量子力学では従来、量子現象の観測と制御は、絶対零度に近い温度条件下でのみ行われてきた。理論的に到達可能な最も低い温度である絶対零度は、粒子の運動が停止するほど物質が冷たくなる世界である。

量子効果の検出が容易になるとはいえ、このような驚異的な低温に到達するのは容易ではなく、量子技術に関わる応用や研究は限られている。

だがEPFLの研究者らは、量子物理学と機械工学を融合させ、室温で量子現象の制御を実現する可能にする画期的な手法を考案し、量子オプトメカニカル・システムを室温で使用できるセットアップを初めて開発したのだ。

このようなシステムには、実験的調査だけでなく、興味深い応用にも関心が集まっている。小さな質量や信号（磁場のような）、さらには力（重力のような）の測定にも使用できる。絶対零度に近い温度の必要性を取り除くことで、量子技術を研究室の外で使用する際の大きな障害が取り除かれる。

「室温量子オプトメカニクスの領域に到達することは、数十年来、未解決の課題でした」と、新しい研究の共著者であるTobias J. Kippenberg氏は言う。

Kippenberg氏によれば、この新しい研究は、物理学者が「Heisenberg’s Microscope（ハイゼンベルクの顕微鏡）」と呼ばれる、かつては理論モデルとしてのみ実現されていたものを現実のものにしたものだという。「我々の研究は、長らく理論的なおもちゃのモデルに過ぎないと考えられていたハイゼンベルグ顕微鏡を、事実上実現したのです」と、Kippenberg氏は付け加えた。

この新しい研究は、Kippenberg氏の同僚であるNils J. Engelsen氏との共著で、『Nature』誌に掲載された。

今回彼らは、光と機械的運動の収束における研究を可能にし、精密な操作を通じて動く物体に対する光の影響を調べることができる、斬新で超低ノイズのオプトメカニカル・システムの製作に成功した。

室温でこれを達成しようとする試みは、粒子の運動から生じる熱ノイズのために常に困難であり、量子世界のダイナミクスの観察を妨げていた。

このシステムは、光と機械的運動を利用して、動く物体に高精度で影響を与える。熱ノイズの問題を克服するため、Kippenberg氏とEngelsen氏は、フォトニック結晶のような構造でパターニングされた特殊なミラー内に光を閉じ込める空洞を使用した。空洞内には、4ミリ（0.16インチ）のドラムのような装置がある。これは機械部品である。空洞内のミラーは、「トラップ」した光を操作してシステムの機械要素と相互作用させることができる。

「フォノニック結晶パターン空洞ミラーを使用することで、空洞周波数ノイズを700倍以上低減することができた」「この超低ノイズ共振器には、最近開発されたソフトクランプ技術を用いて作製した、高い熱伝導率と1億8,000万のQを持つ膜共振器を挿入している」と、著者らは論文の中で述べている。

この実験では、ミラー間の “トラップされた”空洞内で光と相互作用するために、小さな機械的発振器も使用した。この巧妙な分離方法を用いることで、室温でも微妙な量子現象を識別することができた。

Engelsen氏によれば、彼らが使用した機械式発振器は「長年の努力の集大成」であり、「環境から十分に隔離された機械式発振器を作ることができた」という。このシステムを組み合わせることで、研究者たちは室温で「光スクイーズ」を行うことができたとのことだ。

光スクイーズとは、ハイゼンベルグの不確定性原理に基づく量子現象である。光のある性質（例えば強度）は、揺らぎが少なくなるように操作され、揺らぎが大きくなる関連する性質（例えば位相）と釣り合うのだ。

「この実験で使用するドラムは、環境から十分に隔離された機械的発振器を作るための長年の努力の集大成です」とEngelsen氏は言う。

今回の実験では、このような条件下で光スクイーズが達成されたことで、研究チームは、巨視的系における量子現象の制御と観測が室温で実際に達成できることを示すことができた。

「われわれが開発したシステムは、機械的なドラムが、閉じ込められた原子の雲のような異なる物体と強く相互作用するような、新しいハイブリッド量子系を促進するかもしれません」と、新しい研究の主執筆者であるAlberto Beccari氏は語っている。

このセットアップは、室温でも量子系を操作できることを示している。量子オプトメカニカル・システムが量子測定の実施にどれほど一般的であるかを考えると、この新しい研究によって、巨視的スケールでの量子測定や量子力学が容易になるかもしれない。

「このようなシステムは、量子情報に有用であり、大規模で複雑な量子状態を作り出す方法を理解するのに役立ちます」と、Beccari氏は語っている。

論文

• Nature: Room-temperature quantum optomechanics using an ultralow noise cavity

参考文献

• EurekAlert!: A “quantum leap” at room temperature

研究の要旨

室温では、光の量子逆作用によって駆動される機械的運動は、光復元力によって発振器の剛性を制御する先駆的な実験でのみ観測されている。振動が材料剛性によって制御される固体機械共振器では、低い機械的品質係数、光共振器の周波数変動、熱相互変調ノイズ、光熱不安定性などが、これらの効果の観測を妨げてきた。我々は、フォノニック結晶を用いた中間膜システムにより、これらの課題を克服した。フォノニック結晶をパターン化した共振器ミラーを用いることで、共振器周波数ノイズを700分の1以下に低減することができた。この超低ノイズ共振器には、最近開発されたソフトクランプ技術を用いて設計された、高い熱伝導率と1億8千万の品質係数(Q)を持つ膜共振器を挿入している。これらの進歩により、変位センシングのためのハイゼンベルグ限界の2.5倍以内でシステムを動作させることが可能になり、プローブ・レーザーを真空揺らぎより1.09(1)dB小さく絞ることができた。さらに、膜発振器の長い熱デコヒーレンス時間（30振動周期）により、マルチモード・カルマンフィルターを用いて0.97(2)フォノンの占有率を持つ条件付き変位熱運動状態を準備することができる。我々の研究は、固体巨視的振動子の量子制御を室温まで拡張するものである。