DATE2025.09.19 #Press Releases

浮揚ナノ粒子で量子スクイージングを実現

―微粒子の運動の揺らぎを低減し、量子力学的状態を生成―

発表のポイント

• 原子・光子などの微視的な粒子よりはるかに大きな単一ナノ粒子の運動の揺らぎを、量子力学的な限界付近まで低減することに成功した。
• ナノ粒子において、古典力学では説明できない量子力学的な運動状態を初めて生成した。
• ナノ粒子による次世代量子センシングへの応用や、巨視的スケールでの量子力学の解明が期待される。

集光したレーザー光に捕捉された単一ナノ粒子（矢印の先の白い点）

発表概要

東京大学大学院理学系研究科の相川清隆准教授らによる研究グループは、真空中に浮かせたナノ粒子^（注1） の運動状態の量子スクイージング^（注2） を実現しました。

本研究では、レーザーによって作られたポテンシャルの最低エネルギー準位である量子基底状態^（注3） 付近まで冷却された直径300ナノメートル程度のナノ粒子の運動状態を、レーザーの出力光強度を制御することによって操作し、揺らぎ（分散）の小さな状態を生成しました。ナノ粒子の速度分布を飛行時間法^（注4）により測定した結果、図1のように、生成した状態の速度の揺らぎを量子基底状態の揺らぎより小さくできることを、世界で初めて観測しました。先行研究では、ナノ粒子の運動を量子基底状態付近まで冷却できていたものの、古典力学では説明できない量子力学的な運動状態の生成は実証されていませんでした。

今回量子スクイージングを実現するために採用した手法は、原子などの微視的な粒子において有効であることが知られており、ナノ粒子に対しても有用であるとの理論的な提案はなされていました。しかし、ナノ粒子が振動などの様々なノイズに対して敏感であるために、その実験的な実証は困難でした。この成果は、今後、ナノ粒子による高感度な次世代量子センシングの実現や、ナノ粒子を用いて巨視的スケールにおける量子力学的振る舞いを探る研究に役立つことが期待されます。

図1：速度揺らぎの時間的な変化
縦軸はナノ粒子の速度の分散を基底状態の速度の分散で規格化した値、横軸は時間。ナノ粒子を捕捉するレーザー光の強度を変えることで、速度揺らぎ（赤い点で表示；実線は理論的な式によるフィッティングを示す）が時間的に変化する状態を生成する。グレーで覆われた領域は量子基底状態より揺らぎの小さい状態であり、この領域への到達が量子スクイージングの実現を示す。量子基底状態の温度は、絶対零度（-273.15 °C）に限りなく近い約6マイクロケルビン（μK）である。

発表内容

量子スクイージングは、原子・分子・光子などの微視的な系を中心とする様々な系で揺らぎを極限的に低減し、非古典的な（古典力学では説明できない量子力学的な）状態を生成する技術として発達してきました。しかし、真空中に浮揚させた微粒子（ナノ粒子）の非古典的な運動状態は生成されていませんでした。この度、本研究チームは電荷をもたないナノ粒子の運動を光学的に量子基底状態へ冷却する技術と、ナノ粒子の運動状態をレーザー光によって制御する手法（図2）、ナノ粒子の角度方向の運動を抑える技術、およびナノ粒子の速度を飛行時間法によって測定する手法を組み合わせ、世界で初めてナノ粒子の運動に関する非古典的状態である量子スクイージングを実現することに成功しました。

今回実現した量子スクイージングの度合い（分散が最小となった場合の値で、量子基底状態の1/3程度；図1参照）は、基板上の機械的な振動子を別の量子系と組み合わせることで実現された先行研究の量子スクイージングと同程度であり、量子状態の生成や観測の観点から、環境から隔離されたナノ粒子系は孤立量子系として高い潜在性を備えていることを示しています。また、今回ナノ粒子の速度を測定するために利用した飛行時間法は、量子状態を精密に探るための手法として期待されていたものの、従来利用されてきた電荷をもつナノ粒子が電気的なノイズの影響を受けやすいために、活用されずにいた技術です。本研究において、飛行時間法が、電荷をもたないナノ粒子の量子力学的な運動状態を探るために有用な手法であると実証されたことで、今後、重要な技術としてさらに発展することが期待されます。さらに、本研究では、量子スクイージングの度合いを正確に評価するためにナノ粒子の位置の絶対的な測定精度を高める新しい手法を開発し、長時間にわたって高い感度を維持できるセンシング技術を実現する可能性も拓きました。

量子スクイージングは、古典的には理解できない状態であることから、今回の成果は、ナノ粒子の運動に関する量子力学的な振る舞いを探るための重要な一歩となります。量子力学的な運動状態は、今回実現した量子スクイージングの他にも多く知られており、シュレーディンガーの猫状態といった他の量子系で現在も活発に研究される状態を、ナノ粒子を用いて研究する可能性が拓かれます。また、量子力学的な運動状態と非平衡統計力学との関わりを探る、新しい研究分野の進展も期待されます。

応用の観点では、今回得られた成果は、ナノ粒子の運動の揺らぎを量子力学の限界に迫るレベルまで低減できること、すなわち、ナノ粒子に働く加速度を計測する場合の測定揺らぎを極限的に低減できることを示しており、冷却されたナノ粒子系が高感度センシングへと活用できる有望なシステムであることを実証するものです。特に、GPSを受信できないトンネルや山間部において長時間にわたり自動車の運転を行う場合などに、高い精度のセンサーによる位置推定が不可欠となり、加速度センサーなどにおいて高い精度が要求されます。このような要求に対し、ナノ粒子系が次世代のセンシング技術を提供する道を拓きます。

基礎物理学的な観点では、微視的な粒子の振る舞いを正確に記述できることが実証されてきた量子力学が、巨視的なスケールにおいてどの程度正しいのか、という疑問は明らかにされておらず、今回実現したような原子・分子よりはるかに大きな粒子を用いてその量子力学的な振る舞いを探る中で解明されていくものと期待されます。今回用いた、直径300ナノメートル程度の粒子は、約10億個の原子を含んでおり、原子・分子よりはるかに大きいものの、今回の成果で示されたように、その運動を擾乱する要因を排除して実験条件を整えることで、量子的な振る舞いを示すことが明らかとなりました。今後、量子力学と古典力学の間をつなぐ中間領域（クロスオーバー）の研究に大きく貢献できるものと期待されます。

図2：実験のタイムシークエンスと位相空間上での揺らぎの変化の模式図:
レーザー光強度を変調することで、位置と運動量からなる位相空間の上での揺らぎの大きさを制御し、一方に小さく、もう一方に大きな状態を作り出すことができる。その後、飛行時間法により、ナノ粒子の速度分布を測定する。

発表者・研究者等情報

東京大学大学院理学系研究科
相川清隆 准教授、神庭光善 特任研究員／JST 戦略的創造研究推進事業 ERATO研究員（研究当時：日本学術振興会特別研究員）、原直樹 博士課程

論文情報

雑誌名	Science
論文タイトル	Quantum squeezing of a levitated nanomechanical oscillator
著者	M. Kamba, N. Hara, K. Aikawa*（*責任著者）
DOI番号	10.1126/science.ady4652

研究助成

本研究は、JST 戦略的創造研究推進事業 ERATO（課題番号：JPMJER2302）、同 共創の場形成支援プログラム（COI-NEXT）（課題番号：JPMJPF2015）、同 戦略的創造研究推進事業 CREST（課題番号：JPMJCR23I1）、同 戦略的創造研究推進事業 さきがけ（課題番号：JPMJPR1661）、東工大挑戦的研究賞、「東工大の星」研究支援、東工大・研究の種、東工大・末松賞、大隅良典基礎研究支援、三菱財団自然科学研究助成、光科学技術研究振興財団研究助成、村田学術振興財団研究助成、科研費「若手研究A（課題番号：JP16K13857）」、「基盤研究B（課題番号：JP19H01822）」、「挑戦的萌芽研究（課題番号：JP16H06016）」、「挑戦的研究（萌芽）（課題番号：JP22K18688）」、日本学術振興会特別研究員（課題番号：JP24KJ1058）、JST 科学技術イノベーション創出に向けた大学フェローシップ創設事業（課題番号：JPMJFS2112）、JST 次世代研究者挑戦的研究プログラム（SPRING）（課題番号：JPMJSP2108）の支援により実施されました。 

用語解説

注1  ナノ粒子
般にはナノメートル（10億分の1メートル）スケールの微粒子をさす。本研究では、ガラスからなる直径300ナノメートル程度のナノ粒子を用いている。↑

注2  量子スクイージング
量子力学では、物体を観測する際に必ず揺らぎを伴い、物体の位置と運動量を同時に無限に高い精度で（揺らぎなしに）観測することはできない。位置の揺らぎと運動量の揺らぎを掛け合わせた値は、プランク定数程度より大きな値となる。このことは、一方の揺らぎを犠牲にすることで、もう一方の揺らぎを小さくできることを意味する。この揺らぎが、量子基底状態の揺らぎより小さい状態を作り出すことを、量子スクイージングと呼ぶ。↑

注3  量子基底状態
レーザーによって作られた調和ポテンシャルの最も低いエネルギー準位を量子基底状態と呼ぶ。本研究では、あらかじめナノ粒子を量子基底状態付近へと冷却した状態（温度にして約18マイクロケルビン；1マイクロケルビン＝100万分の1ケルビン）を用意し、レーザーの変調により、量子基底状態より揺らぎの小さな状態を一時的に生成している。↑

注4  飛行時間法
粒子を一定の時間飛行させることで、粒子の運動量・速度を測定する技術。電荷をもたない中性の冷却原子気体の研究において、飛行時間法は、運動量分布の測定のために非常に有用な手法であることが知られている。↑

Links
科学技術振興機構