Beating the standard quantum limit with broadband quantum locking for the space gravitational wave detector DECIGO

• Project/Area Number: 19H01924
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: Kawamura Seiji 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (40301725)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000); Fiscal Year 2021: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2020: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2019: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
• Keywords: 原始重力波 / DECIGO / 量子ロッキング / 標準量子限界 / 光バネ

Outline of Research at the Start

スペース重力波アンテナDECIGOは宇宙誕生直後のインフレーションの期間に生成された原始重力波の検出が主目的の日本の将来計画である。予測される原始重力波の強度やスペクトルはインフレーションのモデルや再加熱温度などに依存するため、極初期宇宙に関するさまざまな情報を最大限に引き出すためには、DECIGOの到達可能感度をできるだけ高める必要がある。そこで我々は、光バネを利用した広帯域量子ロッキングで、輻射圧雑音を広帯域で除去し、不確定性原理で規定される標準量子限界を打破する手法を新たに考案した。本研究においては、本手法の原理実証実験を行い、その有効性を確認し、問題点を洗い出すことである。

Outline of Final Research Achievements

We have developed the technique of optical-spring quantum locking to improve the detection of primordial gravitational waves using the space gravitational wave antenna DECIGO. This method reduces quantum noise over a wide bandwidth by sharing the mirrors of the main cavity with an auxiliary cavities and controlling its position offset from the resonance point. Through simulations using the method of square completion, we have shown that the signal-to-noise ratio for primordial gravitational waves can be significantly improved. In experiments, we applied simulated signals of radiation pressure noise and shot noise to two cavities and confirmed that the signal-to-noise ratio of the synthesized signal produced by the square completion method is equivalent to the better of the two signals at all frequencies.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究が成功し、光バネ量子ロッキングの技術が完成し、宇宙重力波望遠鏡DECIGOへの実装が可能になれば、原始重力波の検出の可能性がより確実なものとなる。原始重力波は宇宙誕生直後に起きたと考えられているインフレーションの時代に時空の量子揺らぎから発生したと考えられているため、もし、原始重力波が検出されれば、インフレーションや宇宙誕生に関する謎が解明される可能性がある。また、DECIGOにより、ダークエネルギー、原始ブラックホール、一般相対性理論の検証など様々な物理の新しい知見が得られることが期待される。また、本研究は、標準量子限界を破るという意味で、量子論の基礎の解明にもつながる。

Research Products

• [Journal Article] First-step experiment for sensitivity improvement of DECIGO: Sensitivity optimization for simulated quantum noise by completing the square (2023)
  • Author(s): Ishikawa Tomohiro、Kawasaki Yuki、Tsuji Kenji、Yamada Rika、Watanabe Izumi、Wu Bin、Iwaguchi Shoki、Shimizu Ryuma、Umemura Kurumi、Nagano Koji、Enomoto Yutaro、Komori Kentaro、Michimura Yuta、Furusawa Akira、Kawamura Seiji
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 107 Issue: 2 Pages: 022007-022007
  • DOI: 10.1103/physrevd.107.022007
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Space Gravitational Wave Antenna DECIGO and B-DECIGO (2023)
  • Author(s): S. Kawamura and the DECIGO working group
  • Journal Title: Proc. of MG16 on General Relativity Volume: N/A Pages: 3254-3260
  • NAID: 120006778949
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optimization of design parameters for Gravitational Wave detector DECIGO including fundamental noises (2022)
  • Author(s): Yuki Kawasaki, Ryuma Shimizu, Tomohiro Ishikawa, Koji Nagano, Shoki Iwaguchi, Izumi Watanabe, Bin Wu, Shuichiro Yokoyama and Seiji Kawamura
  • Journal Title: Galaxies Volume: 10 Issue: 1 Pages: 10010025-10010025
  • DOI: 10.3390/galaxies10010025
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Can the phase of radiation pressure fluctuations be flipped in a single path for laser interferometric gravitational wave detectors? (2022)
  • Author(s): Tomohiro Ishikawa, Shoki Iwaguchi, Bin Wu, Izumi Watanabe, Yuki Kawasaki, Ryuma Shimizu, Yutaro Enomoto, Yuta Michimura, Akira Furusawa, Seiji Kawamura
  • Journal Title: Physics Letters A Volume: 453 Pages: 128485-128485
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2022.128485
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reduction of quantum noise using the quantum locking with an optical spring for gravitational wave detectors (2021)
  • Author(s): Yamada Rika、Enomoto Yutaro、Watanabe Izumi、Nagano Koji、Michimura Yuta、Nishizawa Atsushi、Komori Kentaro、Naito Takeo、Morimoto Taigen、Iwaguchi Shoki、Ishikawa Tomohiro、Ando Masaki、Furusawa Akira、Kawamura Seiji
  • Journal Title: Physics Letters A Volume: 402 Pages: 127365-127365
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2021.127365
  • NAID: 120007169527
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantum Noise in a Fabry-Perot Interferometer Including the Influence of Diffraction Loss of Light (2021)
  • Author(s): Shoki Iwaguchi, Tomohiro Ishikawa, Masaki Ando, Yuta Michimura, Kentaro Komori, Koji Nagano, Tomotada Akutsu, Mitsuru Musha, Rika Yamada, Izumi Watanabe, Takeo Naito, Taigen Morimoto, Seiji Kawamura
  • Journal Title: Galaxies Volume: 9 Issue: 1 Pages: 9-9
  • DOI: 10.3390/galaxies9010009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Improvement of the Target Sensitivity in DECIGO by Optimizing Its Parameters for Quantum Noise Including the Effect of Diffraction Loss (2021)
  • Author(s): Tomohiro Ishikawa, Shoki Iwaguchi, Yuta Michimura, Masaki Ando, Rika Yamada, Izumi Watanabe, Koji Nagano, Tomotada Akutsu, Kentaro Komori, Mitsuru Musha, Takeo Naito, Taigen Morimoto, Seiji Kawamura
  • Journal Title: Galaxies Volume: 9 Issue: 1 Pages: 14-14
  • DOI: 10.3390/galaxies9010014
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Current status of space gravitational wave antenna DECIGO and B-DECIGO (2021)
  • Author(s): S. Kawamura, H. Shinkai, DECIGO collaboration
  • Journal Title: Progress of Theoretical Experimental Physics Volume: ptab019 Issue: 5 Pages: 103-103
  • DOI: 10.1093/ptep/ptab019
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optimization of quantum noise by completing the square of multiple interferometer outputs in quantum locking for gravitational wave detectors (2020)
  • Author(s): Yamada Rika、Enomoto Yutaro、Nishizawa Atsushi、Nagano Koji、Kuroyanagi Sachiko、Kokeyama Keiko、Komori Kentaro、Michimura Yuta、Naito Takeo、Watanabe Izumi、Morimoto Taigen、Ando Masaki、Furusawa Akira、Kawamura Seiji
  • Journal Title: Physics Letters A Volume: 384 Issue: 26 Pages: 126626-126626
  • DOI: 10.1016/j.physleta.2020.126626
  • NAID: 120006948915
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Space gravitational wave antenna DECIGO and B-DECIGO (2023)
  • Author(s): Seiji Kawamura and the DECIGO working group
  • Organizer: The 5th KMI International Symposium
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画 (156)：DECIGOの概要 (2023)
  • Author(s): 川村静児, 他
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画 (164)：感度向上のための量子ロッキングの検討 9 (2023)
  • Author(s): 石川智浩, 川﨑祐輝, 辻健志, 清水龍真, 梅村来未, Wu Bin, 岩口翔輝, 長野晃士, 榎本雄太郎, 小森健太郎, 道村唯太, 古澤明, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(165)：感度向上のための量子ロッキングの検討 10 (2023)
  • Author(s): 梅村来未, 辻健志, 石川智浩, 清水龍真, Wu Bin, 岩口翔輝, 川﨑祐輝, 長野晃士, 榎本雄太郎, 小森健太郎, 道村唯太, 古澤明, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(166)：感度向上のための量子ロッキングの検討 11 (2023)
  • Author(s): 辻健志, 梅村来未, 石川智浩, 清水龍真, Wu Bin, 岩口翔輝, 川﨑祐輝, 長野晃士, 榎本雄太郎, 小森健太郎, 道村唯太, 古澤明, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画 (138)：DECIGOの概要 (2022)
  • Author(s): 川村静児, 他
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(142)：量子雑音，熱雑音，白色矮星連星 からの重力波雑音を含めた感度の最適化 (2022)
  • Author(s): 川崎祐輝, 清水龍真, 石川智浩, 長野晃士, 岩口翔輝, 渡辺泉実, Wu Bin, 横山修一郎, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(143)：感度向上のための量子ロッキングの検討 4 (2022)
  • Author(s): 清水龍真, 川﨑祐輝, 渡辺泉実, 石川智浩, 岩口翔輝, Wu Bin, 榎本雄太郎, 横山修一郎, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(144)：感度向上のための量子ロッキングの検討 5 (2022)
  • Author(s): 石川智浩, 渡辺泉実, 岩口翔輝, Wu Bin, 川﨑祐輝, 清水龍真, 長野晃士, 榎本雄太郎, 小森健太郎, 道村唯太, 古澤明, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Space Gravitational Wave Antenna DECIGO (2022)
  • Author(s): Seiji Kawamura and the DECIGO working group
  • Organizer: The international workshop of “Physics in LHC and Beyond”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Space Gravitational Wave Antenna DECIGO (2022)
  • Author(s): Seiji Kawamura and the DECIGO working group
  • Organizer: Gravitational Wave Advanced Detector Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Current Status of Quantum Locking Experiment for Space Gravitational Wave Antenna DECIGO (2022)
  • Author(s): Tomohiro Ishikawa, I. Watanabe, S. Iwaguchi, B. Wu, Y. Kawasaki, R. Shimizu, K. Nagano, Y. Enomoto, K. Komori, Y. Michimura, A. Furusawa, S. Kawamura
  • Organizer: Gravitational Wave Advanced Detector Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optimization of design parameters for Gravitational Wave detector DECIGO including fundamental noises (2022)
  • Author(s): Yuki Kawasaki, Ryuma Shimizu, Tomohiro Ishikawa, Shoki Iwaguchi, Izumi Watanabe, Bin Wu, Shuichiro Yokoyama, Seiji Kawamura
  • Organizer: Gravitational Wave Advanced Detector Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Practical quantum noise estimate of optical-spring quantum locking for space gravitational wave detector DECIGO (2022)
  • Author(s): Ryuma Shimizu, Yuki Kawasaki, Izumi Watanabe,Tomohiro Ishikawa, Shoki Iwaguchi, Bin Wu, Yutaro Enomoto, Shuichiro Yokoyama, Seiji Kawamura
  • Organizer: Gravitational Wave Advanced Detector Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画 (146)：DECIGOの概要 (2022)
  • Author(s): 川村静児, 他
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画 (152)：感度向上のための量子ロッキングの検討 6 (2022)
  • Author(s): 清水龍真, 石川智浩, 川﨑祐輝, Wu Bin, 岩口翔輝, 梅村来未, 辻健志, 榎本雄太郎, 横山修一郎, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画 (153)：感度向上のための量子ロッキングの検討 7 (2022)
  • Author(s): 辻健志, 石川智浩, 川﨑祐輝, Wu Bin, 岩口翔輝, 清水龍真, 梅村来未, 長野晃士, 榎本雄太郎, 小森健太郎, 道村唯太, 古澤明, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画 (154)：感度向上のための量子ロッキングの検討 8 (2022)
  • Author(s): 石川智浩, 川﨑祐輝, 辻健志, Wu Bin, 岩口翔輝, 清水龍真, 梅村来未, 長野晃士, 榎本雄太郎, 小森健太郎, 道村唯太, 古澤明, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Space Gravitational Wave Antenna DECIGO and B-DECIGO (2021)
  • Author(s): Seiji Kawamura and the DECIGO working group
  • Organizer: 16th Marcel Grossmann Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(131)：DECIGOの概要 (2021)
  • Author(s): 川村静児, 他
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(136)：感度向上のための量子ロッキングの検討3 (2021)
  • Author(s): 渡辺泉実, 石川智浩, 岩口翔輝, Wu Bin, 川崎祐輝, 清水龍真, 榎本雄太郎, 長野晃士, 小森健太郎, 道村唯太, 古澤明, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(137)：感度向上のための量子雑音低減の検討1 (2021)
  • Author(s): 石川智浩, 岩口翔輝, Wu Bin, 渡辺泉実, 川﨑祐輝, 清水龍真, 榎本雄太郎, 道村唯太, 古澤明, 横山修一郎, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] DECIGO (2021)
  • Author(s): Seiji Kawamura and the DECIGO working group
  • Organizer: Gravitational wave detection at the Moon Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画（125）DECIGOの概要 (2021)
  • Author(s): 川村静児、他
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(129)：回折損失のある場合の量子雑音 (2021)
  • Author(s): 岩口翔輝, 石川智浩, 安東正樹, 道村唯太, 小森健太郎, 長野晃士, 阿久津智忠, 武者満, 山田梨加, 渡辺泉実, 内藤丈雄, 森本泰玄, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(130)：量子雑音の最適化 (2021)
  • Author(s): 石川智浩, 岩口翔輝, 道村唯太, 安東正樹, 山田梨加, 渡辺泉実, 長野晃士, 阿久津智忠, 小森健太郎, 武者満, 内藤丈雄, 森本泰玄, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画（118）DECIGOの概要 (2020)
  • Author(s): 川村静児、他
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(123)：感度向上のための量子ロッキングの検討1 (2020)
  • Author(s): 山田梨加, 榎本雄太郎, 渡辺泉実, 西澤篤志, 長野晃士, 黒柳幸子, 苔山圭以子, 小森健太郎, 道村唯太, 内藤丈雄, 森本泰玄, 石川智浩, 岩口翔輝, 安東正樹, 古澤明, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(124)：感度向上のための量子ロッキングの検討2 (2020)
  • Author(s): 渡辺泉実, 山田梨加, 榎本雄太郎, 西澤篤志, 長野晃士, 黒柳幸子, 苔山圭以子, 小森健太郎, 道村唯太, 内藤丈雄, 森本泰玄, 石川智浩, 岩口翔輝, 安東正樹, 古澤明, 川村静児
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] Space Gravitational Wave Antenna DECIGO and B-DECIGO (2020)
  • Author(s): Seiji Kawamura
  • Organizer: Korea Astronomy and Space Science Institute informal workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画 (110)：DECIGOの概要 (2020)
  • Author(s): 川村静児、他
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(116)：DECIGOの光学設計の検討 (2020)
  • Author(s): 山田梨加，榎本雄太郎，黒柳幸子，西澤篤志，苔山圭以子，中野雅之，長野晃士，安東正樹，道村唯太，小森健太郎，内藤丈雄，森本泰玄，渡辺泉実，川村静児
  • Organizer: 日本物理学会