WO2019077829A1 - ジャイロ、角度計測方法 - Google Patents

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幹旺 上妻
遼太郎 井上
敬 向山
歌子 田中
誠一 森元
吉岡　和範
敦史 田中
祐一郎 神納
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Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Tokyo Institute of Technology NUC
University of Osaka NUC
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Osaka University NUC
Tokyo Institute of Technology NUC
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses

Definitions

  • the present invention relates to a gyro and an angle measurement method using captured ions.
  • Non-Patent Document 1 A gyro using trapped ions shown in Non-Patent Document 1 is known as a prior art.
  • Non-Patent Document 2 shows a technique for changing the momentum of ions, which can be used among the techniques of Non-Patent Document 1.
  • Non-patent documents 3 and 4 disclose techniques relating to planar ion traps, which are known as techniques for capturing ions on a substrate.
  • Non-Patent Document 1 measures an angle by observing the internal state of ions (which of two energy levels in the ground state). After performing the operation of the interference system, it is a stochastic event which of the internal states the ion is in, so multiple measurements are required to measure the angle. Therefore, there is a problem that it takes time for measurement.
  • an object of the present invention is to shorten measurement time.
  • the gyro of the present invention includes a planar ion trap unit, a microwave irradiation unit, a laser irradiation unit, and a measurement unit.
  • the planar ion trap portion forms an ion trap that captures one ion on the substrate whose z-direction is the normal direction of the surface.
  • the planar ion trap section has two rf electrodes and two DC electrode trains.
  • the two rf electrodes are arranged on the substrate in the x direction so as to have a predetermined spacing from one another.
  • Two DC electrode arrays are arranged on the substrate in the x direction so as to sandwich the two rf electrodes.
  • the DC electrode array has at least five DC electrodes in the x-direction. In the case of forming a plurality of ion traps, there is an interval at which captured ions do not interfere with each other.
  • the microwave irradiator irradiates ions with a ⁇ / 2 pulse of microwaves.
  • the laser irradiation unit changes the momentum in the x direction of the ions.
  • the measurement unit observes the internal state of ions and measures an angle.
  • the irradiation of microwaves and the irradiation of laser pulses can be simultaneously performed on a plurality of ions. And since internal states of a plurality of ions can be observed and angles can be measured from the results, measurement time can be shortened.
  • FIG. The figure which shows the outline
  • FIG. The figure which shows the structural example of the gyro of this invention.
  • FIG. 2 shows an example of the configuration of the gyro according to the present invention.
  • the gyro 10 includes a planar ion trap unit 100, a microwave irradiation unit 200, a laser irradiation unit 300, a measurement unit 400, a high frequency power supply unit 800, and a DC power supply unit 900.
  • FIG. 3 is a view showing a configuration example of a planar ion trap unit
  • FIG. 4 is a view showing an example of arrangement of a planar ion trap unit, a microwave irradiation unit, a laser irradiation unit, and a measurement unit.
  • FIG. 5 is a view showing a processing flow of the angle measurement method, and FIGS.
  • FIG. 6A to 6C are views showing a state of movement of ions.
  • FIG. 6A is a view showing a state in which the ions are at rest
  • FIG. 6B is a view showing a state in which the ions vibrate in the x direction
  • FIG. 6C is a view showing a state in which the ions circularly move.
  • the planar ion trap portion 100 can form a plurality of ion traps for trapping one ion in the x direction on the substrate 110 with the normal direction of the surface as the z direction.
  • the gyro 10 uses two energy levels in the ground state of the ion being captured.
  • the ions ions which can be used at levels not affected by the magnetic field are suitable, for example, cadmium ions and ytterbium ions. However, it is not necessary to limit to these as long as the device is made insusceptible to the influence of the magnetic field, and other ions may be used.
  • the planar ion trap portion 100 has two rf electrodes 120 and two DC electrode arrays 130 on a substrate 110.
  • the two rf electrodes 120 are arranged on the substrate 110 in the x-direction so as to have a predetermined distance from each other.
  • the predetermined interval is, for example, about 100 ⁇ m.
  • the width of the rf electrode may be about several hundred ⁇ m to 1 mm.
  • the two DC electrode arrays 130 are disposed on the substrate 110 in the x direction so as to sandwich the two rf electrodes 120.
  • a high frequency power supply unit 800 is connected to the rf electrode 120 in order to capture ions in the yz direction.
  • the DC electrode array 130 is composed of a plurality of DC electrodes 131. In FIG.
  • the DC electrode array 130 is shown as an array of eleven DC electrodes 131-1,..., 11, and ions 150-1 are located at positions corresponding to the DC electrodes 131-2, 4, 6, 8 and 10. , ..., 5 are captured.
  • the DC power supply unit 900 may apply a voltage to the DC electrodes 131-1, 3, 5, 7, 9, 11.
  • the DC electrode array 130 may have at least five DC electrodes 131-1,..., 5 in the x direction. In order to increase the number of ions desired to be observed simultaneously, the number of DC electrodes may be increased. Further, in the example of FIG. 3, only one DC electrode is provided between ions, but a plurality of DC electrodes may be interposed.
  • the planar ion trap unit 100 can move the center of the ion trap in the y direction.
  • the DC power supply unit 900 may apply a bias voltage between the two DC electrode arrays 130.
  • the trap center can be moved in the y direction. More specifically, the trap center can be shifted in the ⁇ y direction by applying a positive bias voltage to all of the DC electrodes 131-1,..., 11 constituting the DC electrode array 130 on the right side of FIG.
  • a positive bias voltage may be applied to one DC electrode array 130 and a negative bias voltage may be applied to the other DC electrode array 130.
  • the plurality of ion traps have an interval at which the trapped ions do not interfere with each other.
  • a distance of about 1 mm is sufficient.
  • the width of the DC electrodes 131-1, ..., 11 in the x direction may be about 0.5 mm.
  • the planar ion trap unit 100, the microwave irradiation unit 200, the laser irradiation unit 300, and the measurement unit 400 may be arranged as shown in FIG.
  • the microwave irradiation unit 200 irradiates the ions 150-1,..., 5 with the ⁇ / 2 pulse of the microwave from any direction.
  • FIG. 4 shows an example of microwave irradiation from the y direction.
  • the ⁇ / 2 pulse is a pulse whose existence probability of the internal state is half.
  • the laser irradiation unit 300 irradiates two laser beams from opposite directions in the x direction, and changes the momentum of the ions 150-1, ..., 5 in the x direction.
  • One of the two laser beams is light corresponding to one energy level in the ground state and the energy level in the excited state.
  • the other of the two laser beams is light corresponding to one other energy level in the ground state and the energy level of the excited state.
  • the two laser beams are predetermined laser pulses. More specifically, it is described in Non-Patent Document 2.
  • the measuring unit 400 observes the internal state of the ions from the z direction, and measures the angle. For observation, a technique (fluorescence techniques) for detecting fluorescence from general ions may be used.
  • FIGS. 6A-6C only the portion of the ions 150-1 is enlarged.
  • 6A shows a state in which the ions are at rest
  • FIG. 6B shows a state in which the ions vibrate in the x direction
  • FIG. 6C shows a state in which the ions circularly move.
  • the gyro 10 forms a plurality of ion traps, and sets the internal state of captured ions to a predetermined state (preparation step S110). Specifically, at least the internal state of the ion to be observed is aligned with one of the ground states. Generally, it is considered that all of the trapped ions are to be observed, but there is also the possibility of trapping another ion of interest, so here, at least as "at least the ions being observed” Explained. The same is true for the following.
  • the microwave irradiation unit 200 irradiates microwaves of ⁇ / 2 pulse to at least ions to be observed (first microwave step S210). This step produces a superposition such that the two different internal states are at 50% each. Up to this step, the ions are at rest as shown in FIG. 6A.
  • the laser irradiation unit 300 applies a laser pulse to at least ions to be observed to give momentum in the x direction (first laser step S310).
  • a laser pulse irradiation of two laser pulses shown in Non-Patent Document 2 may be performed.
  • the ions are kicked, momentum is given, and at the same time the internal state is changed. Also, the direction of momentum given is reversed depending on which of the two internal states is switched. Therefore, if the same two laser pulses are irradiated again after a half cycle of the vibration of ions, momentum is further given and the internal state is exchanged.
  • the ions vibrate in the x direction as shown in FIG. 6B. Since the direction in which momentum is given by the internal state of ions is opposite, ions having the same internal state vibrate in the same phase, and different ions vibrate in the opposite phase.
  • this ion travels in the negative direction of the x direction.
  • the laser pulse changes to the ground state
  • the laser pulse changes to the ground state
  • e> in the stationary state is given momentum while moving in the opposite direction to the above.
  • momentum can be given for each half cycle of vibration of the ion, and the same two laser pulses may be irradiated each time, so momentum can be given in a short time, and the configuration of the device Can be simplified.
  • the DC power supply unit 900 applies a bias voltage between the two DC electrode arrays 130 of the planar ion trap unit 100, and at least the position of the trap center to be observed among the plurality of ion traps is in the y direction.
  • To move a predetermined distance (trap center moving step S120). By this process, ions also vibrate in the y direction.
  • FIG. 6C shows that the trap center 151-1 of the ion trap moves, and the ions 150-1 move in a circular orbit 152-1 indicated by a dotted line.
  • the trap center moving step S120 is performed to perform the internal movement. Ions in the same state have the same rotation direction, and different ions have the opposite rotation direction.
  • the gyro 10 waits for a time during which the ions rotate a predetermined number of times in this state (angle detection step S130). Since the time for one rotation of the ions is approximately 1 ⁇ s, it takes about 10 ms to make 10,000 rotations. In this case, the observation can be performed at intervals of about 20 ms, taking into consideration the time of other processes. If the number of ions to be captured is the number required for one measurement, the angle can be measured at intervals of 20 ms.
  • the DC power supply unit 900 eliminates the bias voltage between the two DC electrode arrays 130 of the planar ion trap unit 100, at least the position of the trap center to be observed among the plurality of ion traps is determined.
  • Restore trap center restoration step S140. By this process, as shown in FIG. 6B, the ions return to the state of vibrating in the x direction.
  • the laser irradiation unit 300 irradiates at least the ions to be observed with a laser pulse to take away the momentum in the x direction (second laser step S320).
  • the momentum is taken by irradiating a laser pulse (kicking ions) at a timing reverse to that of the first laser step S310. More specifically, the laser irradiation unit 300 performs the laser pulse a plurality of times every half cycle of the ion vibration from the time when the laser pulse is finally irradiated in the first laser step S310 and after an integer multiple of the cycle of the ion vibration. Can be irradiated. At this timing, it is possible to deprive the momentum of the ions with the same laser pulse as in the first laser step S310.
  • the number of times of laser pulse irradiation may be the same as the number of times in the first laser step S310.
  • g> is changed to the ground state
  • the laser pulse is irradiated at this timing, it changes to the ground state
  • the momentum for one irradiation of the laser pulse is taken away, and although it travels in the positive direction of the x direction, it decelerates.
  • the ion travels in the negative direction of the x direction.
  • the laser pulse changes to the ground state
  • the momentum for one irradiation of the laser pulse is taken again, and although it travels in the negative direction of the x direction, it decelerates further. After a further half cycle, it proceeds in the positive direction of the x direction.
  • the laser pulse is irradiated at this timing, it changes to the ground state
  • the laser pulse irradiation is repeated every half period of the oscillation of the ion , Can take away the momentum of the ion. Ions whose ground state has been changed to
  • the laser irradiation unit 300 Even when the laser pulse irradiation for each half cycle is not performed in the first laser step S310, since the last laser pulse for adding the momentum to the ions in the first laser step S310, the ion oscillation period After integer multiples, if the laser irradiation unit 300 repeatedly irradiates the laser pulse for each half cycle of the vibration of the ion, it is possible to deprive the momentum similarly.
  • the microwave irradiator 200 irradiates microwaves of ⁇ / 2 pulse to at least ions to be observed (second microwave step S220).
  • the measuring unit 400 observes an internal state of each ion and measures an angle (measuring step S410).
  • a technique for detecting fluorescence from general ions may be used. Since the probability of the internal state can be known from the internal states of a plurality of ions, the angle may be measured based on this probability.
  • the irradiation of microwaves and the irradiation of laser pulses can be simultaneously performed on a plurality of ions. And since internal states of a plurality of ions can be observed and angles can be measured from the results, measurement time can be shortened.

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Abstract

計測時間を短縮する。本発明のジャイロは、プレーナ・イオン・トラップ部、マイクロ波照射部、レーザ照射部、計測部を備える。プレーナ・イオン・トラップ部は、２つのｒｆ電極、２つのＤＣ電極列を有し、１つのイオンを捕捉するイオントラップを、表面の法線方向をｚ方向とする基板上に形成する。ｒｆ電極は、所定の間隔を有するようにｘ方向に基板上に配置されている。ＤＣ電極列は、２つのｒｆ電極を挟むようにｘ方向に基板上に配置されている。ＤＣ電極列はｘ方向に少なくとも５個のＤＣ電極を有する。捕捉されているイオン同士は干渉しない間隔を有している。マイクロ波照射部は、イオンに、マイクロ波のπ／２パルスを照射する。レーザ照射部は、イオンのｘ方向の運動量を変化させる。計測部は、イオンの内部状態を観測し、角度を計測する。

Description

ジャイロ、角度計測方法
　本発明は、捕捉されたイオンを用いたジャイロと角度計測方法に関する。
　非特許文献１に示された捕捉されたイオンを用いたジャイロが従来技術として知られている。図１に非特許文献１に示された角度計測方法の概要を示す。非特許文献２には、イオンの運動量を変化させる技術が示されており、非特許文献１の技術の中で利用できる。非特許文献３，４にはプレーナ・イオン・トラップに関する技術が示されており、基板上にイオンを捕捉する技術として知られている。
W C Campbell and P Hamilton, "Rotation sensing with trapped ions", Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, vol.50 (2017) 064002. J. Mizrahi, C. Senko, B. Neyenhuis, K. G. Johnson, W. C. Campbell, C.W. S. Conover, and C. Monroe, "Ultrafast Spin-Motion Entanglement and Interferometry with a Single Atom", PHYSICAL REVIEW LETTERS, PRL 110, 203001 (2013). U. Tanaka, K. Masuda, Y. Akimoto, K. Koda, Y. Ibaraki and S.Urabe, "Micromotion compensation in a surface electrode trap by parametric excitation of trapped ions", Appl Phys B (2012) 107: pp.907-912. Utako Tanaka, Kensuke Suzuki, Yuki Ibaraki and Shinji Urabe,"Design of a surface electrode trap for parallel ion strings", Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, vol.47 (2014) 035301.
　非特許文献１に示されたジャイロは、イオンの内部状態（基底状態の中の２つのエネルギー準位のどちらの状態か）を観測することで角度を計測する。干渉系のオペレーションを行った後は、イオンがどちらの内部状態になっているかは確率事象であるため、角度を計測するには複数回の観測が必要になる。したがって、計測に時間がかかるという課題がある。
　そこで、本発明は計測時間を短縮することを目的とする。
　まず、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向を互いに直交する方向とする。本発明のジャイロは、プレーナ・イオン・トラップ部、マイクロ波照射部、レーザ照射部、計測部を備える。プレーナ・イオン・トラップ部は、１つのイオンを捕捉するイオントラップを、表面の法線方向をｚ方向とする基板上に形成する。プレーナ・イオン・トラップ部は、２つのｒｆ電極、２つのＤＣ電極列を有する。２つのｒｆ電極は、互いに所定の間隔を有するようにｘ方向に基板上に配置されている。２つのＤＣ電極列は、２つのｒｆ電極を挟むようにｘ方向に基板上に配置されている。ＤＣ電極列はｘ方向に少なくとも５個のＤＣ電極を有する。複数個のイオントラップを形成する場合は、捕捉するイオン同士が干渉しない間隔を有する。マイクロ波照射部は、イオンに、マイクロ波のπ／２パルスを照射する。レーザ照射部は、イオンのｘ方向の運動量を変化させる。計測部は、イオンの内部状態を観測し、角度を計測する。
　本発明のジャイロによれば、複数のイオンを相互に干渉しないように、直線状に捕捉できるので、複数のイオンに対してマイクロ波の照射、レーザパルスの照射を一度に実行できる。そして、複数のイオンの内部状態を観測し、その結果から角度を計測できるので、計測時間を短縮できる。
非特許文献１に示された角度計測方法の概要を示す図。 本発明のジャイロの構成例を示す図。 プレーナ・イオン・トラップ部の構成例を示す図。 プレーナ・イオン・トラップ部、マイクロ波照射部、レーザ照射部、計測部の配置の例を示す図。 角度計測方法の処理フローを示す図。 イオンが静止した状態を示す図。 イオンがｘ方向に振動した状態を示す図。 イオンが円運動した状態を示す図。
　以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。
　図２に本発明のジャイロの構成例を示す。ジャイロ１０は、プレーナ・イオン・トラップ部１００、マイクロ波照射部２００、レーザ照射部３００、計測部４００、高周波電源部８００、直流電源部９００を備える。図３はプレーナ・イオン・トラップ部の構成例を示す図、図４はプレーナ・イオン・トラップ部、マイクロ波照射部、レーザ照射部、計測部の配置の例を示す図である。図５は角度計測方法の処理フローを示す図、図６Ａ～図６Ｃはイオンの運動の状態を示す図である。図６Ａはイオンが静止した状態を示す図、図６Ｂはイオンがｘ方向に振動した状態を示す図、図６Ｃはイオンが円運動した状態を示す図である。
　まず、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向を互いに直交する方向とする。プレーナ・イオン・トラップ部１００は、１つのイオンを捕捉するイオントラップを、表面の法線方向をｚ方向とする基板１１０上のｘ方向に複数個形成できる。ジャイロ１０は、捕捉しているイオンの基底状態の中の２つのエネルギー準位を使う。イオンとしては、磁場の影響を受けない準位が使えるイオンが適しており、例えば、カドミウムイオン、イッテルビウムイオンがある。ただし、磁場の影響を受けにくくする工夫を施せば、これらに限定する必要はなく、他のイオンでも構わない。
　プレーナ・イオン・トラップ部１００は、より具体的には、基板１１０上に、２つのｒｆ電極１２０、２つのＤＣ電極列１３０を有する。２つのｒｆ電極１２０は、互いに所定の間隔を有するようにｘ方向に基板１１０上に配置されている。所定の間隔は、例えば１００μｍ程度である。またｒｆ電極の幅は数１００μｍ～１ｍｍ程度にすればよい。２つのＤＣ電極列１３０は、２つのｒｆ電極１２０を挟むようにｘ方向に基板１１０上に配置されている。ｒｆ電極１２０には、イオンをｙｚ方向に捕捉するために、高周波電源部８００が接続される。ＤＣ電極列１３０は、複数個のＤＣ電極１３１で構成されている。図３では、ＤＣ電極列１３０は、１１個のＤＣ電極１３１－１,…,１１の列として示され、ＤＣ電極１３１－２，４，６，８，１０に対応する位置にイオン１５０－１,…,５が捕捉されている。図３の場合は、ｘ方向にイオンを捕捉するために、直流電源部９００がＤＣ電極１３１－１,３，５，７，９,１１に電圧を印加すればよい。なお、プレーナ・イオン・トラップ部１００が２つのイオントラップを形成するためには、ＤＣ電極列１３０はｘ方向に少なくとも５個のＤＣ電極１３１－１,…,５があればよい。同時に観測したいイオンの数を増やすには、ＤＣ電極の数を増やせばよい。また、図３の例では、イオン同士の間には１つのＤＣ電極しかないが、複数個のＤＣ電極を間に置いてもよい。
　プレーナ・イオン・トラップ部１００は、イオントラップの中心をｙ方向に移動させることができる。直流電源部９００が、２つのＤＣ電極列１３０の間にバイアス電圧を与えればよい。例えば、直流電源部９００が、２つのＤＣ電極列１３０の一方にバイアス電圧を付加すれば、トラップ中心をｙ方向に移動させることができる。より具体的には、図３の右側のＤＣ電極列１３０を構成するＤＣ電極１３１－１，…，１１のすべてに正のバイアス電圧を付加すれば、トラップ中心は－ｙ方向にシフトできる。もちろん、一方のＤＣ電極列１３０に正のバイアス電圧、他方のＤＣ電極列１３０に負のバイアス電圧を印加してもよい。また、複数個のイオントラップ同士は、捕捉しているイオン同士が干渉しない間隔を有している。イオン同士が干渉しないためには、例えば、１ｍｍ程度の間隔があればよい。つまり、ＤＣ電極１３１－１,…,１１のｘ方向の幅を０．５ｍｍ程度にすればよい。
　プレーナ・イオン・トラップ部１００、マイクロ波照射部２００、レーザ照射部３００、計測部４００は、図４に示したように配置すればよい。マイクロ波照射部２００は、イオン１５０－１,…,５に、いずれかの方向からマイクロ波のπ／２パルスを照射する。図４は、ｙ方向からマイクロ波を照射する例を示している。π／２パルスとは、内部状態の存在確率が半分になるパルスである。レーザ照射部３００は、ｘ方向の対向する方向から２つのレーザ光を照射し、イオン１５０－１,…,５のｘ方向の運動量を変化させる。２つのレーザ光の一方は、基底状態の中の１つのエネルギー準位と励起状態のエネルギー準位に対応した光である。２つのレーザ光の他方は、基底状態の中の他の１つのエネルギー準位と励起状態のエネルギー準位に対応した光である。２つのレーザ光は、所定のレーザパルスである。より具体的には、非特許文献２に記載されている。計測部４００は、イオンの内部状態をｚ方向から観測し、角度を計測する。観測には、一般的なイオンからの蛍光を検出する技術（fluorescence techniques）を用いればよい。
　次に図５、図６Ａ～図６Ｃを参照しながら角度計測方法の処理フローを説明する。図６Ａ～図６Ｃでは、イオン１５０－１の部分だけを拡大している。また、図６Ａはイオンが静止した状態、図６Ｂはイオンがｘ方向に振動した状態、図６Ｃはイオンが円運動した状態を示している。
　ジャイロ１０は、複数個のイオントラップを形成し、捕捉しているイオンの内部状態を所定の状態とする（準備ステップＳ１１０）。具体的には、少なくとも観測対象となっているイオンの内部状態を基底状態の中の１つにそろえる。一般的には、捕捉しているイオンの全部を観測対象にすると考えられるが、別の目的のイオンも捕捉する可能性も有るので、ここでは「少なくとも観測対象となっているイオン」のように説明している。以下も同じである。次に、マイクロ波照射部２００が、少なくとも観測対象となっているイオンにπ／２パルスのマイクロ波を照射する（第１マイクロ波ステップＳ２１０）。このステップによって、２つの異なる内部状態がそれぞれ５０％となるような重ね合わせを生成する。このステップまでは、イオンは、図６Ａに示したように静止している。
　レーザ照射部３００が、少なくとも観測対象となっているイオンにレーザパルスを照射してｘ方向の運動量を与える（第１レーザステップＳ３１０）。１回のレーザパルスの照射では、非特許文献２に示された２つのレーザパルスの照射を行えばよい。レーザパルスの照射によって、イオンはキックされ、運動量が与えられると同時に、内部状態が入れかわる。また、２つの内部状態の内、どちらからどちらに入れかわったかによって、与えられる運動量の方向が逆になる。よって、イオンの振動の半周期後に同じ２つのレーザパルスを再度照射すれば、運動量をさらに与え、かつ内部状態が入れかわる。つまり、イオンが静止した状態からスタートして、イオンの振動の半周期ごとにレーザパルスの照射を繰り返せば、より大きい運動量を付加できる（この点については、後で詳しく説明する）。レーザパルスの照射（キック）の回数としては、１００回程度にすればよい。このステップによって、イオンは図６Ｂに示したようにｘ方向に振動する。なお、イオンの内部状態によって運動量が与えられる方向が逆向きなので、内部状態が同じイオン同士は同位相、異なるイオン同士は逆位相で振動する。
　上記の内容について、さらに詳しく説明する。例えば、ジャイロ１０が利用する２つの基底状態を｜ｇ＞，｜ｅ＞とする。そして、レーザパルスの照射によって、基底状態｜ｇ＞から基底状態｜ｅ＞に入れかわるときにはｘ方向の正の方向に運動量が与えられ、基底状態｜ｅ＞から基底状態｜ｇ＞に入れかわるときにはｘ方向の負の方向に運動量が与えられるとする。イオンが静止した状態でレーザパルスを照射すると、基底状態｜ｇ＞のイオンは、基底状態｜ｅ＞に入れかわり、ｘ方向の正の方向に進む。イオンの振動の半周期後には、このイオンは、ｘ方向の負の方向に進んでいる。このタイミングでレーザパルスを照射すると、基底状態｜ｇ＞に入れかわり、ｘ方向の負の方向にさらに運動量が与えられる。さらに半周期後は、ｘ方向の正の方向に進んでいる。このタイミングでレーザパルスを照射すると、基底状態｜ｅ＞に入れかわり、ｘ方向の正の方向にさらに運動量が与えられる。このように、イオンが静止した状態からスタートして、イオンの振動の半周期ごとにレーザパルスの照射を繰り返せば、より大きい運動量を付加できる。なお、静止した状態のときに基底状態が｜ｅ＞だったイオンは、上記と逆向きに移動しながら運動量が付加される。また、この方法の場合、イオンの振動の半周期ごとに運動量を与えることができ、かつ毎回同じ２つのレーザパルスを照射すればよいので、運動量を短い時間で与えることができ、かつ装置の構成を単純にできる。
　直流電源部９００が、プレーナ・イオン・トラップ部１００の２つのＤＣ電極列１３０の間にバイアス電圧を与え、複数個のイオントラップの中の少なくとも観測対象となっているトラップ中心の位置をｙ方向に所定の距離移動させる（トラップ中心移動ステップＳ１２０）。この処理によって、イオンはｙ方向にも振動することになる。図６Ｃでは、イオントラップのトラップ中心１５１－１が移動し、イオン１５０－１が点線で示した円軌道１５２－１を移動することを示している。また、第１レーザステップＳ３１０が実行されたときに、内部状態が同じイオンは同位相、異なるイオンは逆位相でｘ方向に振動しているので、トラップ中心移動ステップＳ１２０が実行されると、内部状態が同じイオン同士は同じ回転方向となり、異なるイオン同士は逆の回転方向となる。
　トラップ中心移動ステップＳ１２０が実行されると、イオンが内部状態に依存した回転方向に回転した状態になる。ジャイロ１０は、ｚ軸方向の回転の影響を受けるために、この状態でイオンが所定の回数だけ回転する時間だけ待つ（角度検出ステップＳ１３０）。イオンが１回転する時間はおよそ１μ秒なので、１万回回転させるためには約１０ｍ秒待つことになる。この場合、他の処理の時間も考慮すれば、観測を２０ｍ秒程度の間隔で行うことができる。捕捉するイオンの数を、１回の計測に必要な数にして観測すれば、２０ｍ秒間隔で角度を計測できる。
　直流電源部９００が、プレーナ・イオン・トラップ部１００の２つのＤＣ電極列１３０の間のバイアス電圧をなくすことで、複数個のイオントラップの中の少なくとも観測対象となっているトラップ中心の位置を元に戻す（トラップ中心復元ステップＳ１４０）。この処理によって、図６Ｂに示すようにイオンがｘ方向に振動した状態に戻る。
　レーザ照射部３００が、少なくとも観測対象となっているイオンにレーザパルスを照射してｘ方向の運動量を奪う（第２レーザステップＳ３２０）。第１レーザステップＳ３１０とは逆のタイミングでレーザパルスを照射（イオンをキック）することで、運動量を奪う。より具体的には、第１レーザステップＳ３１０で最後にレーザパルスを照射したときからイオンの振動の周期の整数倍後から、レーザ照射部３００が、イオンの振動の半周期ごとに複数回レーザパルスを照射すればよい。このタイミングであれば、第１レーザステップＳ３１０と同じレーザパルスでイオンの運動量を奪うことができる。レーザパルスを照射する回数は、第１レーザステップＳ３１０での回数と同じにすればよい。この処理によって、図６Ａに示すようにイオンが静止した状態に戻る。
　上記の内容について、さらに詳しく説明する。第１レーザステップＳ３１０の最後のレーザパルスの照射によって、基底状態｜ｇ＞から基底状態｜ｅ＞に入れかわり、ｘ方向の正の方向の運動量が付加されたイオンは、このレーザパルスの照射から周期の整数倍後には、基底状態｜ｅ＞でｘ方向の正の方向に進んでいる。このタイミングでレーザパルスを照射すると、基底状態｜ｇ＞に入れかわり、ｘ方向の負の方向に運動量が与えられる。つまり、レーザパルスの照射１回分の運動量が奪われることになり、ｘ方向の正の方向に進んでいるが、減速する。そして、イオンの振動の半周期後には、このイオンは、ｘ方向の負の方向に進んでいる。このタイミングでレーザパルスを照射すると、基底状態｜ｅ＞に入れかわり、ｘ方向の正の方向に運動量が与えられる。つまり、再度レーザパルスの照射１回分の運動量が奪われることになり、ｘ方向の負の方向に進んでいるが、さらに減速する。さらに半周期後は、ｘ方向の正の方向に進んでいる。このタイミングでレーザパルスを照射すると、基底状態｜ｇ＞に入れかわり、ｘ方向の負の方向に運動量が与えられる。このように、第１レーザステップＳ３１０で最後にイオンにレーザパルスを照射したときからイオンの振動の周期の整数倍後からスタートして、イオンの振動の半周期ごとにレーザパルスの照射を繰り返せば、イオンの運動量を奪うことができる。第１レーザステップＳ３１０の最後のレーザパルスの照射によって基底状態が｜ｇ＞に入れかわったイオンは、上記と逆向きに移動しながら運動量が奪われる。なお、第１レーザステップＳ３１０で半周期ごとのレーザパルスの照射を行っていない場合でも、第１レーザステップＳ３１０で最後にイオンに運動量を付加するレーザパルスを照射したときからイオンの振動の周期の整数倍後から、レーザ照射部３００が、イオンの振動の半周期ごとに繰り返しレーザパルスを照射すれば、同様に運動量を奪うことができる。
　マイクロ波照射部２００が、少なくとも観測対象となっているイオンにπ／２パルスのマイクロ波を照射する（第２マイクロ波ステップＳ２２０）。
　計測部４００が、イオンごとの内部状態を観測し、角度を計測する（計測ステップＳ４１０）。観測には、一般的なイオンからの蛍光を検出する技術（fluorescence techniques）を用いればよい。複数個のイオンの内部状態から、内部状態の確率が分かるので、この確率に基づいて角度を計測すればよい。
　本発明のジャイロによれば、複数のイオンを相互に干渉しないように、直線状に捕捉できるので、複数のイオンに対してマイクロ波の照射、レーザパルスの照射を一度に実行できる。そして、複数のイオンの内部状態を観測し、その結果から角度を計測できるので、計測時間を短縮できる。

Claims (4)

  1. 　ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向を互いに直交する方向とし、
    　１つのイオンを捕捉するイオントラップを、表面の法線方向をｚ方向とする基板上に形成するプレーナ・イオン・トラップ部と、
    　前記イオンに、マイクロ波のπ／２パルスを照射するマイクロ波照射部と、
    　前記イオンのｘ方向の運動量を変化させるためのレーザ照射部と、
    　前記イオンの内部状態を観測し、角度を計測する計測部と
    　を備え、
    　前記プレーナ・イオン・トラップ部は、
    　所定の間隔を有するようにｘ方向に前記基板上に配置された２つのｒｆ電極と、
    　２つの前記ｒｆ電極を挟むようにｘ方向に前記基板上に配置された２つのＤＣ電極列と
    　を有し、
    　前記ＤＣ電極列はｘ方向に少なくとも５個のＤＣ電極を有し、
    　複数個のイオントラップを形成する場合は、捕捉するイオン同士が干渉しない間隔を有する
    　ことを特徴とするジャイロ。
  2. 　請求項１記載のジャイロを用いた角度計測方法であって、
    　複数個の前記イオントラップを形成し、捕捉しているイオンの内部状態を所定の状態とする準備ステップと、
    　前記マイクロ波照射部が、前記イオンにπ／２パルスのマイクロ波を照射する第１マイクロ波ステップと、
    　前記レーザ照射部が、前記イオンにレーザパルスを照射してｘ方向の運動量を与える第１レーザステップと、
    　前記プレーナ・イオン・トラップ部の２つの前記ＤＣ電極列の間にバイアス電圧を与え、複数個の前記イオントラップのトラップ中心の位置をｙ方向に所定の距離移動させるトラップ中心移動ステップと、
    　前記イオンが所定の回数だけ回転する時間だけ待つ角度検出ステップと、
    　複数個の前記イオントラップのトラップ中心の位置を元の戻すトラップ中心復元ステップと、
    　前記レーザ照射部が、前記イオンにレーザパルスを照射してｘ方向の運動量を奪う第２レーザステップと、
    　前記マイクロ波照射部が、前記イオンにπ／２パルスのマイクロ波を照射する第２マイクロ波ステップと、
    　前記計測部が、前記イオンごとの内部状態を観測し、角度を計測する計測ステップ
    　を実行する角度計測方法。
  3. 　請求項２記載の角度計測方法であって、
    　前記第１レーザステップでは、前記レーザ照射部が、前記イオンの振動の半周期ごとに複数回レーザパルスを照射する
    　ことを特徴とする角度計測方法。
  4. 　請求項２または３記載の角度計測方法であって、
    　前記第２レーザステップでは、最後に前記イオンに運動量を付加するレーザを照射したときから前記イオンの振動の周期の整数倍後から、前記レーザ照射部が、前記イオンの振動の半周期ごとに複数回レーザパルスを照射する
    　ことを特徴とする角度計測方法。
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