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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

公募研究

研究領域極限宇宙の物理法則を創る-量子情報で拓く時空と物質の新しいパラダイム
研究課題/領域番号 22H05263
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
研究機関九州大学

研究代表者

山本 一博  九州大学, 理学研究院, 教授 (50284154)

研究期間 (年度) 2022-06-16 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
キーワードオプトメカニクス / 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
研究開始時の研究の概要

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。

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (18件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (10件) (うち査読あり 9件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 4件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Violation of the two-time Leggett-Garg inequalities for a coarse-grained quantum field2024

    • 著者名/発表者名
      Masaki Tani, Kosei Hatakeyama, Daisuke Miki, Yuki Yamasaki, Kazuhiro Yamamoto
    • 雑誌名

      Physical Review A

      巻: 109 号: 3 ページ: 032213-032213

    • DOI

      10.1103/physreva.109.032213

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantum signature of gravity in optomechanical systems with conditional measurement2024

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Miki, Akira Matsumura, Kazuhiro Yamamoto
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 109 号: 6 ページ: 064090-064090

    • DOI

      10.1103/physrevd.109.064090

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Classical gravitational effect on the standard quantum limit of finite-size optical lattice clocks in estimating gravitational potential2023

    • 著者名/発表者名
      Nishimura Fumiya、Kuramochi Yui、Yamamoto Kazuhiro
    • 雑誌名

      Physical Review A

      巻: 108 号: 6

    • DOI

      10.1103/physreva.108.063112

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantum uncertainty of gravitational field and entanglement in superposed massive particles2023

    • 著者名/発表者名
      Yuuki Sugiyama, Akira Matsumura, Kazuhiro Yamamoto
    • 雑誌名

      Phys. Rev. D

      巻: 108 号: 10

    • DOI

      10.1103/physrevd.108.105019

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantum state of a suspended mirror coupled to cavity light - Wiener filter analysis of the pendulum and rotational modes2023

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Shichijo, Nobuyuki Matsumoto, Akira Matsumura, Daisuke Miki, Yuuki Sugiyama, Kazuhiro Yamamoto
    • 雑誌名

      arXiv.org e-Print archive

      巻: -

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Generating quantum entanglement between macroscopic objects with continuous measurement and feedback control2023

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Miki, Nobuyuki Matsumoto, Akira Matsumura, Tomoya Shichijo, Yuuki Sugiyama, Kazuhiro Yamamoto, Naoki Yamamoto
    • 雑誌名

      Phys. Rev. A

      巻: 107 号: 3 ページ: 032410-032410

    • DOI

      10.1103/physreva.107.032410

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effective description of a suspended mirror coupled to cavity light -Limitations of Q-enhancement due to normal mode splitting by an optical spring-2023

    • 著者名/発表者名
      Yuuki Sugiyama, Tomoya Shichijo, Nobuyuki Matsumoto, Akira Matsumura, Daisuke Miki, Kazuhiro Yamamoto
    • 雑誌名

      Phys. Rev. A

      巻: 107 号: 3 ページ: 033515-033515

    • DOI

      10.1103/physreva.107.033515

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Leggett-Garg inequalities for testing quantumness of gravity2022

    • 著者名/発表者名
      Akira Matsumura, Yasusada Nambu, Kazuhiro Yamamoto
    • 雑誌名

      Phys. Rev. A

      巻: 106 号: 1

    • DOI

      10.1103/physreva.106.012214

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Consistency between causality and complementarity guaranteed by the Robertson inequality in quantum field theory2022

    • 著者名/発表者名
      Yuuki Sugiyama, Akira Matsumura, Kazuhiro Yamamoto
    • 雑誌名

      Phys. Rev. D

      巻: 106 号: 12

    • DOI

      10.1103/physrevd.106.125002

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effects of photon field on entanglement generation in charged particles2022

    • 著者名/発表者名
      Yuuki Sugiyama, Akira Matsumura, Kazuhiro Yamamoto
    • 雑誌名

      Phys. Rev. D

      巻: 106 号: 4

    • DOI

      10.1103/physrevd.106.045009

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Toward testing quantum nature of gravity2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuhiro Yamamoto
    • 学会等名
      Laser Physics Workshop, LPHYS'23
    • 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] Feasibility of generating quantum states in optomechanics - Two-mode theory of suspended mirror coupled to cavity light: Wiener filter analysis -2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuhiro Yamamoto
    • 学会等名
      13th annual Conference on relativistic quantum information (North)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] On the quantum nature of gravity and optomechanical tests2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuhiro Yamamoto
    • 学会等名
      ExU-YITP Workshop on Holography, Gravity and Quantum Information
    • 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] 重力の量子性 - 調和振動子の重力量子もつれ -2022

    • 著者名/発表者名
      山本一博
    • 学会等名
      QUP Theoretical Collaboration Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Leggett-Garg inequality for testing quantumness of gravity2022

    • 著者名/発表者名
      山本一博
    • 学会等名
      YITP-ExU workshop "Quantum extreme universe from quantum information"
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Testing quantumness of gravity and modeling optomechanics with suspended mirror2022

    • 著者名/発表者名
      山本一博
    • 学会等名
      Extreme Universe, Kick-off meeting for publicly offered research
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Generating quantum entanglement between macroscopic objects with continuous measurement and feedback control: Toward testing quantum nature of gravity2022

    • 著者名/発表者名
      山本一博
    • 学会等名
      QUP workshop: toward Project Q, KEK
    • 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] 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

    • 著者名/発表者名
      山本一博
    • 学会等名
      Extreme Universe 第二回領域会議
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-06-20   更新日: 2024-12-25  

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