量子実験が重力波とダークマター探索の新たな道を開く(Quantum experiment opens gravitational waves and dark matter search)

2026-06-17 英国研究イノベーション機構(UKRI)

英国研究・イノベーション機構(UKRI)が支援するAION(Atom Interferometer Observatory and Network)共同研究チームは、重力波やダークマター探索に向けた次世代量子センサーの重要原理を実証した。研究成果は『Nature』に掲載された。研究チームは、共通の基線上に配置した2台の原子干渉計を比較することで、レーザー由来の大きな位相ノイズを相殺し、極めて微弱な信号を抽出できることを初めて現実的な条件下で示した。原子干渉計は、原子を量子的重ね合わせ状態にして二つの経路を通過させ、再結合時の干渉を利用して微小な変化を高精度に測定する装置である。実験では、インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究施設で超低温ストロンチウム87原子を用いた試作機を構築し、意図的に強いノイズを加えた状況でも、二つの干渉計を差分比較することで信号を回復できることを確認した。さらに、重力波や超軽量ダークマターによって生じると想定される振動信号も検出可能であることを示した。本成果は、オックスフォード大学に建設予定の10m級AION-10実験装置や、将来的な大型量子干渉計の実現に向けた重要な一歩であり、これまで観測できなかった周波数帯の重力波や新たな物質の探索を可能にすると期待される。

<関連情報>

基礎物理学のためのプロトタイプ差動原子干渉計 A prototype differential atom interferometer for fundamental physics

C. F. A. Baynham,R. Hobson,O. Buchmüller,D. Evans,L. Hawkins,L. Iannizzotto Venezze,A. Josset,D. Lee,E. Pasatembou,B. E. Sauer,M. R. Tarbutt,T. Walker,O. Ennis,U. Chauhan,A. Brzakalik,S. Dey,S. Hedges,B. Stray,M. Langlois,K. Bongs,T. Hird,S. Lellouch,M. Holynski,B. Bostwick,AION Collaboration
Nature  Published:17 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-026-10617-1

量子実験が重力波とダークマター探索の新たな道を開く(Quantum experiment opens gravitational waves and dark matter search)

Abstract

Gravitational waves and ultralight dark matter are among the most compelling frontiers in fundamental physics, motivating proposals for very-long-baseline atom interferometerssuch as AION1, MAGIS2, AICE3 and AEDGE4 that aim to detect at frequencies at which ground-based5 and space-borne6 laser interferometers lose sensitivity. Very-long-baseline atom interferometers look for signals by comparing the quantum phase evolution of widely separated atomic ensembles interrogated by a common laser. However, their performance depends critically on suppressing noise sources, particularly laser phase noise. The experimental validation of such noise rejection remains an important challenge. Here we demonstrate a prototype differential atom interferometer based on the single-photon clock transition of fermionic 87Sr. Thus, we obtain a gradiometer configuration with a species intrinsically suited to kilometre-scale and space-baseline operation. The instrument operates at the standard quantum limit7 with no excess noise beyond atom shot noise. The differential configuration maintains quantum-limited sensitivity in the presence of several radians of artificially injected laser phase noise per shot, which emulates the conditions expected in a very-long-baseline atom interferometer. We also demonstrate the recovery of coherent oscillatory signals across a broad frequency range under fully phase-randomized conditions, a capability that is inaccessible to a single interferometer operating in the same regime. These results provide an experimental validation of the noise-immune measurement principle underlying very-long-baseline atom interferometers and mark an important step towards next-generation quantum sensors for gravitational-wave detection and searches for ultralight dark matter8,9.

1701物理及び化学
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