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量子分子計測と動力学解析の理論基盤

研究課題

研究課題/領域番号 23K20832
補助金の研究課題番号 21H01052 (2021-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2021-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分13040:生物物理、化学物理およびソフトマターの物理関連
研究機関分子科学研究所

研究代表者

石崎 章仁  分子科学研究所, 理論・計算分子科学研究領域, 教授 (60636207)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)
2024年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2023年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
2022年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
2021年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
キーワード量子光 / 非古典相関 / 時間分解計測 / 光合成光捕集 / 量子散逸系 / 量子もつれ / 時間分解分光計測 / 量子散逸 / 量子ダイナミクス / 光合成エネルギー移動 / 量子計測 / 量子もつれ光 / 光合成光捕集系 / 化学ダイナミクス / 非古典光 / 時間分解分子計測 / 非古典項 / 量子もつれ光子対 / 非線形分光 / 時間分解分光
研究開始時の研究の概要

本研究では、量子もつれ光など光の非古典相関を分光計測へ応用することに着目し、精度の高い選択励起や時間分解能・周波数分解能の同時向上など、超短パルスを用いた時間分解分光では実現困難な計測を可能たらしめる非古典光の生成および適用法を明らかにすることを目的としている。複雑分子系における動的過程や機能発現機構の解明に対する有用性を詳細に解析し、光の非古典相関に基づく量子分子計測および動力学解析の理論基盤について研究を推進する。

研究実績の概要

令和4年度までの研究により、CWレーザーを用いたパラメトリック下方変換によって生成される量子もつれ光子対の非古典光子相関を利用した時間分解分光理論を開発した。しかし、一対のもつれ光子を分子系に照射して誘起される非線形光学応答は非常に弱いため、それを検出することは困難であることが予想される。この課題を克服する解決策の一つはスクイーズド光を利用することであると考える。この背景から、単一量子もつれ光子対の代わりに2モード真空スクイーズド状態を光源として時間分解分光計測が可能であるかどうかを理論的に検討した。その結果、もつれ時間が分子系のダイナミクスの時間スケールに比べて十分短い場合であれば、2モード真空スクイーズド状態を用いて時間分解スペクトルの情報を取得できることを理論的に示すことができた。さらに、もつれ光子対の二光子同時計数に基づく時間分解分光計測の可能性を検討した。時間分解分光法は、複雑分子系の動的過程を研究できる強力な実験手法の一つである。しかし、光合成光捕獲タンパク質のように多くの色素分子を含む分子系では、複数の非線形光学的寄与が存在するため、スペクトルが複雑となり、解釈が困難となることがある。この問題を解決するため、量子もつれ光子対の二光子同時計数に基づく時間分解分光法を理論的に提案した。解析の結果、もつれ光子対の二光子計数検出を利用することで特定の非線形光学的寄与を選択的に除去できることを理論的に明らかにした。この選択的除去は古典的なコヒーレント光では実現できず、光の非古典的相関がもたらす有用性を理論的に示した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

光の非古典相関により特定の非線形光学過程からのシグナルを選択的に除去できることを明らかにできたことは当初の目標でもあり、おおむね順調に研究が進展していると考えている。

今後の研究の推進方策

令和6年度の目標は、スクイーズド状態を含む量子光が分子系に誘起する非線形光学応答について解析し、時間分解計測に対する光の非古典相関がもたらす効果を明確にすることである。令和5年度では、量子もつれ光子対の二光子同時計数検出に基づく時間分解量子分光を定式化した結果、光の非古典相関により特定の非線形光学過程からのシグナルを選択的に除去できることを明らかにし、時間分解量子分光の有用性を理論的に示した。そこで、令和6年度では、スクイーズド状態を含む現実的なパラメトリック下方変換の条件下で生成される量子光の場合における時間分解量子分光理論への展開について検討する。また、量子分光技術の複雑分子系への適用に向けて、複雑分子系におけるGlauberの二次相関関数に基づく量子分光計測理論の可能性について検討を行う。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (36件)

すべて 2024 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 1件、 査読あり 5件) 学会発表 (30件) (うち国際学会 10件、 招待講演 16件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Manipulation of photosynthetic energy transfer by vibrational strong coupling2024

    • 著者名/発表者名
      Jun-Yu Dong, Yasutaka Kitahama, Takatoshi Fujita, Motoyasu Adachi, Yasuteru Shigeta, Akihito Ishizaki, Shigenori Tanaka, Ting-Hui Xiao, Keisuke Goda
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 160 号: 4 ページ: 045101-045101

    • DOI

      10.1063/5.0183383

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Pathway selectivity in time-resolved spectroscopy using two-photon coincidence counting with quantum entangled photons2024

    • 著者名/発表者名
      Yuta Fujihashi, Akihito Ishizaki, Ryosuke Shimizu
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 160 号: 10 ページ: 104201-104201

    • DOI

      10.1063/5.0189134

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Control and Enhancement of Single-Molecule Electroluminescence through Strong Light-Matter Coupling2023

    • 著者名/発表者名
      Miwa Kuniyuki, Sakamoto Souichi, Ishizaki Akihito
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 23 号: 8 ページ: 3231-3238

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.2c05089

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Probing exciton dynamics with spectral selectivity through the use of quantum entangled photons2023

    • 著者名/発表者名
      Fujihashi Yuta, Miwa Kuniyuki, Higashi Masahiro, Ishizaki Akihito
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 159 号: 11 ページ: 114201-114201

    • DOI

      10.1063/5.0169768

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Achieving two-dimensional optical spectroscopy with temporal and spectral resolution using quantum entangled three photons2021

    • 著者名/発表者名
      Fujihashi Yuta、Ishizaki Akihito
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 155 号: 4 ページ: 044101-044101

    • DOI

      10.1063/5.0056808

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Quantum biophysical chemistry: Old roots, new shoots2024

    • 著者名/発表者名
      石崎章仁
    • 学会等名
      京都大学大学院工学研究科分子工学専攻 特別講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 非ガウス熱浴と相互作用する量子系のダイナミクス:ポアソンノイズマスター方程式2024

    • 著者名/発表者名
      布能謙、石崎章仁
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 非調和振動子環境と結合した電子系の量子ダイナミクス2024

    • 著者名/発表者名
      三輪邦之,坂本想一,石崎章仁
    • 学会等名
      第71回 応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 非調和格子振動環境における電荷キャリアの量子ダイナミクス2024

    • 著者名/発表者名
      三輪邦之,坂本想一,石崎章仁
    • 学会等名
      日本物理学会 2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 量子もつれ光子対を用いた二光子同時計数による時間分解分光法におけるLiouville経路選択性2024

    • 著者名/発表者名
      藤橋裕太, 石崎章仁, 清水亮介
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Probing exciton dynamics with spectral selectivity through the use of quantum entangled photons2023

    • 著者名/発表者名
      Akihito Ishizaki
    • 学会等名
      Les Houches School of Physics Workshop on Quantum Dynamics and Spectroscopy of Functional Molecular Materials and Biological Photosystems
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 量子生物物理学における誤り訂正2023

    • 著者名/発表者名
      石崎章仁
    • 学会等名
      Q-LEAP量子AI×量子生命交流会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 量子散逸系としての光捕集系ダイナミクス2023

    • 著者名/発表者名
      石崎章仁
    • 学会等名
      学術変革領域研究「1000テスラ超強磁場による化学的カタストロフィー: 非摂動磁場による化学結合の科学」第2回領域会議
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 光と物質の強結合による単一分子電界発光特性の制御2023

    • 著者名/発表者名
      三輪邦之,坂本想一,石崎章仁
    • 学会等名
      第84回 応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Quantum dynamics of a photoexcited electronic system coupled to an anharmonic oscillator environment2023

    • 著者名/発表者名
      Kuniyuki Miwa, Souichi Sakamoto, Akihito Ishizaki
    • 学会等名
      NanospecFY2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Probing exciton dynamics with spectral selectivity through the use of entangled photons: Application to the study of photosynthetic light-harvesting systems2023

    • 著者名/発表者名
      Yuta Fujihashi, Kuniyuki Miwa, Masahiro Higashi, Akihito Ishizaki
    • 学会等名
      The 6th International Forum on Quantum Metrology and Sensing
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 光化学系IIにおける二種類のクロロフィルの共存が励起エネルギー移動に与える影響2023

    • 著者名/発表者名
      E. Kim, D. Lee, 坂本想一, J.-Y. Jo, M. A. Vargas-Contreras, 石崎章仁, 皆川純, H. Kim
    • 学会等名
      日本物理学会 2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 光と物質の強結合領域における単一分子電界発光特性の制御(口頭)2023

    • 著者名/発表者名
      三輪邦之, 坂本想一, 石崎章仁
    • 学会等名
      日本物理学会 2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 時間分解量子もつれ分光の理論:光の非古典相関を利用したスペクトル選択的な励起ダイナミクスの観測(口頭)2023

    • 著者名/発表者名
      藤橋裕太, 三輪邦之, 東雅大, 石崎章仁
    • 学会等名
      日本物理学会 2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Investigating Excited-state Dynamics in Molecules with Quantum Entangled Photons2022

    • 著者名/発表者名
      Akihito Ishizaki
    • 学会等名
      The 22nd International Conference on Ultrafast Phenomena
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Quantum Biophysics: Old Roots, New Shoots2022

    • 著者名/発表者名
      Akihito Ishizaki
    • 学会等名
      量子科学技術研究開発機構 関西光科学研究所 90th KPSI Seminar
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Theoretical study on quantum dynamics in condensed phase molecular systems2022

    • 著者名/発表者名
      Akihito Ishizaki
    • 学会等名
      Quantum Innovation 2022: The International Symposium on Quantum Science, Technology and Innovation
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 量子もつれ光子対を用いたFenna-Matthews-Olsonタンパク質の時間分解分光スペクトルの理論的解析(ポスター)2022

    • 著者名/発表者名
      藤橋裕太、東雅大、石崎章仁
    • 学会等名
      京都大学福井謙一記念研究センターオンラインシンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 量子もつれ光子による光合成捕集系の時間分解計測に関する理論的研究(口頭)2022

    • 著者名/発表者名
      藤橋裕太、石崎章仁
    • 学会等名
      日本物理学会 第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 量子もつれ光子を用いた時間分解分光の理論:光合成タンパク質への適用(ポスター)2022

    • 著者名/発表者名
      藤橋裕太、東雅大、石崎章仁
    • 学会等名
      研究会「凝縮系の理論化学」
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 量子科学の観点からみる複雑分子系におけるダイナミクス2021

    • 著者名/発表者名
      石崎章仁
    • 学会等名
      分子科学会第8回分子性固体オンラインセミナー
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 量子科学の観点からみる複雑分子系におけるダイナミクス2021

    • 著者名/発表者名
      石崎章仁
    • 学会等名
      お茶の水女子大学理学部物理学科物理教室談話会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Probing excited-state dynamics with quantum entangled photons:Correspondence to coherent multidimensional spectroscopy2021

    • 著者名/発表者名
      Akihito Ishizaki
    • 学会等名
      Telluride workshop "Spatio-Temporal Dynamics of Excitons:Bridging the Gap Between Quantum Mechanics and Applications"
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 時間分解量子もつれ分光による光合成初期過程の理論的解析2021

    • 著者名/発表者名
      藤橋裕太、石崎章仁
    • 学会等名
      量子生命科学会 第3回大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 量子科学で挑んだ光合成初期過程研究2008年~2021年2021

    • 著者名/発表者名
      石崎章仁
    • 学会等名
      量子生命科学会 第3回大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Investigating Excited-state Dynamics in Molecules with Quantum Light2021

    • 著者名/発表者名
      Akihito Ishizaki
    • 学会等名
      Advanced Spectroscopy of Organic Materials for Electronic Applications (ASOMEA-X 2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Probing excited-state dynamics with quantum entangled photons:Correspondence to coherent multidimensional spectroscopy2021

    • 著者名/発表者名
      Akihito Ishizaki
    • 学会等名
      11th Asian Photochemistry Conference (APC2021)
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 量子散逸系として見る光捕集系におけるダイナミクス2021

    • 著者名/発表者名
      石崎章仁
    • 学会等名
      東京大学物性研究所短期研究会 「分子性固体研究の拡がり:新物質と新現象」"
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Probing exciton dynamics with quantum entangled photons2021

    • 著者名/発表者名
      Akihito Ishizaki
    • 学会等名
      #201 Modeling exciton and charge dynamics in molecules and clusters toward optoelectronic applications, The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Generation of pseudo-sunlight via quantum entangled photons and interaction with molecules2021

    • 著者名/発表者名
      Akihito Ishizaki
    • 学会等名
      #210 Quantum Coherence in Energy Transfer, The 2021 International Chemical Congress of Pacific Basin Societies
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] 量子生命科学ハンドブック「第3章 第2節 量子もつれ光による時間分解分光手法の開発」2023

    • 著者名/発表者名
      藤橋裕太、石崎章仁
    • 総ページ数
      372
    • 出版者
      株式会社エヌ・ティー・エス
    • ISBN
      4860438825
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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