東京大学,科学技術振興機構（JST）

2026（令和8）年7月31日

東京大学
科学技術振興機構（JST）

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～

ポイント

東京大学 大学院理学系研究科の神庭 光善 特任研究員、小田部 荘達 特任助教、相川 清隆 准教授による研究グループは、同大学 大学院工学系研究科の沙川 貴大 教授、布能 謙 講師と共に、真空中に浮かせたナノ粒子に働く加速度を、量子力学的な揺らぎによる限界を打ち破って測定する技術を開発しました。

本研究では、まず、直径300ナノメートル程度のナノ粒子をレーザーによって作られたポテンシャル中に捕捉し、その運動状態を、最低エネルギー準位である量子基底状態付近まで冷却します。その上で、レーザーの出力光強度を制御することによってナノ粒子の運動状態を操作し、加速度に対して敏感な状態を作り出すことで、ナノ粒子に働く微弱な重力加速度を測定することに成功しました。

元々、光ポテンシャル中では、基底状態の量子力学的な揺らぎであるゼロ点振動が制約となり、加速度の影響が覆い隠されています。しかし、本研究では、光ポテンシャルを精密に制御することで、加速度によって生じるナノ粒子の変位を増幅し、加速度検出感度を従来比で2桁向上させることに成功しました。また、理論的なシミュレーションとの比較も行い、観測されたダイナミクスや感度が量子ランジュバン方程式でよく説明できることが分かりました。本研究により、これまで実現されていなかった量子基底状態付近でのダイナミクスを利用したセンシングが実証されました。

ナノ粒子に働く加速度のセンシングは、暗黒物質やニュートリノの検出・測定、高周波重力波の検出といった、次世代量子センシングにおいて中心的な役割を果たすことが期待される技術です。また巨視的スケールにおける量子力学の研究において、重力や電磁気力などがどのように関わるのかを探る基礎的な研究にも役立つことが期待されます。

本研究成果は、2026年7月28日（現地時間）付で「Physical Review Letters」に掲載されました。

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「挑戦的萌芽研究（課題番号：JP16K13857）」、「基盤研究B（課題番号：JP19H01822）」、「若手研究A（課題番号：JP16H06016）」、「挑戦的研究（萌芽）（課題番号：JP22K18688）」、日本学術振興会 特別研究員奨励費（課題番号：JP24KJ1058）、若手研究（課題番号：JP23K13036）、学術変革領域研究B（課題番号：JP24H00831）の支援により実施されました。

＜プレスリリース資料＞

＜論文タイトル＞

“Levitated Nano-accelerometer Sensitized by Quantum Quench”
DOI：10.1103/js43-kq48

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