Application of Weak Measurement to Precision Spectroscopy

• Project/Area Number: 19K14636
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Gunma University (2021); Keio University (2019-2020)
• Principal Investigator: Shikano Yutaka 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (80634691)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2020: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000); Fiscal Year 2019: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 量子測定 / 量子計測 / 線虫 / 量子センサー / ナノダイヤモンド / 弱測定 / 量子シミュレーション / 生体計測 / ＮＶ中心 / 精密分光法

Outline of Research at the Start

量子測定理論は量子情報理論の骨格を為す非常に重要な道具であるが、他の研究分野への応用は皆無である。また、量子測定理論の中に位置づけることが出来る「弱測定理論」においても弱値増幅と呼ばれる概念により、小さい信号を大きく出来ると考えられたため応用可能性が示唆されたが、限定的な文脈でしかないことが示されてきた。そのため、弱測定理論の新しい応用可能性を模索するために、本研究において、弱測定理論と「分光学」との対応関係を明確に示し、新規分光法の開拓に向けた道標になることを目標とする。

Outline of Final Research Achievements

Weak measurement is recoginized as one of the methods in quantum measurement theory. We studied this theory to be applied to the precision spectroscopy and precision metrology. We found the relationship between linear optics and weak measurement to broaden the applicational possibility of the weak measurement. Furthermore, we studied the nanodiamond quantum sensor to be applied to the thermotaxis of the model biology, C. elegans and obtained the insight to open a door to the local themal biology.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究成果に関しては、基本的に数学の理論体系の中で発展してきた量子測定理論を実験できるような形に実装することに対する理論的な基盤を構築できたという側面において、学術的な意義があると考えられる。その中で、量子センサーを用いた応用事例をモデル生物ではあるものの示すことが出来たことは近年の量子技術に対する社会的なニーズに応える意味でも一定度の社会的意義があったのではないかと考えている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Soochow University/USTC(中国)
• [Int'l Joint Research] Humboldt-Universitat zu Berlin(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Chapman University(米国)
• [Int'l Joint Research] Tel Aviv University(イスラエル)
• [Int'l Joint Research] Humboldt Universitat zu Berlin(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Soochow University(中国)
• [Journal Article] Post-Hartree-Fock method in Quantum Chemistry for Quantum Computer (2021)
  • Author(s): Yutaka Shikano, Hiroshi C. Watanabe, Ken M. Nakanishi, Yu-ya Ohnishi
  • Journal Title: The European Physical Journal Volume: Special Topics Issue: 4 Pages: 1037-1051
  • DOI: 10.1140/epjs/s11734-021-00087-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Wide-field fluorescent nanodiamond spin measurements toward real-time large-area intracellular thermometry (2021)
  • Author(s): Yushi Nishimura, Keisuke Oshimi, Yumi Umehara, Yuka Kumon, Kazu Miyaji, Hiroshi Yukawa, Yutaka Shikano, Tsutomu Matsubara, Masazumi Fujiwara, Yoshinobu Baba, Yoshio Teki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 4248-4248
  • DOI: 10.1038/s41598-021-83285-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Real-time nanodiamond thermometry probing in vivo thermogenic responses (2020)
  • Author(s): Masazumi Fujiwara, Simo Sun, Alexander Dohms, Yushi Nishimura, Ken Suto, Yuka Takezawa, Keisuke Oshimi, Li Zhao, Nikola Sadzak, Yumi Umehara, Yoshio Teki, Naoki Komatsu, Oliver Benson, Yutaka Shikano, Eriko Kage-Nakadai
  • Journal Title: Science Advances Volume: 6 Issue: 37 Pages: 9636-9636
  • DOI: 10.1126/sciadv.aba9636
  • NAID: 120006886567
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Real-time estimation of the optically detected magnetic resonance shift in diamond quantum thermometry toward biological applications (2020)
  • Author(s): Masazumi Fujiwara, Alexander Dohms, Ken Suto, Yushi Nishimura, Keisuke Oshimi, Yoshio Teki, Kai Cai, Oliver Benson, and Yutaka Shikano
  • Journal Title: Phys. Rev. Research Volume: 2 Issue: 4 Pages: 043415-043415
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.043415
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Toward quantum phononics (2020)
  • Author(s): Yutaka Shikano
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 2286 Pages: 030001-030001
  • DOI: 10.1063/5.0029700
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Quantum Nanodiamond Thermometry for Biological System (2021)
  • Author(s): Yutaka Shikano
  • Organizer: Frontiers of Quantum and Mesoscopic Thermodynamics (FQMT21)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] コンセプト駆動科学と理論物理学の進展 (2021)
  • Author(s): 鹿野 豊
  • Organizer: 第 31 回 日本神経回路学会 全国大会
  • Invited
• [Presentation] 空間構造をもつ光の生成原理と応用 (2021)
  • Author(s): 鹿野 豊
  • Organizer: 第 38 回 プラズマ・核融合学会 年会
  • Invited
• [Presentation] Quantum sensor meets model biology, Caenorhabditis elegans (2021)
  • Author(s): 鹿野 豊
  • Organizer: 自然科学研究機構 サイトビジット基調講演
  • Invited
• [Presentation] Real-time nanodiamond thermometry probing in vivo thermogenic responses (2021)
  • Author(s): Masazumi Fujiwara, Simo Sun, Alexander Dohms, Yushi Nishimura, Ken Suto, Yuka Takezawa, Keisuke Oshimi, Li Zhao, Nikola Sadzak, Yumi Umehara, Yoshio Teki, Naoki Komatsu, Oliver Benson, Yutaka Shikano, and Eriko Kage-Nakadai
  • Organizer: SPIE Photonics West 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ダイヤモンドN V 中心の 電子 スピン 共鳴周波数が示す光強度 依存性とセンシングにおける アーティファクト (2021)
  • Author(s): 藤原正澄, A. Doh ms, 首藤 健, 西村 勇 姿, 押味 佳裕, 手木芳男, 蔡 凱, O. Benson, 鹿野 豊
  • Organizer: 日本物理学会第76回年次大会(2021年)
• [Presentation] 広領域でナノダイヤモンドのNV 中心の光検出磁気共鳴が可能なアンテナ一体型ディッシュの開発 (2021)
  • Author(s): 押味 佳裕, 西村 勇姿，仕幸 英治，竹澤 有華，中台 枝里子，藤原 正澄,手木 芳男
  • Organizer: 第68回春季応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 量子技術の要件 (2021)
  • Author(s): 鹿野 豊
  • Organizer: 2020年度 第4回 光材料・応用技術研究会
  • Invited
• [Presentation] ナノダイヤモンドによるリアルタイム局所温度センサーの原理と応用 (2021)
  • Author(s): 鹿野 豊
  • Organizer: フロンティア・プラズマ波動合同研究会
  • Invited
• [Presentation] Real-time in-vivo thermometry on worms by nitrogen-vacancy center in nanodiamond (2021)
  • Author(s): Yutaka Shikano
  • Organizer: OIST Mini-Symposium for Quantum Sensors of Magnetic and Inertial Forces
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 電子スピン共鳴融合型蛍光顕微鏡による線虫のin-vivo温度計測 (2020)
  • Author(s): 藤原正澄，S. Sun，A. Dohms，西村勇姿，首藤健，竹澤有華，押味佳裕，L. Zhao， N. Sadzak, 梅原有美，手木芳男，小松直樹，O. Benson，鹿野豊，中台（鹿毛）枝里子
  • Organizer: 日本顕微鏡学会第76回学術講演会
• [Presentation] 生体内リアルタイム蛍光ナノダイヤモンド温度計測 (2020)
  • Author(s): 藤原正澄, Simo Sun, Alexander Dohms, 西村勇姿, 首藤 健, 竹澤有華, 押見佳裕, Li Zhao, Nikola Sadzak, 梅原有美, 手木芳男, 小松直樹, Oliver Benson, 鹿野 豊, 中台枝里子
  • Organizer: 量子情報技術研究会（QIT）
• [Presentation] 生体内リアルタイム蛍光ナノダイヤモンド温度計測 (2020)
  • Author(s): 藤原 正澄, Sun S, Dohms A, 西村 勇姿, 首藤 健, 竹澤 有華, 押味 佳裕, Zhao L, Sadzak N, 梅原 有美, 手木 芳男, 小松 直樹, Benson O, 鹿野 豊, 中台 枝里子
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 生体内リアルタイム蛍光ナノダイヤモンド温度計測 (2020)
  • Author(s): 藤原 正澄, Simo Sun, Alexander Dohms, 西村 勇姿, 首藤 健, 竹澤 有華, 押味 佳裕, Li Zhao, Nikola Sadzak, 梅原 有美, 手木 芳男,小松 直樹, Oliver Benson, 〇鹿野 豊, 中台 枝里子
  • Organizer: 第43回量子情報技術研究会
• [Presentation] Real-time Nano diamond thermometry probing in-vivo thermogenic responses (2020)
  • Author(s): Masazumi Fujiwara, Simo Sun, Alexander Dohms, Yushi Nishimura, Ken Suto, Yuka Takezawa, Keisuke Oshimi, Li Zhao, Nikola Sadzak, Yumi Umehara, Yoshio Teki, Naoki Komatsu, Oliver Benson, 〇Yutaka Shikano, Eriko Kage-Nakadai
  • Organizer: 1st Conference on Zero and Ultra Low Field (ZULF) NMR
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Axion Detection by Superconducting Qubit (2020)
  • Author(s): Yutaka Shikano
  • Organizer: The 12th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 量子情報技術入門 ～量子計算・量子計測を例にして～ (2020)
  • Author(s): 鹿野 豊
  • Organizer: 2019年度 第4回 光材料・応用技術研究会
  • Invited
• [Presentation] Real-time nanodiamond thermometry probing in-vivo thermogenic responses (2020)
  • Author(s): Masazumi Fujiwara, Simo Sun, Alexander Dohms, Yushi Nishimura, Ken Suto, Yuka Takezawa, Keisuke Oshimi, Li Zhao, Nikola Sadzak, Yumi Umehara, Yoshio Teki, Naoki Komatsu, Oliver Benson, ○Yutaka Shikano, and Eriko Kage-Nakadai
  • Organizer: Universal Principles in Biological Systems and their Evolution
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マグノンを用いた宇宙背景ニュートリノ検出法の提案 (2020)
  • Author(s): ○市川 温子, 鹿野 豊
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] ナノダイヤモンドを用いた量子計測応用 (2020)
  • Author(s): 鹿野 豊
  • Organizer: 第5回光渦討論会
  • Invited
• [Presentation] バルク固体中のコヒーレントフォノンの計測および生成過程 (2019)
  • Author(s): 鹿野 豊
  • Organizer: フロンティア材料研究所学術賞講演会
  • Invited
• [Presentation] 我々は何が見えて、何を見て、何を見たいのか？ (2019)
  • Author(s): 鹿野 豊
  • Organizer: 第 9 回光科学異分野横断萌芽研究会
• [Presentation] 蛍光ナノダイヤモンドを用いたリアルタイム温度計測 (2019)
  • Author(s): ○ 藤原 正澄, Dohms Alexander, 西村 勇姿, 手木 芳男, Benson Oliver, 鹿野 豊
  • Organizer: 2019年第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Realtime nanodiamond thermometry probing in-vivo thermogenic responses (2019)
  • Author(s): M. Fujiwara, S. Sun, A. Dohms, Y. Nishimura, ○ K. Suto, Y. Takezawa, K. Oshimi, L. Zhao, N. Sadzak, Y. Umehara, Y. Teki, N. Komatsu, O. Benson, Y. Shikano, and E. Kage-Nakadai
  • Organizer: International Workshop on Quantum Sensing & Biophotonics 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum Thermometry by nitrogen-vacancy center in diamond (2019)
  • Author(s): Yutaka Shikano
  • Organizer: Mini-Workshop on Biological Sensing and its Application
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum Thermometry by nitrogen-vacancy center in diamond (2019)
  • Author(s): Yutaka Shikano
  • Organizer: 21st Annual Greater Boston Area Statistical Mechanics Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multifunctional Quantum Nanodiamond Sensor (2019)
  • Author(s): Yutaka Shikano
  • Organizer: International conference on quantum Metrology and Sensing (IQuMS 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 研究業績内容
  • URL: https://sites.google.com/gunma-u.ac.jp/slab/research
• [Remarks] 慶應義塾大学量子コンピューティングセンター 業績
  • URL: https://www2.quantum.keio.ac.jp/
• [Remarks] 研究室ＨＰ
  • URL: https://sites.google.com/gunma-u.ac.jp/slab/
• [Funded Workshop] 9th Workshop of Quantum Simulation and Quantum Walks (2020)
• [Funded Workshop] International Workshop on Quantum Sensing & Biophotonics 2019 (2019)
• [Funded Workshop] Mini-Workshop on Biological Sensing and its Application (2019)