Theoretical modeling of optomechanical pendulum for testing quantumness of gravity

• Project Area: The Natural Laws of Extreme Universe--A New Paradigm for Spacetime and Matter from Quantum Information
• Project/Area Number: 22H05263
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 山本 一博 九州大学, 理学研究院, 教授 (50284154)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: オプトメカニクス / 重力量子もつれ / 巨視的量子現象 / 量子制御 / ウィーナーフィルター / 重力の量子性 / オプトメカ / マクロな量子現象 / 量子フィルター

Outline of Research at the Start

重力が示す量子力学的性質の検証を最終目標として、量子制御が可能な最も大きな質量を持つマクロな量子系をどのように実現し、重力が量子力学の枠組みに従うかどうかをどのように実験的に検証できるかを探究する。具体的にはオプトメカと呼ばれる光学機械振動子系に着目し、キャビティ光と相互作用するビーム模型に基づいた理論模型を構築する。低周波領域で重要となる鏡振動子の振り子モードと回転モードの相互作用を記述する理論模型を整備し、それらの自由度に現れるマクロな量子現象を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

巨視的物体の量子状態の実現と重力の量子性の検証に向け、光共振器を用いてレーザー光と結合した鏡（光学機械振動子）の理論模型の構築と量子状態の理論予言を行なった。第一に、現在実験で実現されている懸架鏡の光学機械振動子の理論模型として、有限の大きさを持った鏡と梁からなるビーム模型が光共振器のレーザー光と結合する理論模型をラグランジアンから出発して定式化を行なった。その結果、低周波数では重心の運動を表す振り子モードに加えて、鏡の回転を表す回転モードの２ モードによる定式化が可能であることを示した。梁の曲がりに伴う散逸を取り入れると、その周波数特性は周波数の逆数に比例する構造減衰で記述できることも示した。また、懸架鏡の光連続測定とフィードバック制御を想定し、ウィーナーフィルターを用いた推定により実現可能な量子状態の理論評価を行なった。このために必要な懸架鏡の振り子モードと回転モードに対する雑音を除去するウィーナーフィルターを構築した。キャビティ光の連続測定の条件下で実現される振り子モードの分散を表す条件付き共分散行列を評価することにより、実現される量子状態を評価した。 その結果、回転モードの適切な取り扱いにより実現される振り子モードの量子状態を明らかにした。それにより現在実現されている実験パラメーターを統合することで、ミリグラムスケール物体の量子状態の実現が可能であることを理論的に示した。さらに、これらの懸架鏡を二つ組み合わせたファブリ・ペロー・マイケルソン干渉計を構成することで、二つのミリグラムスケール物体の量子もつれ状態の実現も可能になることを理論的に明らかにした。これらの結果は、重力の量子性の検証実験に向けたマイルストーンとして重要である。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Violation of the two-time Leggett-Garg inequalities for a coarse-grained quantum field (2024)
  • Author(s): Masaki Tani, Kosei Hatakeyama, Daisuke Miki, Yuki Yamasaki, Kazuhiro Yamamoto
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 109 Issue: 3 Pages: 032213-032213
  • DOI: 10.1103/physreva.109.032213
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum signature of gravity in optomechanical systems with conditional measurement (2024)
  • Author(s): Daisuke Miki, Akira Matsumura, Kazuhiro Yamamoto
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 109 Issue: 6 Pages: 064090-064090
  • DOI: 10.1103/physrevd.109.064090
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Classical gravitational effect on the standard quantum limit of finite-size optical lattice clocks in estimating gravitational potential (2023)
  • Author(s): Nishimura Fumiya、Kuramochi Yui、Yamamoto Kazuhiro
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 108 Issue: 6
  • DOI: 10.1103/physreva.108.063112
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum uncertainty of gravitational field and entanglement in superposed massive particles (2023)
  • Author(s): Yuuki Sugiyama, Akira Matsumura, Kazuhiro Yamamoto
  • Journal Title: Phys. Rev. D Volume: 108 Issue: 10
  • DOI: 10.1103/physrevd.108.105019
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum state of a suspended mirror coupled to cavity light - Wiener filter analysis of the pendulum and rotational modes (2023)
  • Author(s): Tomoya Shichijo, Nobuyuki Matsumoto, Akira Matsumura, Daisuke Miki, Yuuki Sugiyama, Kazuhiro Yamamoto
  • Journal Title: arXiv.org e-Print archive Volume: -
• [Journal Article] Generating quantum entanglement between macroscopic objects with continuous measurement and feedback control (2023)
  • Author(s): Daisuke Miki, Nobuyuki Matsumoto, Akira Matsumura, Tomoya Shichijo, Yuuki Sugiyama, Kazuhiro Yamamoto, Naoki Yamamoto
  • Journal Title: Phys. Rev. A Volume: 107 Issue: 3 Pages: 032410-032410
  • DOI: 10.1103/physreva.107.032410
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effective description of a suspended mirror coupled to cavity light -Limitations of Q-enhancement due to normal mode splitting by an optical spring- (2023)
  • Author(s): Yuuki Sugiyama, Tomoya Shichijo, Nobuyuki Matsumoto, Akira Matsumura, Daisuke Miki, Kazuhiro Yamamoto
  • Journal Title: Phys. Rev. A Volume: 107 Issue: 3 Pages: 033515-033515
  • DOI: 10.1103/physreva.107.033515
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Leggett-Garg inequalities for testing quantumness of gravity (2022)
  • Author(s): Akira Matsumura, Yasusada Nambu, Kazuhiro Yamamoto
  • Journal Title: Phys. Rev. A Volume: 106 Issue: 1
  • DOI: 10.1103/physreva.106.012214
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Consistency between causality and complementarity guaranteed by the Robertson inequality in quantum field theory (2022)
  • Author(s): Yuuki Sugiyama, Akira Matsumura, Kazuhiro Yamamoto
  • Journal Title: Phys. Rev. D Volume: 106 Issue: 12
  • DOI: 10.1103/physrevd.106.125002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of photon field on entanglement generation in charged particles (2022)
  • Author(s): Yuuki Sugiyama, Akira Matsumura, Kazuhiro Yamamoto
  • Journal Title: Phys. Rev. D Volume: 106 Issue: 4
  • DOI: 10.1103/physrevd.106.045009
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Toward testing quantum nature of gravity (2023)
  • Author(s): Kazuhiro Yamamoto
  • Organizer: Laser Physics Workshop, LPHYS'23
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Feasibility of generating quantum states in optomechanics - Two-mode theory of suspended mirror coupled to cavity light: Wiener filter analysis - (2023)
  • Author(s): Kazuhiro Yamamoto
  • Organizer: 13th annual Conference on relativistic quantum information (North)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] On the quantum nature of gravity and optomechanical tests (2023)
  • Author(s): Kazuhiro Yamamoto
  • Organizer: ExU-YITP Workshop on Holography, Gravity and Quantum Information
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 重力の量子性 － 調和振動子の重力量子もつれ － (2022)
  • Author(s): 山本一博
  • Organizer: QUP Theoretical Collaboration Meeting
• [Presentation] Leggett-Garg inequality for testing quantumness of gravity (2022)
  • Author(s): 山本一博
  • Organizer: YITP-ExU workshop "Quantum extreme universe from quantum information"
• [Presentation] Testing quantumness of gravity and modeling optomechanics with suspended mirror (2022)
  • Author(s): 山本一博
  • Organizer: Extreme Universe, Kick-off meeting for publicly offered research
• [Presentation] Generating quantum entanglement between macroscopic objects with continuous measurement and feedback control: Toward testing quantum nature of gravity (2022)
  • Author(s): 山本一博
  • Organizer: QUP workshop: toward Project Q, KEK
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 重力の量子性の検証に向けた懸架型光学機械振動子の精密理論模型の構築 (2022)
  • Author(s): 山本一博
  • Organizer: Extreme Universe 第二回領域会議