2021 Fiscal Year Annual Research Report
超小型衛星を用いた小型宇宙レーザー干渉計による巨視的量子力学理論の高精度検証
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20J01928
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
長野 晃士 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | レーザー干渉計 / 量子力学 / 衛星 / 精密計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、精密計測プラットフォームとしての超小型宇宙レーザー干渉計技術を開発し、100 gという巨視的な質量を持つ試験マスの量子性の検証を目指すことである。本年度は、そのために必要な軌道上での静謐環境を実現するための高精度ドラッグフリー技術の開発と、軌道上での具体的な感度設計を行った。
まず、高精度ドラッグフリー制御のための高精度センサーとして、干渉計センサーQUIMETTの開発を行った。QUIMETTは、光学系（干渉計）とFPGAを組み合わせた直交位相干渉計センサーである。今年度は、干渉計からの実信号をFPGAでリアルタイムに処理をするという統合実証を行い、0.1 Hzで0.1 nm/Hz^(1/2)という感度を実現した。今後は、QUIMETTを衛星を模擬した可動ステージに搭載し、ドラッグフリー制御の実証を行う。
また、軌道上での衛星の振動などを考慮し、宇宙レーザー干渉計の具体的な感度設計を行った。本研究で目標とするのは、2つの100 g鏡の量子エンタングルメントの観測であるが、エンタングルメントの指標となるのが対数ネガティビティという量である。本年度は、現実的な振動環境等を考慮した上で、鏡の反射率やレーザーパワーの設計を行い、有意な対数ネガティビティ 0.4 を実現できることを示した。また、その過程でレーザー干渉計や衛星システムに対する要求・仕様を整理した。
来年度は、今年度進めた開発・検討をさらに発展させ、超小型衛星による量子論の検証実験という計画のフィージビリティスタディを進めていく。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、これまでに、主に精密計測プラットフォームとしてのレーザー干渉計技術の検討や、高精度ドラッグフリー制御のための技術開発、衛星システム全体としての概念検討を行ってきた。
まず、本研究で開発するレーザー干渉計では、レーザー周波数雑音が問題となる。そこで、本研究では、参照共振器によるレーザー周波数安定化を実施する予定である。これまでに、その地上試験として50 cmのインバースペーサを参照共振器としたレーザー周波数安定化システムの構築を開始している。
また、高精度ドラッグフリー制御のための高精度センサーとして、干渉計センサーQUIMETTの開発を行った。QUIMETTは、干渉計とFPGAを組み合わせた直交位相干渉計センサーである。これまでに、機能実証はほぼ完了している。現在は、雑音低減を実施して、目標感度を実現するための最終開発フェイズに移行している。
さらに、軌道上の衛星で生じる雑音などを検討し、宇宙レーザー干渉計の具体的なパラメータ設計を行った。特に、量子エンタングルメントの指標となる対数ネガティビティを計算しており、実際に量子エンタングルメントが実現できることが示されている。これにより、具体的な衛星全体のシステム検討が可能な状況になっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに、本研究での実現を目指している小型宇宙レーザー干渉計のコンポーネントの開発を主に行ってきた。今後はそれらを組み合わせたシステムとしての検討・実証を進める。加えて、本研究の目標である量子エンタングルメントを確認するために必要な状態推定の手法を開発する。
まず、レーザー干渉計システムとしては、本研究で用いるデュアル・リサイクルド・マイケルソン干渉計を実証する。特に、レーザー周波数安定化システムを含めた形での、主干渉計全体の制御方式を設計し・実証する。その際、軌道上で浮遊した鏡の運動等を考慮する。
次に、ドラッグフリー衛星の機能を実証する。ドラッグフリー衛星を実現するためには、センサー・コントローラ・アクチュエータを統合したシステムが必要である。そのために、これまでに開発した干渉計センサーを、地上実験室に構築した衛星を模擬した可動ステージ上に搭載し、ドラッグフリー制御の地上実証を行う。
そして、衛星の全体システムの概念検討を行う。具体的には、主レーザー干渉計と衛星バスの間のインターフェース検討を行う。特に、データの送受信や熱、電磁波環境などを検討することで、衛星設計につなげる。
また、量子エンタングルメントを確認するためには、測定データからウィグナー関数を求めることでネガティビティを計算する。そこで、地上試験時の干渉計雑音から生成するモックデータを利用し、機械学習による系の状態推定手法を応用した現実的なウィグナー関数の計算手法を確立する。
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