冷却機械振動子を用いた微小重力の測定

使用冷却机械振荡器进行微重力测量

• 批准号: 19H00671
• 负责人: 松本 伸之
• 金额: $ 27.12万
• 依托单位: Gakushuin University (2021-2023)Tohoku University (2019-2020)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19H00671/
• 关键词: 重力定数; オプトメカニクス; 度量衡; フィードバック冷却; 光学トラップ; 量子制御; 低散逸振動子; ウィーナフィルタ; カルマンフィルタ; 光計測; 量子もつれ; 微小重力; レーザー溶接; ナノファイバー

精密力センサーは重力計、慣性センサー、地震計、重力波望遠鏡といった広範な領域で利用されてきた。本研究では、ミリグラムスケールの微小な物体から生じる重力を精密に測定可能な力センサーの開発を目指す。従来の重力源（>キログラム）より小さな物体から生じる重力を測定することで、重力定数の測定という応用においては、物体の密度の不均一性等に由来する系統的な不確かさを抑えることが可能になる。さらに、重力源自体の振動モードを量子制御すれば、量子状態にある物体が生じる重力の性質の解明にもつながると期待される。物体の振動モードを量子制御するためにもまた力センサーを利用することができ、本研究では、ミリグラムスケールの巨視的物体の量子制御にも取り組んできた。昨年度の研究により、振動子の回転振動が重心振動の変位計測に及ぼす影響を解析的に明らかにした。重心振動と回転振動が光ばねを介して強結合状態となり、二つのモードがnormal mode splittingすることで重心振動の熱振動が増大する。これを回避するため、既に開発に成功していた一本の超細長線（直径1um、長さ5cm）をレーザー溶接することで実現した世界最小散逸を持つ（つまり熱振動が最も小さい）懸架鏡を改良し、2本線を溶接した低散逸懸架鏡を実現することに成功した。さらに、二つの振動子をパワーリサイクルマイケルソン干渉計の両腕に組み込むことで、二つの振動子の差動振動と同相振動の間に量子もつれを生成できることを理論的に示すことにも成功した。それぞれの振動子の変位はレーザー光量の変動から線形連続計測されるため、測定結果に条件付けられた状態（conditional state）の不確かさはスクイーズされる。二つのスクイーズ状態を重ね合わせることで量子もつれが生成されることを確認した。

精确力传感器已在各个区域中使用，包括重量表，惯性传感器，地震仪和引力波望远镜。在这项研究中，我们旨在开发一个能够准确测量毫克尺度上微观物体产生的重力的力传感器。通过测量从小于常规重力来源（>千克）的物体产生的重力，在测量重力常数时，可以抑制物体密度不均匀引起的系统不确定性等。力传感器还可以用于量化物体的振动模式，在这项研究中，我们还致力于对毫克尺度上宏观对象的量子控制。去年的一项研究在分析上揭示了振荡器的旋转振动对重心振动中心置换测量的影响。重心振动和旋转振动通过光弹簧强烈耦合，当两种模式分裂时，重心振动中心的热振动会增加。为了避免这种情况，我们改善了世界上最小的耗散（即最低的热振动）悬架镜，这是通过激光焊接单个超薄的长电线（直径为1 um，长度为5厘米）来实现的，已经成功地开发出来，并成功地实现了通过焊接两种焊接两种线制成的低耗散悬挂镜。此外，从理论上讲，通过将两个振荡器纳入电源回收的米歇尔森干涉仪的两个臂中，可以在差分和相位内振荡器之间产生量子纠缠。由于每个振荡器的位移是根据激光量的变化线性连续测量的，因此挤压条件状态的不确定性。已经证实，量子纠缠是通过叠加两个挤压状态而产生的。

项目成果

巨視的振り子の条件付き位置スクイーズ状態の生成

宏观摆条件位置挤压态的生成

• 发表时间: 2022
• 作者: Licong Peng;Kosuke Karube;Rina Takagi;Wataru Koshibae;Kiyou Shibata;Kiyomi Nakajima;Taka-hisa Arima;Naoto Nagaosa;Shinichiro Seki;Yoshinori Tokura;Yasujiro Taguchi;Xiuzhen Yu;松本伸之
• 通讯作者: 松本伸之

Effective description of a suspended mirror coupled to cavity light -Limitations of Q-enhancement due to normal mode splitting by an optical spring-

与腔光耦合的悬挂镜的有效描述 -光学弹簧法向模式分裂导致的 Q 增强的限制 -

• DOI: 10.1103/physreva.107.033515
• 发表时间: 2023
• 期刊: Phys. Rev. A
• 作者: Yuuki Sugiyama;Tomoya Shichijo;Nobuyuki Matsumoto;Akira Matsumura;Daisuke Miki;Kazuhiro Yamamoto
• 通讯作者: Kazuhiro Yamamoto

Towards quantum sensing with table-top scale pendulum

利用桌面摆锤实现量子传感

• 发表时间: 2021
• 作者: Mori Watanabe;Sanghyun Lee;Takuya Asano;Takashi Ibe;Masashi Tokuda;Hiroki Taniguchi;Daichi Ueta;Yoshinori Okada;Kensuke Kobayashi;and Yasuhiro Niimi;Nobuyuki Matsumoto
• 通讯作者: Nobuyuki Matsumoto

Considerations with specific architectures: suspended pendulums

特定架构的考虑因素：悬挂摆

• 发表时间: 2019
• 作者: C. Zha;V. M. Bastidas;M. Gong;Y. Wu;H. Rong;R. Yang;Y. Ye;S. Li;Q. Zhu;S. Wang;Y. Zhao;F. Liang;J. Lin;Y. Xu;C.-Zhi Peng;J. Schmiedmayer;Kae Nemoto H. Deng;W. J. Munro;X. Zhu;J.-W. Pan;Nobuyuki Matsumoto
• 通讯作者: Nobuyuki Matsumoto

Quantum control and gravity sensing by using low-dissipative pendulum

使用低耗散摆进行量子控制和重力感应

• 发表时间: 2022
• 作者: Sugimoto Satoshi;Iwakiri Shuichi;Kozuka Yusuke;Takahashi Yukiko;Niimi Yasuhiro;Kobayashi Kensuke;Kasai Shinya;Nobuyuki Matsumoto
• 通讯作者: Nobuyuki Matsumoto