2019 Fiscal Year Annual Research Report
Optical Levitation to Realize a Macroscopic Quantum System
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19J21861
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
川崎 拓也 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | 巨視的量子力学 / 光学浮上 / 光輻射圧 / 光共振器 / レーザー / エンタングルメント / 量子測定 / オプトメカニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、巨視的量子系を実現することにより、いまだ実験的検証が行われていないマクロなスケールでの量子力学検証、そして重力相互作用を組み込んだ量子力学の研究を行うことを目的としている。
そのための方法として、巨視的な振動子の位置測定を精密に行うことのできる機械光学系に着目し、かつ振動子としての微小な鏡を光の輻射圧のみによって支持しトラップすることで、懸架による熱的な雑音を除外し、量子効果を観測できる感度を実現する。
平成31年度は、まず本研究の光学浮上構成である、サンドウィッチ構成の安定性の評価を行い、安定な系であることの実証実験に成功した。サンドウィッチ構成は 2 本のレーザー光だけで並進、回転全自由度安定な系を構築できる独自の構成であるが、その安定性が、特に水平方向については幾何学構成からもたらされ非自明であるという点が課題であった。このため、本研究ではまず、ねじれ振り子を高感度な力センサーとして用いて、サンドウィッチ型構成がもたらす復原力を精密に測定する実験を行った。この系により、光の輻射圧由来である微小な復原力の測定に成功し、サンドウィッチ構成により有意に正の復原力がもたらされていることを世界で初めて実証した。
また、光学浮上を実現し、振動子の変位測定感度が標準量子限界に達した系は、巨視的な量子系の研究を幅広く行うことができるプラットフォームとなる。そこで、光学浮上を実現した系の量子センサーとしての応用を考えると、標準量子限界を突破した感度を実現することも重要性である。この点を踏まえ、標準量子限界を超える感度を実現するためのスキームを実証する実験を微小な懸架鏡を用いて行った。微小鏡により構成された高感度な線形光共振器により、測定のバックアクション雑音の回避をデモンストレーションすることに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
鏡の光学浮上の実現に向けて、本研究での構築を目指しているサンドウィッチ型構成の安定性を実証することに成功した。その上で、鏡の変位測定感度が標準量子限界に到達した後のさらなる感度向上を見据えて、量子雑音の低減手法をデモンストレーションする実験を懸架鏡を用いておこない、実際に反作用雑音の低減を示唆する結果を得たため。
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| Strategy for Future Research Activity |
実際に鏡の光学浮上を成功させ、その鏡の変位測定感度を標準量子限界へ到達させるため、まずは曲率つき微小鏡の鏡の作成を行う。技術的な挑戦となる鏡作成の方法の検討にあたっては、従来の光学素子の他にも、フォトニック結晶を鏡として利用することなど、最新の技術を幅広く検討している。高品質の微小鏡の作成に成功した後、その性能評価、そして光学浮上を行うセットアップの構築を行う。
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