特許 6860155 ジャイロ、角度計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6860155

(24)【登録日】2021年3月30日

(45)【発行日】2021年4月14日

(54)【発明の名称】ジャイロ、角度計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/58 20060101AFI20210405BHJP

【ＦＩ】

   G01C19/58

【請求項の数】4

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2019-549118(P2019-549118)

(86)(22)【出願日】2018年7月25日

(86)【国際出願番号】JP2018027828

(87)【国際公開番号】WO2019077829

(87)【国際公開日】20190425

【審査請求日】2020年4月7日

(31)【優先権主張番号】特願2017-201527(P2017-201527)

(32)【優先日】2017年10月18日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(73)【特許権者】

【識別番号】504176911

【氏名又は名称】国立大学法人大阪大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000231073

【氏名又は名称】日本航空電子工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100121706

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128705

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 幸雄

(74)【代理人】

【識別番号】100147773

【弁理士】

【氏名又は名称】義村 宗洋

(72)【発明者】

【氏名】上妻 幹旺

(72)【発明者】

【氏名】井上 遼太郎

(72)【発明者】

【氏名】向山 敬

(72)【発明者】

【氏名】田中 歌子

(72)【発明者】

【氏名】森元 誠一

(72)【発明者】

【氏名】吉岡 和範

(72)【発明者】

【氏名】田中 敦史

(72)【発明者】

【氏名】神納 祐一郎

【審査官】 仲野 一秀

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−８５９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１５５０２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｃ １９／００−１９／７２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【請求項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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】W C Campbell and P Hamilton, “Rotation sensing with trapped ions”, Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, vol.50 (2017) 064002.

【非特許文献2】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).

【非特許文献3】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.

【非特許文献4】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.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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。

【0005】

そこで、本発明は計測時間を短縮することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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。

【発明の効果】

【0007】

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。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】非特許文献１に示された角度計測方法の概要を示す図。

【図2】本発明のジャイロの構成例を示す図。

【図3】プレーナ・イオン・トラップ部の構成例を示す図。

【図4】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。

【図5】角度計測方法の処理フローを示す図。

【図6A】イオンが静止した状態を示す図。

【図6B】イオンがｘ方向に振動した状態を示す図。

【図6C】イオンが円運動した状態を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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。

【実施例1】

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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）。

【0025】

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。

【0026】

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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】