Conditional Motional Squeezing of an Optomechanical Oscillator Approaching the Quantum Regime

物理学の世界には、極めて微小なものを支配するルールと、日常的な世界を支配するルールとの間に、根本的な隔たりが存在します。原子や亜原子粒子のスケールでは、物体は奇妙な振る舞いをします。それらは同時に複数の状態で存在したり、その性質が固定された値ではなく確率によって定義される曖昧なものになったりします。これが量子力学の領域です。対照的に、椅子、車、人間といった、私たちが目にし、触れることができる物体は、古典物理学の予測可能な法則に従います。1世紀以上にわたり、科学者たちはこれら二つの世界の境界線がどこに引かれているのかを知りたがってきました。なぜ大きな物体は量子粒子のように振る舞わないのでしょうか。この問いに答えるため、研究者たちは、より大きな物体を量子領域へと押し込み、極小の世界の奇妙なルールに従わせようと試みています。この取り組みの鍵となるのが「スクイージング（絞り込み）」であり、これは物体の運動の特定の方向における自然な「ぼやけ」を減少させる一方で、別の方向ではそれを増大させる技術です。もし科学者が大きな物体の運動を十分に絞り込むことができれば、その物体を特別な量子状態に準備することができ、重力と量子力学がどのように相互作用するかをテストするための新たな手法を提供することになります。

研究チームは今回、微小ながらもマクロな機械的物体における運動のスクイージングに成功し、この目標に向けて重要な一歩を踏み出しました。対象となる物体は、ガリウム砒素で作られた、わずか50ナノグラムの重さを持つ、マイクロスケールの飛び板であるカンチレバーです。この質量は人間の感覚からすれば極めて軽いものですが、通常、量子実験で研究される原子と比較すると非常に巨大です。チームはこのカンチレバーを「古典的にスクイーズされた（古典的絞り込み）」状態、つまり、その位置の不確定性が、量子物理学によって許容される絶対的な最小値である「ゼロ点揺らぎ」をかろうじて上回るレベルまで減少した状態に準備することに成功しました。彼らが達成した最小不確定性は、この基本限界の1.07倍でした。この結果は、同様の手法を用いた過去の試みよりも3桁も優れたものであり、精度における劇的な飛躍を意味しています。

この実験は、光と運動の巧妙な相互作用に基づいています。研究者たちは真空容器の中にこの小さなカンチレバーを設置し、レーザーを照射しました。光がカンチレバーに反射する際、その光は物体の位置に関する情報を運び去ります。この光を非常に精密に測定することで、チームはカンチレバーの動きをリアルタイムで追跡することができました。しかし、単に物体を観察するだけでは、それをスクイーズするには不十分です。なぜなら、測定という行為自体が物体に押し、「バックアクション」と呼ばれるノイズの衝撃を与えるからです。これを克服するために、研究者たちは「条件付き状態準備」と呼ばれる手法を用いました。彼らは測定データをコンピュータフィルターに送り込み、物体の過去の挙動に基づいてその位置を予測させました。生の測定値単独で捉えるよりも、この予測を用いることで物体の状態をより明確に理解できるため、運動の一側面からノイズを効果的に「絞り出す」ことができたのです。

彼らの成功における決定的な要素は、カンチレバーの振動速度に対する測定の速度でした。スクイージングを機能させるためには、情報を収集する速度が、物体の自然な振動に追いつくほど十分に速くなければなりません。この実験において、測定レートはカンチレバーの共鳴周波数の約54%であり、この条件によって、エネルギーが位置と運動量の間で等しく共有されるという通常のバランスを打破することができました。その代わりに、彼らは位置の測定における不確定性を大幅に抑制し、一方で運動量の不確定性を増大させることに成功しました。このトレードオフは、スクイーズされた状態の特徴です。最終的な結果として、位置の不確定性はゼロ点レベルのわずか1.07倍にまで減少した一方で、運動量の不確定性はその約8倍にまで上昇しており、エネルギーがもはや等しく共有されていないことを明確に示しました。

この目覚ましい成果にもかかわらず、研究者たちは、自分たちがまだ「量子スクイーズ」の領域には完全には到達していないことを慎重に指摘しています。彼らの状態は「古典的にスクイーズされた」状態と記述されます。なぜなら、エネルギーの等分配という古典的な規則には反しているものの、完全な量子力学的状態であることを裏付けるような、基礎的な量子ノイズフロアを下回るまでには至っていないからです。実験は、電子的な干渉やレーザーの完全な安定化の難しさなど、さまざまなノイズ源によって制限を受けました。チームは、非定常ノイズ（時間とともに予測不能に変化するノイズ）が、決定的な量子状態を作成するためのリアルタイムのデータフィルタリングを妨げていることを特定しました。しかし、彼らの研究は、そのプロトコルが実行可能であることを証明しています。測定に基づくアプローチによって、これほど効果的にマクロな物体をスクイーズできることを示すことで、彼らは将来の実験への道を開きました。ノイズを低減し、測定効率を高めることで、真の量子スクイーズ状態にさえ、さらに大きな物体（重力波検出器に使用される巨大な鏡などを含む）を準備することが近い将来可能になると、チームは信じています。この進展は、量子世界が、私たちが日々経験している古典的な世界へとどのように移行していくのかを理解するための、科学者たちをより近くへと導いています。