稳定点。
此外，在基片上被捕获而利用的中性粒子，最好是不带自旋的中性 原子或中性分子。在这种粒子中，对其量子状态，可期待较长的相干时 间。这一点对于原子电路的扩展性等方面有利。
此外，原子装置中，由第1电极对及第2电极对构成的电极群中的 电极间隔，最好为10μm以下。这样，通过使基片上设置的电极结构微型 化，可以实现原子装置的小型化。此外，由于电极间隔狭窄，因而可降 低为生成捕获中性粒子的电场所需的给各电极的施加电压。
此外，作为形成原子装置的基片，最好采用形成有电子装置或光装 置的半导体基片。如果采用形成有电子装置的基片，通过使电子、原子 装置相结合来使用，可以实现电子技术、与采用了中性粒子的信息处理 技术的接口。此外，如果采用形成有光装置的基片，通过使光、原子装 置相结合来使用，可以实现光子技术与采用了中性粒子的信息处理技术 的接口。
或者，作为基片，最好采用透过规定波长的光的透明基片。如果采 用透明基片，通过经由基片使原子装置与其它光装置相结合来使用，可 以实现光子技术、与采用了中性粒子的信息处理技术的接口。
此外，最好，原子装置在基片上设定多个捕获位置，分别相对于多 个捕获位置，而设置由第1电极对及第2电极对构成的电极群，并切换 多个电极群所包含的电极的各电位，由此来进行中性粒子向捕获位置的 捕获、以及中性粒子在邻接的捕获位置间的移动。
这样，通过扩展基于2组电极对的上述原子装置的基本构成，可以 实现中性粒子的相干性输送，从而构成各种原子电路。
作为具体的原子装置构成，比如有以下构成：采用附加有信息的中 性粒子，且使多个电极群构成为原子移位寄存器，该原子移位寄存器通 过使中性粒子依次在邻接的捕获位置间移动来转送信息。或者有以下构 成：至少采用分别附加有信息的2个中性粒子，且将多个电极群设置为 可对2个中性粒子附加量子纠缠。除此之外，也可以有其它各种构成。
附图说明
图1是表示原子装置一种实施方式的构成的斜视图。
图2A及图2B，是用于说明图1所示原子装置中的中性原子捕获方 法的图。
图3是表示图1所示的原子装置中，用于捕获中性原子的中性原子 冷却方法的模式图。
图4是表示电极间隔与封闭频率(閉じ込め周波数)的纠缠的曲线图。
图5是表示改变了驱动频率及初始位置时中性原子的稳定性的曲线 图。
图6是表示改变了初始速度及初始位置时中性原子的稳定性的曲线 图。
图7是表示图1所示的原子装置中，中性原子的光学控制的侧视图。
图8是表示原子装置中的中性原子的移动方法的平面图。
图9是表示原子装置其它实施方式的构成的平面图。
图10是锶原子的能级图。
图11A及图11B，是表示对2个锶原子附加量子纠缠的图。
图12是表示原子装置其它实施方式的构成的平面图。

以下结合附图，对根据本发明的原子装置的最佳实施方式进行详细 说明。在附图的说明中，对同一要素附加同一符号，省略重复性说明。 此外，图中的尺寸比例不一定与所说明的相一致。
图1是表示根据本发明的原子装置的一种实施方式的构成的斜视图。 本原子装置，是一种采用在基片上捕获的中性粒子的原子基片(原子芯 片)，包括基片1以及电极图形2而构成。另外，尽管以下主要说明采用 中性原子的场合，但一般作为中性粒子，也可以采用中性原子或中性分 子。
此外，对图1所示的原子装置而言，为便于说明，对由x，y，z轴 组成的坐标轴进行以下定义来使用。即，将对基片1垂直的轴设为z轴， 将与z轴垂直并处于基片1的一个对角方向的轴设为x轴(第1轴)，将 与z轴及x轴垂直并处于基片1的另一个对角方向的轴设为y轴(第2 轴)。此外，x轴与y轴的交点，即基片1上大致中心处的规定位置，被 设定为本原子装置中的中性原子捕获位置30。
基片1是由规定材料形成的大致正方形基片。在基片1的表面10上， 形成有基于银等金属材料的电极图形2。在本实施方式中，电极图形2具 有第1电极对21及第2电极对26这2组电极对。此外，为捕获中性原 子等，至少基片1的表面10上的区域保持超高真空。
第1电极对21具有1组电极22、23。这些电极22、23分别形成沿 着基片1的外形的矩形形状，并分别设置于沿通过捕获位置30的x轴且 夹着捕获位置30的基片1上的位置。图1中，在基片1的右上侧配置电 极22，在左下侧配置电极23。
第2电极对26具有1组电极27、28。这些电极27、28分别形成沿 着基片1的外形的矩形形状，并分别设置于沿通过捕获位置30的y轴且 夹着捕获位置30的基片1上的位置。图1中，在基片1的右下侧配置电 极27，在左上侧配置电极28。此外，这些电极22、23、27、28，按规定 的电极间隔d、及厚度w来形成。
在本原子装置中，由上述2组电极对21、26，构成用于捕获中性原 子的电极群。在这种电极构造中，由电极对21、26夹着的基片表面10 上的区域成为捕获区3，其中心位置成为中性原子的捕获位置30。这样， 通过使构成电极对21、26的电极22、23、27、28各自的电位，在第1 状态与第2状态这2个状态之间交互切换，便可在该捕获位置30捕获中 性原子。
即，在捕获区3内，生成与电极图形2的各电极的电位相对应的电 场E。此时，在欲要捕获的极化率α中性原子中，产生基于斯塔克相互 作用的电势UE＝-α|E|2/2。图1所示的原子装置利用基于该电场 的斯塔克电势，来实现中性原子的捕获。
具体地说，首先，有关原子装置的电位，将接地电位设定为基准电 位，且对各电极的电位设定2种状态。另外，在第1状态中，对构成第1 电极对21的一个电极22，施加相对接地电位成为正电位的电压+V0，对 另一个电极23，施加成为负电位的电压-V0。此外，将构成第2电极对 26的2个电极27、28设为接地电位G。另一方面，在第2状态中，对构 成第2电极对26的一个电极27施加电压+V0，对另一个电极28施加电 压-V0。此外，将构成第1电极对21的2个电极22、23设为接地电位 G。在本原子装置中，通过这些状态的切换，在捕获位置30捕获原子。
图2A及图2B，是用于说明图1所示原子装置中的中性原子的捕获 方法的图。图2A是表示由x、y、z轴构成的坐标轴、及各电极的电压的 模式图。此外，图2B是表示基于在图2A所示状态下生成的电场的斯塔 克电势UE的二维分布的曲线图。并且，在图2B的曲线图中，x＝y＝0 的点相当于捕获位置30。
如图2A所示，在第1状态中，将电极27、28设为接地电位G，且 将电极22设为正电位+V0，将电极23设为负电位-V0。在此时生成的 电势UE中，如图2B所示，从x＝0的y轴上看去，在与捕获位置30对 应的y＝0的中心位置，电势成为最小，该点成为中性原子的稳定点。而 如果从x轴上看去，从x＝0的中心位置向电极22、23侧，电势趋于减 小。
接下来，从该第1状态向第2状态切换附加电压。在第2状态中， 将电极22、23设为接地电位G，且将电极27设为正电位+V0，将电极 28设为负电位-V0。在此时生成的电势UE中，与第1状态相反，从x 轴上看去，在与捕获位置30对应的x＝0的中心位置，电势成为最小， 该点成为中性原子的稳定点。而如果从y轴上看去，从y＝0的中心位置 向电极27、28侧，电势趋于减小。
综上所述，在第1状态中，中性原子相对y轴方向，以中心位置作 为稳定点，而相对x轴方向，欲向接近电极22、23的方向移动。在第2 状态中，中性原子相对x轴方向，以中心位置作为稳定点，而相对y轴 方向，欲向接近电极27、28的方向移动。因此，如果以比中性原子向电 极的移动速度更快的频率，来切换2个状态，则中性原子便可一边在捕 获位置30附近作微小运动一边被捕获。
以下对根据本实施方式的原子装置的效果作以说明。
在图1所示的原子装置中，利用基于电场的斯塔克相互作用，来控 制中性原子。根据这种构成及原子控制方法，由于对基片1上的电极22、 23、27、28施加电压来控制原子，因而只发生伴随电场切换的电力损失。 因此可避免发生欧姆损失、以及由此引起的发热，因而向基片1上的原 子电路的集成化变得容易。
此外，在该构成中，在原子电路间的电场干扰成为问题的场合下， 通过在基片上设置接地面，便可容易地回避问题，且原子电路的高集成 化便成为可能。此外，由于利用电场的2次效果来控制原子，因而与被 控制中性原子的环境及干扰的结合便得到抑制。因此，可实现耐反相干 的原子装置。
这里，由于原子的基本状态及准稳定状态的极化率为α＞0，因而为 在基片1上捕获中性原子，就有必要制出电场强度的极大点。然而，根 据麦克斯韦方程式，在自由空间中，不能做出这种极大点。因此，在利 用了电场的原子的控制方法中，在静态控制下不能捕获原子，需要基于 动态控制的原子稳定化。与此相对，在上述原子装置中，设置2组电极 对21、26，且进行切换施加于它们的电压的动态控制。这样，便可生成 稳定的捕获位置30来捕获中性原子。
此外，对第1状态下第2电极对26的电极27、28、以及第2状态下 第1电极对21的电极22、23中所设定的电位而言，在上述示例中，为 良好地生成成为捕获位置30的稳定点，将该电位设为基准电位即接地电 位，然而如果可实现中性原子的稳定化，也可以设为其它电位。
此外，作为在基片1上被捕获来使用的中性粒子，如上所述，可以 采用中性原子或中性分子，但尤其最好采用不带自旋的中性原子或中性 分子。在中性粒子带自旋的情况下，基于粒子自旋与环境的耦合的反相 干的发生会成为问题。与此相对，在不带自旋的中性粒子中，对其量子 状态可期待较长的相干时间。这一点在原子电路的扩展性等方面是有利 的。作为这种中性粒子，比如有在最外层有2个电子的锶(Sr)原子等 碱土族原子。
对图1所示的原子装置中，在基片1上捕获中性原子用的中性原子 冷却方法作以说明。图3是表示中性原子冷却方法的模式图。另外，这 里为了简化，只示出了原子装置的基片1，而省略了有关基片1上电极图 形2的图示。此外，中性原子的冷却及向基片1上的捕获等，均在超高 真空中进行。
采用磁光陷阱(MOT：Magneto-Optical Trap)方法来进行中性原子 的冷却。如果从对置的2个方向，对运动中的原子照射具有从原子的共 鸣频率向负向偏移了的频率的激光，则原子便由多普勒频移(Doppler Shift)，而吸收接近共鸣频率的来自传播方向的激光，并受到向相反方向 的反跳作用。在激光冷却中，通过重复这样的过程，可以将中性原子冷 却到μK程度的极低温为止。图3中表示一种构成，其中，将基片1上略 微处于捕获位置30上方的位置设定为冷却位置，对处于该冷却位置上的 中性原子A，从4个方向照射激光器冷却用激光46～49。
此外，在MOT中，除了激光46～49的照射之外，还在夹着中性原 子的位置，设置反赫姆霍兹(Helmholtz)线圈41、42，利用基于这些线 圈41、42的磁场等，来捕获冷却了的中性原子。此外，由磁场控制等， 将该冷却了的中性原子移动到捕获位置30为止，由此，向基于在基片1 上形成的电极对21、26的斯塔克·陷阱(stark·trap)转移。
接下来，对图1所示的原子装置中电极群的具体构成、以及向各电 极的施加电压的切换条件等作以说明。一般来说，在采用了斯塔克相互 作用的中性原子捕获中，即使在采用了被激光冷却的极低温原子的场合 下，也需要较大的电场。与此相反，通过使上述构成的原子装置微型化， 可以利用比如TTL级的电压等、较低的电压来实现中性原子的控制。此 外，在该原子控制方法中，除了电极构造的微型化之外，还有必要适当 设定切换向电极施加的电压的驱动频率等条件。
图4是表示电极间隔d(μm，横轴)与封闭频率(rad/s，纵轴)的 纠缠的曲线图。这里所考虑的是，在电极对21、26所夹着的捕获位置30 附近发生的斯塔克电势中、用于封闭中性原子的方向上的电势(参照图 2B)。这样，从该电势的静态形态求出的振动频率，便是中性原子的封闭 频率。此外，在这里，将向电极施加的电压设为V0＝50V。
根据该曲线图，在电极间隔d＝10μm时，以大约60krad/s频率，来 捕获中性原子。此外，在使电压V0稳定的条件下，随着电极间隔d变窄， 封闭频率将增大。这里，该封闭频率与向电极施加的电压V0成比例，但 电极间隔d＝3μm时的频率，是d＝10μm时的大约10倍。因此，如果使 封闭频率稳定，则在电极间隔d＝3μm时，电压V0只要是d＝10μm场合 下的大约1/10即可，即5V左右。
这样，在上述构成的原子装置中，由电极构造的微型化，可以降低 中性原子的封闭所需的电压V0。对该电极构造，最好将电极间隔d设为 10μm以下。这样，如上所述，可以利用数10V左右的电压来捕获中性原 子。此外，如果将电极间隔d设为3μm以下，则可以利用在集成逻辑电 路中广泛采用的数V左右的电压，来捕获中性原子。电极构造的微型化， 对于使原子装置小型化及集成化也是有利的。
图5是表示改变了向电极施加的电压的频率即驱动频率(kHz，横轴) 及初始位置(μm，左轴)时的中性原子稳定性一例的曲线图。这里，初 始位置，表示相距初始状态下中性原子的从捕获位置的距离。此外，这 里，将电极间隔设为d＝10μm，将施加电压设为V0＝50V，将中性原子 的初始速度设为1mm/s，将封闭频率设为60krad/s。
曲线G1表示中性原子被稳定地捕获的初始位置的条件，小于曲线的 初始位置区域(图中附加阴影来表示的区域)是稳定区。这里，在驱动 频率为15.2～18.4kHz左右的范围内，可得到稳定区。当驱动频率大约为 17kHz时，所容许的初始位置的条件便扩大，从而成为最稳定。此外， 图5中，由曲线G2来表示驱动频率与中性原子运动的长期频率(kHz， 右轴)的纠缠。长期频率随着驱动频率的增大而减小。
图6是表示改变了初始速度(mm/s，横轴)及初始位置(μm，左轴) 时中性原子稳定性的一例的曲线图。这里，将电极间隔设为d＝10μm， 将施加电压设为V0＝50V，将封闭频率设为60krad/s，将驱动频率设为 17kHz。此外，图6中，还一并表示了与初始速度及初始位置分别对应的 温度(μK，上轴)及原子密度(cm-3，右轴)。
曲线G3表示中性原子被稳定捕获的初始速度及初始位置的条件，对 于各初始速度，初始位置小于曲线的区域(图中附加阴影来表示的区域) 是稳定区。如该曲线所示，通过将中性原子冷却到充分的极低温为止而 减小初始速度，所容许的初始位置条件便扩大，从而易于捕获中性原子。
接下来，对上述原子装置与电子学或光子学的接口、以及对各种原 子电路的应用作以说明。
在图1所示的原子装置中，对在基片1上被捕获来应用的中性原子 而言，可通过对中性原子的光照或者从中性原子出射的光的检测等，来 进行光学控制。此外，采用这种原子控制技术，可以实现采用了中性原 子的原子学与采用了光子的光子学的接口。
图7是表示图1所示的原子装置中，中性原子的光学控制的侧视图。 这里，由通过捕获位置30的断面，来图示原子装置等。该原子装置构成 为：将透过规定波长的光的透明基片即石英基片1A用作基片1，且在石 英基片1A上，设有图1所示的银电极图形2。
原子装置被配置到内部保持超高真空的真空容器50内，在其捕获位 置30捕获中性原子A。此外，原子装置的石英基片1A，将设有电极图 形2的表面侧作为内侧，来构成真空容器50的外壁的一部分。这样，石 英基片1A便成为透过规定波长的光的光学窗。此外，在与石英基片1A 的背面接近的位置设置物镜52，还在该物镜52上连接有光学装置53。
根据该构成，如果将原子装置所采用的石英基片1A的厚度设为 1mm，则可进行动作距离为1mm左右的、基于物镜52的中性原子A的 光学控制。此时，由于可期待400nm左右的光学分辨率，因而可利用它 来确立原子与光的接口技术。例如，如果采用激光光源作为光学装置53， 则可进行基于向原子A照射激光的内部状态控制。此外，如果采用光检 测装置作为光学装置53，则可进行基于检测从原子A出射的光的内部状 态检测。
另外，由石英基片1A及银电极图形2构成的上述原子装置，比如， 可以通过对市售的银镜实施集束离子束(FIB：Focused Ion Beam)加工 来制作。在这种加工方法中，可以制作电极间隔d最小达到100nm左右 的电极结构。此外，厚度w可以为比如10nm及200nm等，可根据电极 间隔d等来适当设定。此外，在图7所示的构成中，对包括捕获位置30 的捕获区，在石英基片1A上设有深度为10μm左右的凹部。其用于防止 被捕获的原子A与基片1A发生冲撞。
图8是表示原子装置中，在基片上捕获的中性原子的移动方法的平 面图。图1所表示的是在基片1上设有用于捕获原子A的由2组电极对 21、26组成的电极群的构成。与此相对，如图8所示，在基片上设定多 个捕获位置，并对各捕获位置设置捕获原子A的电极群，由此可以与原 子A向捕获位置的捕获相应地进行原子A在邻接的捕获位置之间的移 动。
图8中，在基片1的表面10上，假想设定有中性原子A的移动线L。 这样，夹着该移动线L，而设置有由电极28a、28b、...、22a、22b、... 组成的电极列、以及由电极23a、23b、...、27a、27b、...组成的电极列 这2列电极列。这样，根据沿着移动线L来扩展了基于2组电极对的原 子装置的基本构成的结构，可实现中性原子A的相干性输送，从而可实 现各种原子电路。这种电极结构，比如如涉及图7的上述那样，可以利 用FIB加工来制作。
在采用了图8所示的电极图形2的原子控制方法中，如图中附加阴 影线的部分所示，将电极22a、23a的组设为第1电极对，将电极27a、 28a的组设为第2电极对，而构成第1电极群。这样，对这些各电极进行 上述施加电压的切换，由此，在对应的捕获位置31捕获中性原子A。
接下来，将第1电极对中的左侧电极23a切换到23b，将电极22a、 23b的组作为第1电极对，将第2电极对中的左侧电极28a切换到28b， 将电极27a、28b的组作为第2电极对，而构成从第1电极群向右侧偏移 了的第2电极群。接下来，将切换后的电极23a、28a设为接地电位，且 对第2电极群的各电极进行施加电压的切换，由此，中性原子A沿着移 动线L向对应的捕获位置32移动，而被捕获。
接下来，将电极22b、23b的组作为第1电极对，将电极27b、28b 的组作为第2电极对，而构成进一步向右侧偏移了的第3电极群。接下 来，将切换后的电极22a、27a设为接地电位，且对第3电极群的各电极 进行施加电压的切换，由此，中性原子A沿着移动线L向对应的捕获位 置33移动，而被捕获。
另外，在图8所示的电极结构中，最好将各电极的幅度及间隔等设 定为：邻接的捕获位置之间(比如捕获位置31、32之间)的距离，成为 中性原子A移动前后的波动函数充分重合的距离。这样，可适宜地实现 原子A在捕获位置之间的移动。
这种电极结构，可用作使在基片1上捕获的中性原子A宏观性移动 的原子导向装置。此外，如果采用附加有信息的原子作为中性原子A， 则可以通过使原子A在邻接的捕获位置间依次移动来用作转送信息的原 子移位寄存器。此外，如果能构成一种电极结构，比如在基片1上捕获 分别附加有信息的2个中性原子来利用，且在这些原子之间实现“得到 控制的冲撞”，并可附加量子纠缠，则可实现原子装置在量子信息处理、 量子计算等各领域的应用。
比如，在量子计算中，采用扩展了传统的“比特”的“量子比特(库 比特)”。量子比特具有可取得“0”状态、“1”状态、及其重合状态的特 征。此外，在多个量子比特中，可附加被称为“量子纠结(Quantum Entanglement)”的量子纠缠。如果2个量子比特处于量子纠结状态，则 它们不能取得独立的量子状态。在上述原子装置中，可实现与该量子比 特相当的中性原子A的状态控制、或者与2个量子比特的量子纠结相当 的2个中性原子A的量子纠缠控制。以下，对该原子装置的构成示例作 以说明。
图9是表示原子装置其它实施方式的构成的平面图。本原子装置构 成为：采用透过规定波长的光的透明基片，即石英基片1B，来作为基片 1，并在石英基片1B上设有电极图形2。
在本实施方式中，对在基片1B上被捕获或移动的中性原子A，设定 沿附图横向延伸的第1移动线L1。此外，在第1移动线L1的大致中心 处，设有移动线产生分支的分支点P，并设有从该分支点P沿与第1移动 线L1垂直的方向延伸的第2移动线L2。电极图形2构成为：可使中性 原子A依次沿这些移动线L1、L2移动。
具体地说，对第1移动线L1中分支点P的左侧部分，形成成为原子 导向部61的电极图形。此外，对第1移动线L1中分支点P的右侧部分， 形成成为原子移位寄存器部62的电极图形。
另一方面，对第2移动线L2中分支点P的相反侧部分，形成成为 FIFO存储部63的电极图形。此外，对第2移动线L2中分支点P侧部分， 形成成为原子冲撞部64的电极图形。并且，这些各部61～64中电极图 形的基本结构、以及采用了该电极结构的中性原子A的捕获方法、及移 动方法，与图8所示相同。
对采用了上述构成的原子装置的中性原子A的控制方法一例作以说 明。首先，从原子源(未图示)向原子导向部61，供应冷却到极低温的 中性原子A，原子A在由位于原子导向部61的左端部的2组电极对组成 的电极群所对应的捕获位置被捕获。这样，通过使沿第1移动线L1排列 配置的多个电极群依次移动，原子A向分支点P移动。
此外，如图7所示，对分支点P，介于石英基片1B设置物镜及光学 装置。这样，对从原子导向部61到达了分支点P的原子A，可以以400nm 左右的分辨率，来进行内部状态控制、或内部状态检测。这对应于量子 比特的写入或读出。此外，通过使进行了这种量子比特控制的原子A依 次移动，来构成转送信息的原子移位寄存器(原子存储器)62。
另一方面，在FIFO存储部63中，可适宜地预先存储其它的中性原 子B。此外，在由FIFO存储部63与分支点P夹着的原子冲撞部64中， 与其它各部61～63相比，电极的幅度及间隔设定得较小。在这种构成中， 使在分支点P处进行了量子比特控制的原子A、与存储于FIFO存储部 63中的原子B，分别向原子冲撞部64内移动，并使它们在原子冲撞区 15内靠近到100nm左右的距离为止。
这样，可实现2个原子A、B被控制的冲撞，并可对它们附加量子 纠缠(量子纠结)。即，通过这种对FIFO存储部63的分支结构，可实现 原子列中任意原子间的量子纠缠形成、以及利用了它的量子计算成为可 能的斯塔克·原子芯片。这样，根据本发明的原子装置以其广阔的扩展性 作为显著特征，可以通过使基于基本单位即2组电极对组成的电极群的 单一原子操作相组合，来制作各种原子电路。此外，通过该电极结构的 微型化等，即使配用极低温原子源，也可以构筑尺寸为数厘米的信息处 理系统。
如图7所示，这种原子芯片有必要存放到保持超高真空的真空容器 50内。作为真空容器50，可以采用连接有真空泵的真空腔室。或者，也 可以采用在类似于半导体装置的封装体中，附加有数厘米左右的原子源 及小型离子泵的物体。
此外，对于相对原子芯片在真空容器中设置的光访问用光学窗，如 涉及图7的上述那样，可以将透明基片本身作为可从下方访问原子A的 光学窗来使用。此外，也可以在透明基片的下方另外设置光学窗。或者， 如图7所示，也可以设置可从基片上方访问原子A的光学窗55。在使用 上方光学窗的场合下，也可以采用不透光的基片。此外，可以采用比如 在同一芯片上形成的CMOS逻辑门电路、以及并排设置的其它芯片上的 门电路等，来进行电极图形2的各电极的控制。
以碱土族原子即锶(Sr)原子为例，具体说明针对中性原子A的量子 比特的写入、读入、以及量子纠缠的附加。图10是Sr的能级图。对Sr而言，最外层2个电子处于5s2状态的1S0状态是基本状态，此外，如图 10所示，作为其激励状态，按照能量从低至高的顺序，依次具有3P0、3P1、 3P2这3个激励状态、以及3D3激励状态。这里，在这些激励状态中，将 3P0状态设为量子比特0的状态|0＞，将3P2状态设为量子比特1的状态| 1＞。此外，3P2状态及3D3状态，可由波长λ＝2923nm的光来转移。
考虑利用具有这种能级的Sr原子，在2个Sr原子中形成量子纠缠(量 子纠结)。图11A及图11B，是表示对2个Sr原子附加量子纠缠的图。 此外，这里，假设对在原子装置的基片上设定的原子冲撞区内接近的2 个Sr原子，照射只移位了规定的移位量δ的波长λ＝(2923+δ)nm的 光。
图11A，是2个Sr原子中，一个为|0＞状态，另一个为|1＞状态 场合下的能级图。此时，由于|1＞状态下的1个Sr原子在波长2923nm 的光照下，可能向3D3状态转移，因而即使照射上述波长的光，也不会发 生这种状态转移。因此，在2个Sr原子之间，不附加量子纠缠。
另一方面，图11B，是2个Sr原子均为|1＞状态场合下的能级图。 此时，由于|1＞状态下的2个Sr原子之间的共鸣偶极子相互作用，3D3 状态下的能级降低。这样，|1＞|1＞状态下的2个Sr原子，由波长(2923 +δ)nm的光而向3D3状态转移，并向这些Sr原子之间附加量子纠缠。 这样，便可实现利用了Sr原子的CPHASE门。
此外，在作为这种中性原子A，采用了Sr原子的场合下，在原子的 极低温激光冷却中，采用利用了基于向1P1状态的容许转移(λ＝461nm) 的冷却、以及基于向3P1状态的禁止转移(λ＝689nm)的冷却的2阶段 激光冷却方法。
图12是表示原子装置其它实施方式的构成的平面图。本原子装置构 成为：作为基片1，采用半导体基片即硅(Si)基片1C，并在Si基片1C 上设有电极图形2。并且，具有原子导向部61、原子移位寄存器部62、 FIFO存储部63、以及原子冲撞部64的电极图形2的构成，与图9所示 的构成相同。
本实施方式的原子装置，作为使原子装置、光装置、以及电子装置 在Si基片1C上一体化所形成的原子·光·电子集成电路(AOEIC： Atom-Opto-Electronic IC)来构成。
即，在图12所示的原子装置中，在接近移动线L1、L2的分支点P 的Si基片1C内的部位，形成有激光二极管12。此外，在分支点P的右 侧，在第1移动线L1上Si基片1C内的部位，还形成有光电二极管13、 以及激光二极管14。这些光装置，用于对在基片1C上捕获的中性原子A 的量子比特写入及读出。通过采用这种形成有光装置的基片1C，并组合 使用光、原子装置，来实现光子技术、与采用了中性原子A的信息处理 技术的接口。
此外，在Si基片1C内的规定部位，形成有控制构成电极图形2的 各电极的外加电压的CMOS逻辑门电路等电子装置。图12典型地表示设 置于FIFO存储部63左右两侧的电子装置部11。通过采用这种形成有电 子装置的基片1C，并组合使用电子、原子装置，来实现电子技术与采用 了中性原子A的信息处理技术的接口。
根据本发明的原子装置不限于上述实施方式，可进行各种变形。比 如，作为在基片上捕获并使用的中性粒子，例举了Sr原子，但除此之外， 还可以采用各种中性原子或者中性分子。
产业上的可利用性
根据本发明的原子装置如上详细所述，可以作为易于原子电路的集 成化，且可降低外部干扰影响等的原子装置来使用。即，在基片上设定 中性粒子的捕获位置，并设置夹着捕获位置的2组电极对，并且通过在2 个状态之间交互切换给各电极的施加电压的动态控制，来生成捕获中性 粒子的稳定点，根据上述这样的构成，可避免发生欧姆损失、以及由此 引起的发热，因而原子电路在基片上的集成化变得容易。此外，在利用 电场来控制原子的构成中，通过在基片上设置接地面，可以容易地避免 原子电路间的电场干扰。基于这些效果，在本原子装置中，原子电路的 高集成化成为可能。
此外，在上述构成中，从斯塔克电势算式
UE＝-α|E|2/2
可看出，由于利用电场的2次效果来控制粒子，因而与被控制粒子的环 境及外部干扰的结合便得到抑制。因此，可实现耐反相干的原子装置。