人工次元における「トポロジカル原子レーザー」を実現

―冷却原子系で「利得」を作り、励起状態への凝縮に成功―

この研究の主な対象者
企業・研究者の方
公開日 2025年12月25日

概要

高橋義朗 理学研究科教授、田家慎太郎 同助教、高須洋介 同准教授、津野琢士 同修士課程学生（研究当時）らの研究グループは、小澤知己 東北大学教授と共同で、極低温のルビジウム原子を用いた実験により、「トポロジカル原子レーザー」の発振に世界で初めて成功しました。
　本研究では、光（レーザー）の分野で発展してきた「非エルミート量子力学（利得と損失を伴う物理学）」を原子の世界に拡張するため、原子の内部状態を人工的な空間次元（人工次元）と見なす手法を用いました。さらに、通常は原子を冷却するために用いる「蒸発冷却」のプロセスを通して、特定の高エネルギー状態（トポロジカル端状態）にある原子を集中的に増やす「実効的な利得（増幅）」のメカニズムを新たに開発しました。
　この成果は、中性原子を用いた量子シミュレーションの可能性を広げるとともに、将来的に外部のノイズに強い高感度な量子センサーや、新しい原理に基づく原子デバイスの開発につながると期待されます。
　本研究成果は、2025年12月13日に、「Nature Communications」にオンライン掲載されました。

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研究者のコメント
「今回実現した『トポロジカル原子レーザー』は、端状態特有の『乱れに強い』という性質を持つことが期待されます。この特性は、現在の量子コンピューター開発における最大の課題である『ノイズによるエラー』を克服できるかもしれない『トポロジカル量子コンピューター』の基礎原理にも通じるものです。現在活発に行われている中性原子を用いた量子コンピューターとは異なった発想に基づくものであり、中性原子を用いた量子情報処理の裾野の広さを示す研究であると思います。」（高須洋介）

詳しい研究内容について

人工次元における「トポロジカル原子レーザー」を実現―冷却原子系で「利得」を作り、励起状態への凝縮に成功―

研究者情報

研究者名 高橋 義朗
京都大学 教育研究活動データベース 研究者名 田家 慎太郎
京都大学 教育研究活動データベース 研究者名 高須 洋介
京都大学 教育研究活動データベース

書誌情報

【DOI】
https://doi.org/10.1038/s41467-025-67106-8

【書誌情報】
Takuto Tsuno, Shintaro Taie, Yosuke Takasu, Kazuya Yamashita, Tomoki Ozawa, Yoshiro Takahashi (2025). Gain engineering and atom lasing in a topological edge state in synthetic dimensions.Nature Communications.
  メディア掲載情報
日刊工業新聞（2025年12月24日 21面）に掲載されました。

関連部局

理学部・理学研究科