冷却機械振動子を用いた微小重力の測定

• Project/Area Number: 19H00671
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: Gakushuin University (2021-2023); Tohoku University (2019-2020)
• Principal Investigator: 松本 伸之 学習院大学, 理学部, 准教授 (30750294)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥42,380,000 (Direct Cost: ¥32,600,000、Indirect Cost: ¥9,780,000); Fiscal Year 2023: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2022: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2020: ¥14,820,000 (Direct Cost: ¥11,400,000、Indirect Cost: ¥3,420,000); Fiscal Year 2019: ¥13,260,000 (Direct Cost: ¥10,200,000、Indirect Cost: ¥3,060,000)
• Keywords: 重力定数 / オプトメカニクス / 度量衡 / フィードバック冷却 / 光学トラップ / 量子制御 / 低散逸振動子 / ウィーナフィルタ / カルマンフィルタ / 光計測 / 量子もつれ / 微小重力 / レーザー溶接 / ナノファイバー

Outline of Research at the Start

重力定数の測定精度は全ての物理定数の中で最も低い。これまでは、ねじれ振り子や原子干渉計により、質量90 g以上の大きな物体が生成する重力が測定されてきた。しかし、大きな物体を精度よく作製することは困難なため、測定の系統誤差が大きいという問題があった。系統誤差を低減するため、精密に作製された小さな振動子間の重力を測定すれば良い。しかし、重力の測定は重力源の質量で感度が決まるため、小さな物体の生成する重力の測定は困難である。本研究では、mgスケールの微小な物体間の重力の初検出に挑む。
微小物体間の重力の測定は重力定数の測定精度向上のみならず、重力相互作用の量子性の検証にもつながることが期待される。

Outline of Annual Research Achievements

精密力センサーは重力計、慣性センサー、地震計、重力波望遠鏡といった広範な領域で利用されてきた。本研究では、ミリグラムスケールの微小な物体から生じる重力を精密に測定可能な力センサーの開発を目指す。従来の重力源（>キログラム）より小さな物体から生じる重力を測定することで、重力定数の測定という応用においては、物体の密度の不均一性等に由来する系統的な不確かさを抑えることが可能になる。さらに、重力源自体の振動モードを量子制御すれば、量子状態にある物体が生じる重力の性質の解明にもつながると期待される。物体の振動モードを量子制御するためにもまた力センサーを利用することができ、本研究では、ミリグラムスケールの巨視的物体の量子制御にも取り組んできた。
昨年度の研究により、振動子の回転振動が重心振動の変位計測に及ぼす影響を解析的に明らかにした。重心振動と回転振動が光ばねを介して強結合状態となり、二つのモードがnormal mode splittingすることで重心振動の熱振動が増大する。これを回避するため、既に開発に成功していた一本の超細長線（直径1um、長さ5cm）をレーザー溶接することで実現した世界最小散逸を持つ（つまり熱振動が最も小さい）懸架鏡を改良し、2本線を溶接した低散逸懸架鏡を実現することに成功した。さらに、二つの振動子をパワーリサイクルマイケルソン干渉計の両腕に組み込むことで、二つの振動子の差動振動と同相振動の間に量子もつれを生成できることを理論的に示すことにも成功した。それぞれの振動子の変位はレーザー光量の変動から線形連続計測されるため、測定結果に条件付けられた状態（conditional state）の不確かさはスクイーズされる。二つのスクイーズ状態を重ね合わせることで量子もつれが生成されることを確認した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究には、量子制御が可能な振動子のスケールを巨視化することと、重力測定が可能な重力源のスケールを微視化するという２つの目標がある。昨年度の研究により、測定に基づく量子制御に対する理解を深めることに成功し、既に開発に成功した低散逸振動子を利用することでミリグラムスケールの振動子の量子制御が現実的に達成可能であることを示すことに成功した。具体的には、下記の(1)-(6)の成果を達成した。
(1)従来の手法とは異なり、光ばねと呼ばれる離調共振器内で生成される光学ポテンシャルでトラップされた巨視的振動子を対象とした量子フィルタの開発に成功、(2)量子もつれ生成に対する要求値を解析解から評価し、現時点での実験パラメータで実現可能なことを確認、(3)制御対象ではない振動モードである回転モードの影響を考慮に入れた場合の量子フィルタの開発に成功、(4)並進振動モードと回転振動モード間が光ばねで結合することで並進振動モードのQ値が悪化する現象を実験で確認し、厳密な理論解と一致することを確認、（6）回転振動モードの悪影響を低減することが可能な２本の超細長線（直径1um、長さ5cm）で懸架された低散逸振動子（ダンピング定数～6uHz）の開発に成功した。
項目(6)の成果は、微小重力測定の観点からも重要である。従来の一本吊り懸架鏡を使った実験では、yawモードの励起に起因した不安定性のため光共振器の安定動作時間が10秒程度と制限されるという課題があったが、新たな振動子を利用することで長時間安定に共振器を動作できると期待できるためである。本研究で開発に成功している低散逸振動子の低雑音性能から、１秒以上の測定時間で先行研究よりも高い精度で微小重力測定が実現可能だと理論からは予測されるため、動作時間を10秒よりもさらに長時間化することが重要となる。

Strategy for Future Research Activity

本年度は、これまでに引き続き量子制御の巨視化と、重力測定における重力源の微視化に挑む。量子制御については、これまでに取り組んできた振動子の機械スクイーズ状態の生成と検証に取り組む。重力測定については、２本線で懸架された新型低散逸振動子を用いた長時間測定に取り組む。
量子制御：測定に基づく機械スクイーズ状態とは、条件付き分散の位置揺らぎがスクイーズされた状態である。条件付き分散は、振動子の真の状態と量子推定された推定結果の間の差から求まる。しかし、測定に含まれる量子雑音の影響で真の状態は測定不可能なため、条件付き量子状態の検証は困難である。そのため、条件付き分散の値を算出するために、retrodiction（未来予測）フィルタと呼ばれる量子フィルタが必須となる。量子推定で使用するフィルタは因果律に従うように設計されるが、retrodictionでは非因果的なフィルタを利用しており、量子推定された状態の分散と非因果的に推定された状態の分散の和を計算することで、条件付き分散を検証する。本年度は、retrodictionフィルタを開発し、機械スクイーズ状態を検証することを目指す。

重力測定：新たな振動子を光共振器に組み込み、光ばねでトラップする。振動子の変位精度を向上し、目標の値まで雑音を低減する。振動子の隣に重力源となる金属カンチレバーを取り付け、励起する。懸架鏡とカンチレバーの間の重力相互作用により、光共振器の反射光量が変動することを観測し、両物体間の距離を変えながら同様な実験を繰り返す。これにより、逆二乗則に従う信号が観測され、重力定数の値を算出する。100秒の観測により、ミリグラムスケールの重力源を使って重力定数を0.1パーセントの精度で算出することを目指す。

Research Products

• [Journal Article] Effective description of a suspended mirror coupled to cavity light -Limitations of Q-enhancement due to normal mode splitting by an optical spring- (2023)
  • Author(s): Yuuki Sugiyama, Tomoya Shichijo, Nobuyuki Matsumoto, Akira Matsumura, Daisuke Miki, Kazuhiro Yamamoto
  • Journal Title: Phys. Rev. A Volume: 107 Issue: 3 Pages: 033515-033515
  • DOI: 10.1103/physreva.107.033515
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Generating quantum entanglement between macroscopic objects with continuous measurement and feedback control (2023)
  • Author(s): Daisuke Miki, Nobuyuki Matsumoto, Akira Matsumura, Tomoya Shichijo, Yuuki Sugiyama, Kazuhiro Yamamoto, Naoki Yamamoto
  • Journal Title: Phys. Rev. A Volume: 107 Issue: 3 Pages: 032410-032410
  • DOI: 10.1103/physreva.107.032410
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Recent advances toward mesoscopic quantum optomechanics (2023)
  • Author(s): M. Croquette, S. Deleglise, T. Kawasaki, K. Komori, M. Kuribayashi, A. Lartaux-Vollard, N. Matsumoto, Y. Michimura, et al.
  • Journal Title: AVS Quantum Sci. Volume: 5 Issue: 1 Pages: 014403-014403
  • DOI: 10.1116/5.0128487
• [Journal Article] High- Q Milligram-Scale Monolithic Pendulum for Quantum-Limited Gravity Measurements (2020)
  • Author(s): Seth B. Catano-Lopez, Jordy G. Santiago-Condori, Keiichi Edamatsu, and Nobuyuki Matsumoto
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 123 Issue: 22 Pages: 221102-221102
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.221102
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 精密変位計測に基づく低散逸振動子の重力/量子実験への応用 (2023)
  • Author(s): 松本伸之
  • Organizer: レーザー学会第43回年次大会
  • Invited
• [Presentation] Quantum control and gravity sensing by using low-dissipative pendulum (2022)
  • Author(s): Nobuyuki Matsumoto
  • Organizer: QUP workshop: toward Project Q
  • Invited
• [Presentation] Conditional squeezing of a macroscopic pendulum near quantum regimes (2022)
  • Author(s): Nobuyuki Matsumoto
  • Organizer: 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
  • Invited
• [Presentation] 力の精密計測が拓く物理学 (2022)
  • Author(s): 松本伸之
  • Organizer: KEK WPI研究所（QUP）プロジェクト検討会
  • Invited
• [Presentation] 巨視的振り子の条件付き位置スクイーズ状態の生成 (2022)
  • Author(s): 松本伸之
  • Organizer: 光応用工学特別研究会
  • Invited
• [Presentation] Towards quantum sensing with table-top scale pendulum (2021)
  • Author(s): Nobuyuki Matsumoto
  • Organizer: Quantum sensors of magnetic and inertial forces
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Towards quantum sensing with table-top scale pendulum (2021)
  • Author(s): Nobuyuki Matsumoto
  • Organizer: WHERE QUANTUM INFORMATION & QUANTUM TECHNOLOGIES MEET GRAVITY IN LABORATORY
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] High Q mg-scale monolithic pendulum for quantum-limited force sensing (2021)
  • Author(s): Nobuyuki Matsumoto
  • Organizer: XI International Symposium on Modern Problems of Laser Physics and School for young scientists (MPLP-2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 量子振り子の開発と応用 (2021)
  • Author(s): 松本伸之
  • Organizer: KEK物構研コロキウム
  • Invited
• [Presentation] 微小な重力の観測に向けた低散逸振動子の量子計測 (2021)
  • Author(s): 松本伸之
  • Organizer: 巨視的量子現象と量子重力
  • Invited
• [Presentation] 光計測による巨視的物体の量子制御 (2021)
  • Author(s): 松本伸之
  • Organizer: 量子エレクトロニクス研究会
  • Invited
• [Presentation] Demonstration of conditional mechanical squeezing of a massive pendulum (2021)
  • Author(s): Nobuyuki Matsumoto
  • Organizer: KEK IPNS-IMSS-QUP Joint workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 微小重力センシングを目指したメカニカルレーザークーリング (2020)
  • Author(s): 松本伸之
  • Organizer: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第40回年次大会
  • Invited
• [Presentation] Displacement sensing of a pendulum for gravity measurements (2019)
  • Author(s): Nobuyuki Matsumoto
  • Organizer: International Conference on Quantum Metrology and Sensing
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Considerations with specific architectures: suspended pendulums (2019)
  • Author(s): Nobuyuki Matsumoto
  • Organizer: Quantum Optomechanical Architectures for Dark Matter Detection
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] 物理科学この一年 2020（担当範囲：機械振動子の量子制御と低雑音重力センサー） (2020)
  • Author(s): 松本伸之
  • Total Pages: 166
  • Publisher: 丸善出版
  • ISBN: 9784621304860
• [Remarks] 学習院大学 松本研究室
  • URL: https://sites.google.com/view/matsumotolab-gakushuin/home