浮揚ナノ粒子による量子加速度センシングを実現 ―量子力学的な揺らぎによる限界を打ち破る動的な手法を開発―

2026-07-31 東京大学

東京大学の研究グループは、真空中でレーザーにより浮揚・捕捉した単一ナノ粒子を用い、量子力学的な揺らぎ(ゼロ点振動)による制約を超えて微弱な加速度を検出する新しい量子センシング技術を開発した。直径約300nmの中性ナノ粒子を量子基底状態近くまで冷却した後、捕捉レーザーの光強度を高速に変化させることで非平衡ダイナミクスを利用し、加速度による粒子変位を効果的に増幅することに成功した。その結果、従来法に比べて加速度検出感度を約100倍向上させ、約1.2mm/s²(重力加速度の約1万分の1)の微弱な加速度を測定した。さらに、量子ランジュバン方程式による数値シミュレーションが実験結果と良く一致し、高感度量子センシングの理論的枠組みも確立した。電気的に中性なナノ粒子を利用するため電磁ノイズの影響を受けにくく、より高真空環境ではさらなる高感度化も期待される。本成果は、高性能慣性航法用加速度計に加え、暗黒物質やニュートリノの検出、高周波重力波観測、量子力学と重力の関係を探る基礎物理研究への応用が期待される。

浮揚ナノ粒子による量子加速度センシングを実現 ―量子力学的な揺らぎによる限界を打ち破る動的な手法を開発―
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)

<関連情報>

量子消光によって感度を高めた浮遊型ナノ加速度計 Levitated Nano-accelerometer Sensitized by Quantum Quench

M. Kamba, S. Otabe, K. Funo, T. Sagawa,, and K. Aikawah
Physical Review Letters  Published: 28 July, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/js43-kq48

Abstract

We realize a nanoscale accelerometer with a levitated nanoparticle near the ground state, exploiting its dynamical behavior triggered by the abrupt quench of its trapping potential. We find that rapid quenching provides a readout time at which the sensitivity is enhanced by 2 orders of magnitude with a favorable combination of a large acceleration-induced displacement and a reduced position uncertainty, enabling us to detect a weak acceleration obscured by the zero-point fluctuation in the initial potential. With rapid quenching, the observed sensitivity is in good agreement with a numerical simulation based on the quantum Langevin equation. Our results provide a step toward inertial sensing with levitated nanoparticles through time-optimal quench dynamics in the quantum regime.

1701物理及び化学
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