| Project/Area Number |
23K25871
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| Project/Area Number (Other) |
23H01175 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
山本 一博 九州大学, 理学研究院, 教授 (50284154)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松村 央 九州大学, 理学研究院, 助教 (20881569)
南部 保貞 名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (40212112)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000)
Fiscal Year 2026: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2025: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
Fiscal Year 2024: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
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| Keywords | レゲット・ガーグ不等式 / 重力量子もつれ / デコヒーレンス / 巨視的量子現象 / オプトメカ系 / 重力の量子性 / 実在性の破れ / オプトメカニクス / 量子もつれ / 重力の量子力学的性質 / レゲット-ガーグ不等式 / 量子重力 |
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| Outline of Research at the Start |
量子重力理論の出発点である「重力は量子力学の枠組みに従うのか、それを確かめる方法と実験への展望、その量子重力理論への意義」を解明するため、重力の量子性の検証法と意味を多角的に研究し、量子技術の発展を利用した実験の可能性を明らかにする。量子的重ね合わせ状態の粒子や振動子が重力相互作用する量子力学系を中心として、時間的相関、量子もつれ、非可換性、ウィグナー関数に現れる重力の量子性の特徴を整理し、非局所性や実在性の破れにより特徴付けられる重力の量子性の検証が、場の理論的アプローチによる量子重力理論とどのように関係するか探求する。オプトメカ系等を用いた実験と結びつく量子重力の新しい研究分野を開拓する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
オプトメカ系を組み合わせた模型における重力が誘起する量子もつれ（重力量子もつれ）が生じる条件を解析した。カルマンフィルターを用いた時間領域での量子制御により、重力量子もつれの時間的振る舞いを解析し、誤差を含めた量子もつれの定量的評価を通じ、もつれの信号が雑音より大きくなるために必要な時間も調べた。環境の熱雑音には厳しい制限がつけられるが、理想的なパラメーターを選ぶことで、1か月程の時間で信号が雑音を上回ることを明らかにした。
重力の量子性の検証実験として提案されたBMV実験提案では、シュテルン・ゲルラッハ効果により粒子の重ね合わせ状態を制御するため、電磁場の量子揺らぎがスピンとの相互作用を介して物質波干渉に影響する可能性がある。そこで、量子電磁場の存在下での物質波干渉において、空間的に重ね合わせられた電気的中性なスピン1/2粒子のデコヒーレンス効果を解析した。スピンと磁場の相互作用によるデコヒーレンスは、局所的デコヒーレンスと、非局所的デコヒーレンスの二つの要因に分類できることを示した。また、量子電磁場が熱状態にある場合、デコヒーレンスは場の温度の上昇に伴い単調に増加することも明らかにした。
摂動的重力場の量子論を用いて、粒子間の重力量子もつれ現象、因果律、重力場の量子的不確定性について議論した。重力場の不確定性が重力量子もつれを抑制し、 因果律と整合的になることを示した。さらに量子モノガミー関係から重力場の量子性を特徴づけることができた。また古典重力と量子系の結合系を記述するOppenheimらの提案した新理論に基づき粒子の散乱現象を調べた。この理論のもつデコヒーレンスパラメータと拡散パラメータが定数のとき、場の量子論の予言とはO(1)で異なる遷移確率が得られることがわかった。これはOppenheimらの理論のもつ問題点を指摘することにつながった。
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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
これまでの研究で、調和振動子のガウス状態系に対するレゲット-ガーグ不等式(LGI)の破れ構造を詳細に解析し, ガウス状態の測定演算子を用いてその状態のsqueezingを変えることでLGIの破れが予想される最大値にほぼ到達可能であることが明らかにした。また、単一振動子系に対する手法を量子場の系に拡張することで、場の測定に伴うLGIの破れの評価方法を確立した。これは量子ホール系の実験設定の下でのLGI破れの検証実験に応用可能である。
量子もつれを用いた重力の量子性の検証については、オプトメカ系を用いた方法が有用であることを示した。重力相互作用する2つの鏡を量子制御することで、鏡の間に生じる重力による量子もつれの評価を行い、実験的検証に必要な散逸や温度等のパラメータの条件を明らかにした。具体的には、時間領域における量子制御とフーリエ領域における量子制御の枠組みを構築し、それぞれの領域において重力による量子もつれの評価を行った。これらの評価において重力量子もつれ生成と検出に必要な時間の評価や、結果の物理的解釈を進めている。
また、摂動的重力場の量子論が予言する重力量子もつれ現象について量子情報理論の知見から理解が進められた。また重力を量子化せず古典場として扱う理論（例えばOppenheimらの理論）についても理解が深まってきたことで、重力場の古典性や量子性について定量的に評価できる準備が整ってきた。
以上のことから、本研究課題で目指す重力の量子性の理解と検証へ向けて、おおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
量子もつれによる重力の量子性の検証において、オプトメカ系を用いた方法についてさらに研究を進める必要がある。特に、重力量子もつれ生成を最大化する物理的メカニズムやその実験的検証に向けた測定実験の最適化等も検討する必要がある。
重力が誘起する量子もつれとLGIの破れの関係性を追求しかつ理解するために、量子もつれを持つ量子場の系（量子ホール系）を用いて以下の解析を実行する計画である。場の相関の測定を弱測定の形に拡張して、LGIの破れと測定によるdisturbanceの関係を吟味する。また、時間方向の相関と空間方向の相関との関係を考察し、時間相関に由来するLGIの破れと空間相関に由来するBell不等式の破れとの関係を見る。そして、LGI破れにおける量子もつれの役割を理解する。加速する粒子から放出されるUnruh輻射（Larmor輻射）の空間相関及び時間相関を評価し、LGI破れと量子もつれの関係性を検討する。
重力場を量子化する摂動的重力場の量子論について、 量子情報理論を用いた理解を進めていくとともに、 重力場を量子化せず古典場とみなすOppenheimらの理論についても研究していく。 特にこの理論のもつデコヒーレンスや拡散といった振る舞いは、どちらも環境系と結合する量子系・古典系に現れる性質であるため、 開放系の有効理論として理解できると期待される。 このような有効理論的な描像を理解することで、 重力場を量子化する理論としない理論の違いを系統的に明らかにしていく。
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