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~

2025-09-19 東京大学

東京大学大学院理学系研究科の研究チームは、約136億年前の宇宙黎明期に形成されたとされる最初期の銀河候補をジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡(JWST)で発見した。観測された銀河「JADES-GS-z14-0」は赤方偏移z=14.32にあり、ビッグバンからわずか約2億9千万年後に存在していたことになる。驚くべきことに、この銀河は非常に明るく、星形成が急速に進んでいたと考えられる。従来の理論では、初期宇宙の銀河は暗く小規模と予想されていたため、今回の発見は銀河形成の理解を根本から見直す可能性がある。研究成果は『Nature Astronomy』に掲載された。

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~
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。

<関連情報>

浮遊ナノ機械振動子の量子スクイージング Quantum squeezing of a levitated nanomechanical oscillator

Mitsuyoshi Kamba, Naoki Hara, and Kiyotaka Aikawa
Science  Published:18 Sep 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/science.ady4652

Editor’s summary

Recent work has demonstrated the ability to cool macroscopic mechanical systems to their quantum mechanical ground state. Kamba et al. now take this a step further to demonstrate the quantum mechanical effect of squeezing in the motional state of a levitated silica microsphere, squeezing results from the knowledge of one parameter to be sacrificed to gain better precision of its conjugate parameter. In this case, knowledge of position was relaxed, resulting in a sharpening of the velocity distribution function. These results should allow quantum mechanical effects to be explored further in macroscopic systems and may find applications in advanced quantum sensing technologies. —Ian S. Osborne

Abstract

Manipulating the motion of macroscopic objects near their quantum mechanical uncertainties has been desired in diverse fields, including fundamental physics, sensing, and transducers. Despite progress in ground-state cooling of a levitated solid particle, realizing its nonclassical states has been elusive. Here, we demonstrate quantum squeezing of the motion of a single nanoparticle by rapidly varying its oscillation frequency. We reveal appreciable narrowing of the velocity variance to –4.9 ± 0.1 decibels of that of the ground state using free-expansion measurements. Our work shows that a levitated nanoparticle offers an ideal platform for studying nonclassical states of its motion and provides a route to developing applications in quantum sensing and exploring quantum mechanics at a macroscopic scale.

1701物理及び化学
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