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Atomic energy level/原子のエネルギー準位

Atomic energy level/原子のエネルギー準位
© Keio University
最も単純な量子系は、水素原子です。水素原子は、核になっている1つの陽子とそれを中心に周回する1つの電子で構成されます。学部課程の量子力学の講義では、学生はシュレーディンガー方程式を使ってその大きさと振る舞いを導き出すことをよく求められます。電子の位置は、衛星の軌道のように固定されている訳ではなく、最初の週で学んだような定在波の量子確率波の軌道です。孤立した水素原子の場合、基底状態と励起状態の両方は、すでに学んだ最も単純な定常波から導出でき、球状です。 ほとんどの原子の場合、形状はより大きい波数を有する定在波を示すので、より複雑です。

単純なエネルギー準位

原子には最小エネルギー準位があり、それを基底状態と呼びます。原子が光子を吸収するなどして環境からエネルギーを吸収した場合、原子は励起状態にあると言います。最終的に、光子を放出することによってそのエネルギーを放出します。このとき、放出するエネルギーの量によって放出する光の波長が決定されます。原子は固定されたエネルギー準位のセットのうちの1つにしか収まらないので、ある状態から別のある状態に移動する際に、常に特定の波長の光子を放出します。 初期状態が基底状態の原子が可能な値のなかで最も小さいエネルギー量を吸収すると、第一励起状態に移行すると言います。 第二やそれ以上の励起状態も存在します。

基底状態と第一励起状態を使って量子ビットを作ることができます。スピンにおいて上下の矢印を使用したのと同じように、物理的な現象を記述するときにケットの中に(g)(ground, 基底)と(e)(excited, 励起)を書くことができます。そして、それらの状態を、計算に利用するデータの値にマップし、(vert grangle)を(vert0rangle)、(vert erangle)を(vert1rangle)として扱うことができます。

超微細準位

基底状態および励起状態は、単純であるという利点を有しますが、もう一つのアプローチもまた一般的です。磁場の存在下での原子の挙動は、今説明したものよりも複雑です。特に、ある原子が水素原子よりも多くの核内の陽子と電子を保持するとき、挙動は複雑です。エネルギー準位は主に核と電子の距離によって定義されますが、磁場は核と電子の軌道の形状を歪ませます。

単一で、明確に定義されたエネルギー準位は、2つ以上のわずかに異なるエネルギーレベルに分裂します。

超微細状態のエネルギー準位はそれぞれ非常に近いため、量子ビットをある状態から他の状態に移動させるのに必要なエネルギーは少なくて済みます。 私たちはレーザー光よりもむしろ超微細状態を制御するために、マイクロ波を使用します。

このコースの後半で、イオントラップのハードウェアについて解説しているセクションで、強みと弱みについてはより詳しく、議論していきましょう。

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