2023 Fiscal Year Annual Research Report
Beating the standard quantum limit using optical-spring quantum locking for space gravitational-wave antenna DECIGO
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22H01247
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
川村 静児 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (40301725)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 原始重力波 / DECIGO / 量子ロッキング / 標準量子限界 / 光バネ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、光バネ量子ロッキングをDECIGOに組み込む際の理論的な解析を行い、どのような手法で量子雑音が最適化できるかを検討し、そして、本手法の原理実証実験を行い、その有効性を確認し、問題点を洗い出し、輻射圧雑音除去の現実的な限界を見極めることである。
本年度は、理論面においては、光バネ量子ロッキングにおけるホモダイン検波システムに伴う真空場の混入の効果について詳しい検討を行った。その結果、若干の感度の悪化は認められるものの、依然として光バネ量子ロッキングが高い有効性をもつことが確認された。この結果を論文として発表した。また、DECIGOにおける光共振器の意義について改めて詳しい検討を行い、マイケルソン型と比べて感度の点で有意に上回ることが確認された。この結果も論文として発表した。
実験面においては、模擬量子雑音を用いて、量子ロッキングの原理実証実験（ステップ１ｂ）を行い、これを成功させた。具体的には、光の振幅の量子雑音は古典雑音を電気光学素子を用いてレーザー光に印加し、また、輻射圧雑音は固定鏡を古典的に振動させることにより模擬した。そしてホモダイン検波によりある特定の周波数で、光の振幅の模擬量子雑音と模擬輻射圧雑音がキャンセルし、雑音低減が実現できることを実証した。
また、次のステップである原理実証実験（ステップ２）の準備を行った。ステップ２は、懸架鏡を用いたホモダイン検波の実験である。具体的には、電気光学素子により古典的に振幅の模擬量子雑音を光に加え、それによって揺さぶられる懸架鏡の反射光に生じる模擬輻射圧雑音を、ホモダイン検波により振幅の模擬量子雑音とある周波数でキャンセルさせ、ホモダイン検波の有用性を確認する実験である。これの準備として、各種雑音を評価し、鏡懸架システムや制御システムを設計し、一部の製作を行った。また、真空槽の準備も行った。
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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
理論面においては、光バネ量子ロッキングにおけるホモダイン検波システムに伴う真空場の混入がある場合においても、光バネ量子ロッキングが高い有効性をもつことを確認し、論文として発表することができた。また、DECIGOにおいて光共振器を用いることで、マイケルソン型干渉計と比べて高感度が達成できることを改めて確認し、論文として発表することができた。
実験面においては、模擬量子雑音を用いて、ホモダイン検波によりある特定の周波数で、光の振幅の模擬量子雑音と模擬輻射圧雑音がキャンセルし、雑音低減が実現できることを実証することに成功した。また、次のステップの準備として、干渉計の出力信号に存在する各種雑音の大きさを評価し、また、実験で用いられる超小型鏡懸架システムやデジタル制御システムを設計し、一部のハードウェアの製作を行った。また、実験で使用する真空槽の調達と準備も行った。
したがって、全体としておおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、ステップ１ｂの実験を完了させ、ホモダイン検波の有用性を示すことができた。また、ステップ２の準備についても順調に進めることができた。
そこで、次年度は、これらの成果と準備を受けて、原理実証実験（ステップ２）を行う。この実験においては、光の振幅の量子雑音に関しては古典雑音を電気光学素子を用いてレーザー光に印加する。これはステップ１ｂと同様である。しかし、輻射圧雑音に関しては、ステップ１ｂと違って、懸架された鏡を上記の光の振幅揺らぎが輻射圧の変化を通して直接鏡を揺さぶることを利用して行う。また、ステップ１ｂでは考慮しなかったショットノイズに関しても、古典雑音を電気光学素子を用いてレーザー光の位相に印加することにより模擬する。そして、ホモダイン検波により、ある特定の周波数で、光の振幅の模擬量子雑音と模擬輻射圧雑音がキャンセルし、模擬標準量子限界を打破できることを実証する。これにより、実際の量子雑音の低減のメカニズムと同じ形での原理実証実験が可能となる。
具体的には、まず鏡懸架システムのプロトタイプを製作し、ローカルダンピングや雑音加算などの機能を、前年度に製作したデジタル制御システムを用いて行い、その振る舞いを評価する。その結果、必要ならば設計を改善し、３台の鏡懸架システムを製作する。次に、真空槽を設置し、その中に鏡懸架システム２台を含む光学系を設置し、まずは１台の光共振器を組み、アラインメントを取り、真空に引いた後、共振状態へのロックを行う。これがうまくいけば、次に鏡懸架システムをもう１台追加し、連結した光共振器を組み、アラインメントを取る。真空に引いた後、２台の共振器を同時に共振させる。各雑音源から各エラー信号までの伝達関数を測定し、それらのデータを用いて、平方完成を利用して模擬量子雑音の最適化を行い、最終的に、模擬標準量子限界を打破できることを実証する。
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[Journal Article] Optimization of Quantum Noise in Space Gravitational-Wave Antenna DECIGO with Optical-Spring Quantum Locking Considering Mixture of Vacuum Fluctuations in Homodyne Detection2023
Author(s)
Kenji Tsuji, Tomohiro Ishikawa, Kentaro Komori, Koji Nagano, Yutaro Enomoto, Yuta Michimura, Kurumi Umemura, Ryuma Shimizu, Bin Wu, Shoki Iwaguchi, Yuki Kawasaki, Akira Furusawa and Seiji Kawamura
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Journal Title
Galaxies
Volume: 11
Pages: 111
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] Sensitivity optimization method for DECIGO: Combination of multiple detector outputs using the square completion method2023
Author(s)
T. Ishikawa, Y. Kawasaki, K. Tsuji, R. Yamada, I. Watanabe, B. Wu, S. Iwaguchi, R. Shimizu, K. Umemura, K. Nagano, Y. Enomoto, K. Komori, Y. Michimura, A. Furusawa, S. Kawamura
Organizer
Gravitational Wave Advanced Detector Workshop
Int'l Joint Research
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[Presentation] Treatment of Vacuum Fields in Cavity with Diffraction Loss for Space Gravitational Antenna DECIGO2023
Author(s)
Kurumi Umemura, Kenji Tsuji, Tmohiro Ishikawa, Ryuma Shimizu, Bin Wu, Shoki Iwaguchi, Yuki kawasaki, Koji Nagano, Yutaro Enomoto, Kentaro Komori, Yuta Michimura, Akira Furusawa, Seiji Kawamura
Organizer
Gravitational Wave Advanced Detector Workshop
Int'l Joint Research
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[Presentation] Quantum Noise Reduction in Gravitational Wave Detector DECIGO by Quantum Locking including Cavity Detuning and Homodyne Detection2023
Author(s)
Kenji Tsuji, Kurumi Umemura, Tomohiro Ishikawa, Ryuma Shimizu, Bin Wu, Shoki Iwaguchi, Yuki Kawasaki, Koji Nagano, Yutaro Enomoto, Kentaro Komori, Yuta Michimura, Akira Furusawa, Seiji Kawamura
Organizer
Gravitational Wave Advanced Detector Workshop
Int'l Joint Research
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[Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(172)：感度向上のための量子ロッキングの検討132023
Author(s)
石川智浩, 川﨑祐輝, 辻健志, 清水龍真, 梅村来未, Wu Bin, 岩口翔輝, 道村唯太, 長野晃士, 榎本雄太郎, 小森健太郎, 古澤明, 川村静児
Organizer
日本物理学会
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[Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(173)：感度向上のための量子ロッキングの検討142023
Author(s)
辻健志, 清水龍真, 石川智浩, 川﨑祐輝, 梅村来未, Wu Bin, 岩口翔輝, 榎本雄太郎, 道村唯太, 長野晃士, 小森健太郎, 古澤明, 川村静児
Organizer
日本物理学会
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[Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(174)：感度向上のための量子ロッキングの検討 152023
Author(s)
梅村来未, 辻健志, 石川智浩, 川﨑祐輝, Wu Bin, 岩口翔輝, 清水龍真, 榎本雄太郎, 道村唯太, 長野晃士, 小森健太郎, 古澤明, 川村静児
Organizer
日本物理学会
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[Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(179)：感度向上のための量子ロッキングの検討 162023
Author(s)
石川智浩, 川﨑祐輝, 辻健志, 清水龍真, 梅村来未, Wu Bin, 岩口翔輝, 小林和宏, 岡田宏太, 道村唯太, 長野晃士, 榎本雄太郎, 小森健太郎, 古澤明, 川村静児
Organizer
日本物理学会
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[Presentation] スペース重力波アンテナDECIGO計画(180)：感度向上のための量子ロッキングの検討 172023
Author(s)
辻健志, 梅村来未, 石川智浩, 川﨑祐輝, Wu Bin, 岩口翔輝, 清水龍真, 榎本雄太郎, 道村唯太, 長野晃士, 小森健太郎, 古澤明, 川村静児
Organizer
日本物理学会
