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Dark Matter Search Using Quantum Sensing

Research Project

Project/Area Number 22K18711
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

日下 暁人  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (20785703)

Project Period (FY) 2022-06-30 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Keywords暗黒物質 / アクシオン / 量子ビット / マグノン / 量子センシング / 量子計測 / マイクロ波
Outline of Research at the Start

本研究は、超伝導量子ビット「トランズモン」を用いた量子計測による暗黒物質探索と、それを発展させた将来実験のための技術開発を行なう。5 GHz付近の共振周波数を持つ非線形超伝導共振器であるトランズモンを用いて量子非破壊測定を行なえば、約5 GHz の光子 (~20 ueV) やそれと結合する準粒子を、量子雑音の限界を超えた精度で測定できる。近年、多様な暗黒物質候補の探索が求められており、これはトランズモンによる低エネルギー検出の格好の応用対象となる。最先端の量子計測技術を素粒子・宇宙物理学の重要問題に適用する本研究は、当該分野に新しい可能性をもたらす。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、超伝導量子ビット「トランズモン」を用いた量子センシングによる暗黒物質探索と、それを発展させた将来実験のための技術開発を行なう。トランズモンは5 GHz付近の共振周波数を持つ非線形超伝導共振器であり、今最も注目される量子ビット素子の一つである。これを用いて量子非破壊測定を行なえば、5GHz の光子 (~20 ueV) やそれと結合する準粒子の単一量子測定を、量子雑音の限界を超えた精度で達成できる。近年、Axion・暗黒光子・軽い暗黒物質など、多様な暗黒物質候補の探索が求められており、これはトランズモンによる低エネルギー検出の格好な応用対象となる。
2年度目においては、引き続きマグノンと量子ビットの結合系についてそれを用いた暗黒物質探索実験に向けた研究開発を進めた。マグノン媒質YIGの体積を増やすことに向け、大きなYIGにおけるマグノン共鳴のQ値が低下する問題を調べ、その原因を突き止めて改善することができた。また、シリンダ状のYIGを使うことで体積を大幅に増加させる試みを進めて、評価用の共振器を設計し、試験を行う準備を整えた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

シリンダ状のYIGを使うことで体積を大幅に増加させるというのは本研究開始後に得た新しい着想であるが、暗黒物質探索において大きな性能改善が見込まれるためこれを研究の軸として進めている。これには新しい共振器が必要であり、さらに大きな体積に一様磁場を印加せねばならずそのための電磁石もあらたに設計・作製をする必要がある。これらの研究は当初計画していたものに足されるものであるため、研究の完成までの時間という意味で遅れが生じている。しかし、当初の予定よりも大きなスコープを研究するという意味で、研究の内容としては遅れとは考えていない。

Strategy for Future Research Activity

従来よりも大きい直径2mm球のYIGの研究を進め、これを用いた暗黒物質探索を目指すと共に、シリンダ状の大型YIGによる暗黒物質探索についての開発も並行しておこなう。これにより、従来実験に比べて大きく感度を向上する。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2024 2023 2022

All Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results)

  • [Presentation] Research and development towards an axion search experiment using quantum sensing of magnons2024

    • Author(s)
      Yaman Singh Shrestha, Akito Kusaka, Kenji Kiuchi, Yasunobu Nakamura, Keisuke Kato
    • Organizer
      15th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2024)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Research and development towards an axion search experiment using quantum sensing of magnons2023

    • Author(s)
      Yaman Singh Shrestha, Akito Kusaka, Kenji Kiuchi, Yasunobu Nakamura, Keisuke Kato
    • Organizer
      International Workshop on Multi-probe approach to wavy dark matters (JSPS Core to Core CMB workshop 2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 量子非破壊検出を用いたアクシオンダークマター探索:YIG 結晶の大型化に向けた開発2023

    • Author(s)
      シンシュレスタヤマン、日下暁人、木内健司、中村泰信、加藤啓輔
    • Organizer
      日本物理学会第78回年次大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 量子非破壊検出を用いたアクシオンダークマター探索への応用に向けた YIG 結晶の特性評価2023

    • Author(s)
      シン シュレスタ ヤマン、日下暁人、木内健司、中村泰信、砂田佳希
    • Organizer
      日本物理学会 2023 年春季大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] マグノン量子非破壊測定を用いたアクシオン探索の検討2022

    • Author(s)
      シン シュレスタ ヤマン、日下暁人、木内健司、中村泰信、砂田佳希
    • Organizer
      日本物理学会 2022 年秋季大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Quantum Sensing & Magnons for Particle Detection2022

    • Author(s)
      Akito Kusaka
    • Organizer
      QUP Workshop toward Project Q
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 量子計測による新しい宇宙・素粒子物理学2022

    • Author(s)
      日下暁人 他
    • Organizer
      日本物理学会 秋季大会 シンポジウム「2020 年代のヨタスケールへの挑戦」
    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2022-07-05   Modified: 2024-12-25  

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