弱測定理論の精密分光学への応用可能性の探究

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K14636
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 鹿野 豊 慶應義塾大学, 理工学研究科(矢上), 特任准教授 (80634691)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 量子シミュレーション / 量子測定 / 量子計測 / ナノダイヤモンド / 線虫 / 生体計測 / ＮＶ中心

Outline of Annual Research Achievements

量子測定理論を精密分光法へ応用出来るかについて議論し、量子測定理論の実用例を増やしていくことが本研究課題の目的である。本研究課題のコア技術と想定していたアハロノフ教授らによって発案された「弱測定理論」に関しての進展に関して、エンタングルメント状態に対する量子状態推定技術に関して論文にまとめている。更に、中国の実験グループと共同で、量子光学実験の実験系においてエンタングルメント検出に関して、機械学習を組み合わせることにより混合状態にまで拡張できることを定量的に示した。
量子測定理論の応用事例として、ナノダイヤモンド中の窒素・格子欠陥を用いた量子測定法に関して、生体局所温度計測に関する理論・実験に関して大阪市立大学の藤原正澄講師の研究グループなどと共同して開発してきた。今年度は局所温度計測をしたままでのイメージングに関して挑戦し、これらに関する技術的な課題をまとめ、論文として出版した。更に、これらの理論的な側面、技術的な側面を包括し、ダイヤモンドを用いた局所温度計測に関するレビュー論文を執筆した。これらの研究成果に関しては、コロナ禍ではあるものの、招待講演を様々な学会で行うことが出来、新規分光方法論に関する議論を行うことが可能である状態にある。これらの研究の方向性は今後、生体量子計測の文脈で重要となってくると予測できるため、計測のコンセプトを固め、技術的な課題を吟味しながら、研究分野を牽引出来る体制を構築したいと思う。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

量子測定理論の応用事例に関しては、モデル生物である線虫を用いた薬剤刺激による非ふるえ熱産生をナノダイヤモンドＮＶ中心を用いた局所温度計によって計測に関する論文を契機として、飛躍的に進展している。また、オンラインにおける学会発表なども招待講演も多く、研究計画以上の研究進展をみせている。一方、弱測定理論の進展に関しては、技術的な計算よりも理論的なアイディアの部分が欠如している部分があり、少し進展が遅れてしまった。今後、弱測定理論の進展に関する成果についても成果発表を行う機会を積極的に設け、論文としてまとめたものを出版するところまで計画している。

Strategy for Future Research Activity

今年度、新型コロナウィルス拡散防止のため、２度の緊急事態宣言が発令され、研究機関における活動が制限されてしまったため、そのため、来年度まで研究計画を延長させ、オンラインにおける学会発表などを通じて成果発表を積極的に行っていきたいと考えている。
更には、今年度末で採択時の研究機関を離籍し、来年度より新しい研究機関へと異動となった。異動に際して、研究室の立ち上げ等の付加的な用務が入ってしまうが、なるべく早期に研究計画を円滑に遂行できる体制を整えていきたいと考えている。そのための資料整理に関して、本研究課題を遂行するために、事務支援員を雇用することを計画している。

Causes of Carryover

コロナ禍で研究計画として実施予定であった海外における共同研究に関する議論および成果発表は出来なくなった。そのため、研究計画を大幅に変更せざるを得なかった。
次年度に関しては、研究代表者が異動したため、更に研究計画の遂行に関する進展が見込めない部分があるため、資料整理のための事務支援員を雇用する。更には、実験系との緊密な連携を図るため、次年度に異動した研究機関において残されていた実験系を改良することで、量子計測の応用事例を増やすことための備品、消耗品の購入にあてる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Soochow University/USTC(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Soochow University/USTC
• [Int'l Joint Research] Humboldt-Universitat zu Berlin(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Humboldt-Universitat zu Berlin
• [Int'l Joint Research] Chapman University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Chapman University
• [Int'l Joint Research] Tel Aviv University(イスラエル)
  • Country Name: ISRAEL
  • Counterpart Institution: Tel Aviv University
• [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 Pages: 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 Pages: eaba9636
  • DOI: 10.1126/sciadv.aba9636
  • 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 Pages: 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
  • DOI: 10.1063/5.0029700
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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
• [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/