【資料2-3】冷却原子を用いた原子干渉計慣性センサーの最近の研究動向

Size: px

Start display at page:

Download "【資料2-3】冷却原子を用いた原子干渉計慣性センサーの最近の研究動向"

ゆきさあかさか
4 years ago
Views:

1 2016 年 10 月 7 日 ( 金 ) 量子科学技術委員会 ( 第 6 回 ) 文部科学省資料 2-3 科学技術学術審議会先端研究基盤部会量子科学技術委員会 ( 第 6 回 ) 平成 28 年 10 月 7 日冷却原子を用いた原子干渉計 (AI) 慣性センサーの最近の研究動向電気通信大学レーザー新世代研究センター中川賢一はじめに研究の背景原子干渉計を用いた慣性センサー今までの主な研究海外における最近の研究動向今後の研究の方向日本における研究推進の課題

原子干渉計 (AI) 慣性センサーの研究の背景 1980 ~ 1990 年原子のレーザー冷却捕捉 W.

CohenTannoudji 1991 年原子によるヤングの二重スリットの実験 J.

Chu F. Shimizu (Ne*, 1992) 光ラムゼー分光によるサニャック効果の検出 F.

2 原子干渉計 (AI) 慣性センサーの研究の背景 1980 ~ 1990 年原子のレーザー冷却捕捉 W. Phillips, S. Chu, C. CohenTannoudji 1991 年原子によるヤングの二重スリットの実験 J. Mlynek (He*) 1992 年光パルス型原子干渉計を用いた重力加速度計 M. Kasevich, S. Chu F. Shimizu (Ne*, 1992) 光ラムゼー分光によるサニャック効果の検出 F. Riehle 1995 年原子のボースアインシュタイン凝縮 (BEC) E. Cornell, C. Wieman, W. Ketterle Na 原子のレーザー冷却ヤングの二重スリット実験 Rb 原子の BEC 1997 年原子干渉計によるジャイロスコープ T. Gustavson, P. Bouyer, M. Kasevich 1999 年原子干渉計による絶対重力加速度計 A. Peters, S. Chu Dg/g < 3x10-9 原子干渉計型重力加速度計

3 光パルスを用いた原子干渉計 (Light-pulse atom Interferometry) 光学干渉計 BS レーザー光位相差 f M BS: ビームスプリッター M: 鏡 I 0 M BS I 1 I0 2 1 cos 原子干渉計原子 p p 0 k p p 0 k f P p p/2 p cos : 原子に対する BS : 原子に対する鏡 p/2 p p/2 原子 ( 鏡 ) と光の役割が反転レーザー光パルス物質波の干渉を得るためレーザー冷却極低温原子を用いる

4 原子レーザー光 k 冷却原子を用いた原子干渉計 (AI) 慣性センサー ( 重力 ) 加速度計ジャイロスコープ T a T Df 原子レーザー光 L (=vt) t x kt 2 4 m 2 a A 2kv T h L W Df Stanford S.Chu 測定精度 Dg/g ~ 3x10-9 (3mGal) Stanford/Yale M. Kasevich 回転検出感度 3 mdeg/hr 1/2 バイアス安定度 < 60 mdeg/hr

5 AI 重力加速度計 w 2 Rb 原子 p/2 b> レーザー光 p 5P 3/2 87 Rb 原子のエネルギー準位 e D w 1 g a> T 時間 T p/2 プローブ光 b> a> w w 2 1 l=780nm 5S 1/2 F=1, m=0 a b F=2, m= MHz 干渉信号 T=10ms 原子の終状態が b> である確率 P b 12ms 15ms P b cos( Df = k eff gt 2 k eff = k 1 - k 2 = (w 1 +w 2 )/c ) g : 重力加速度 T=17ms 周波数掃引レート (MHz/s)

6 古典的な技術から量子技術へのパラダイムシフトレーザー干渉計型重力計 ~ 2 cm コーナーキューブミラー原子干渉計型重力計レーザー冷却原子物質波の波長波束の大きさ 390 nm 2mm (T=30nK) 自由落下 g 回転レーザー光波長 633 nm h ~ 20 cm 測定誤差 Dh~0.4 nm Dg/g~2x10-9 g l/2=390 nm レーザー光 l=780 nm 位相差 Df h ~20 cm 測定誤差 Df < 1/2000 Dg/g<10-9 ミラーの落下距離をレーザー干渉計を用いて測定測定確度 Dg/g~2x10-9 ミラーの回転等によりこれ以上の性能向上は難しいマクロな大きさのセンサーを用いた古典的な技術の限界原子の落下距離を物質波とレーザー光の位相差より測定極低温の原子をセンサーとして用いる事により高い測定確度が期待 Dg/g < 10-9 原子 1 個がセンサーであるため装置ごとの系統誤差が非常に小さい

従来の重力加速度計の問題点レーザー干渉計型絶対重力計測定確度 Dg/g ~ 2 10-9 ミラーの上下運動による部品の摩耗定期的な部品交換長期連続運転が困難

レーザー干渉計型絶対重力計 FG-5 (Micro-g LaCoste 社 ) 超伝導重力計 (GWR 社 ) 地球物理数 mm/

7 従来の重力加速度計の問題点レーザー干渉計型絶対重力計測定確度 Dg/g ~ ミラーの上下運動による部品の摩耗定期的な部品交換長期連続運転が困難超伝導 ( 相対 ) 重力計測定感度 Dg/g~10-12 相対値測定短期の感度は高いが長期的なドリフトがあり絶対重力計による定期的な校正が必要レーザー干渉計型絶対重力計 FG-5 (Micro-g LaCoste 社 ) 超伝導重力計 (GWR 社 ) 地球物理数 mm/ 年程度の地面の隆起が測定可能になることが目標標高差 3mmのgの変化 Dg/g ~ 10-9 大きな地震の前後のgの変化 Dg/g ~ 10-9 測定確度 Dg/g < 10-9 の長期連続運転可能な絶対重力加速度計が必要

8 AI 慣性センサーの応用と最近の研究動向 AI 重力加速度計測地学地球物理資源探査のための可搬型重力加速度計の開発用途重力ポテンシャルマップ地殻変動のモニター基礎物理定数万有引力定数 Gの精密測定ワットバランス法 kg 原器に代わる質量標準基礎物理一般相対論等価原理の検証重力波検出宇宙空間低周波 (<1Hz) AI ジャイロスコープ慣性航法ジャイロスコープ加速度計を用いた位置決め航空機潜水艦ミサイル GPS が使えない環境下で GPS と同等の位置決め精度の実現が目標 AI ジャイロはドリフトが非常に小さい

9 AI 慣性センサーの各国の研究開発状況落下タワージャイロ Birmingham Paris ジャイロ Hannover Firenze Bordeaux 重力波検出器 Berlin 万有引力定数 G 原子タワージャイロ Peking Berkeley ( 精華大 ) MIT Tokyo Stanford Wuhan (UEC) Boulder 原子タワー Hangzhou Albuquerque ( 浙江大 ) ジャイロ (UNM) Tucson (Arizona) Canberra (ANU) BEC 干渉計

10 AI 慣性センサーの基礎物理への応用一般相対性理論の弱い等価原理の検証 AI 重力加速度計で異なる原子種で重力加速度 g の差異を測定 Dg = g A g B = 0? Stanford 大原子落下タワー 10m T ~1s 85 Rb - 87 Rb Dg < g ( 目標 ) QUANTUS (Hannover 大 ) 落下タワー (Bremen) 100 m T ~ 5 s 実験装置ごと自由落下落下カプセル ICE (Institut d Optique) 放物飛行 T ~ 20 s 87 Rb - 39 K

微小重力下での原子干渉計相互作用時間 >5s 等価原理の検証ダークマターの検出スケジュール 2012-2017/4 装置の開発 2017/8 装置の打ち上げ 2017-2020 宇宙実験

11 宇宙空間における微小重力下での原子干渉計実験 NASA の宇宙冷却原子実験室プロジェクト CAL(Cold Atom Laboratory) の目標地上では重力の影響で実現が難しい 1nK 以下の極低温を国際宇宙ステーション (ISS) の微小重力下で実現して様々な物理の基礎実験を行う微小重力下での BEC(Rb) やフェルミ縮退ガス (K) 温度 <100pK 自由膨張時間 >5s 微小重力下での原子干渉計相互作用時間 >5s 等価原理の検証ダークマターの検出スケジュール /4 装置の開発 2017/8 装置の打ち上げ宇宙実験ヨーロッパでも同様の実験計画 QWEP (ISS), STE-QUEST ( 人工衛星 ) 中国でも自国の宇宙ステーションでの実験を計画 ( 北京大学 )

重力加速度計測地学地球物理資源探査用 DARPA のプログラムで高性能慣性誘導システム用の AI ジャイロの開発も行っているが詳細は不明

12 AI 慣性センサーの実用化ベンチャー企業による可搬型実用機の開発 AOSense, Inc. Stanford 大 Muquans パリ天文台 SYRTE, Institut d Optique AI 重力加速度計最初の商業 AI 重力加速度計測地学地球物理資源探査用 DARPA のプログラムで高性能慣性誘導システム用の AI ジャイロの開発も行っているが詳細は不明 AI 重力加速度計小型可搬型実用機性能はレーザー干渉計型とほぼ同程度高繰り返し測定 ( 2-3 Hz) 測定時間短縮可動部無し装置の維持管理が容易長期連続測定 (~1 年 ) が可能

13 AI 重力加速度計 AI 慣性センサーの今後の研究の方向 AI 慣性センサーの潜在的に高い性能はまだ実現されていない 2 検出感度の向上位相感度 k eff T g 等価原理の検証検出感度の限界の追求 Dg/g < 長い相互作用時間 T=0.2s ( 原子泉 ) 1s ( 原子タワー 10m) >10s ( 微小重力下 ) 可搬型実用機小型 (<1m) で高感度の実現 Dg/g < 10-9 大きな運動量移行 p 2 k n k n =100 量子射影雑音低減 SN 1 N (N: 原子数 ) 1/N 少ない原子数で感度が維持確度の向上( 系統誤差の低減 ) 現在の確度は従来のレーザー干渉計型と同程度 Dg/g= 3x10-9 1~3x10-9 ( 目標 ) 誤差の主な要因レーザー光の波面収差低コヒーレンス原子源極低温原子源温度 <10 nk 点原子源 AI ジャイロスコープ慣性航法のためのジャイロとして利用するには小型化が必須 2 検出感度 ( 4 m h) A 2kv T A: 干渉計が囲む面積原子線 (2m, A=20mm 2 ) 3D MOT (~20cm, A=30mm 2 ) アトムチップ上の原子導波路 (<1cm)?

14 アトムチップを用いた原子導波路 87 Rb Atom SiO 2 Si Ti Au ~100μm 50~200μm 10μm 2cm Atom chip Cu 原子導波路中の BEC 原子原子導波路を用いた AI ジャイロスコープ ( 提案 ) アトムチップ上の BEC 原子干渉計 2 k 0 k パリ天文台 SYRTE の Web より長い相互作用時間 T = 0.5 ~ 0.1 s

15 日本における研究推進の課題早い時期に研究がスタートするが多くが原理実証で終わる原子波干渉 (1992) BEC 干渉計 (2000) 重力加速度計(2005) 研究プロジェクトからの継続的な研究支援が必要科研費重点領域 ( 重力波 ( )) JST/CREST( 量子情報 ( )) 国の研究支援のもとでの戦略的な研究開発が早急に必要アメリカ (DARPA, NASA) イギリス(Quantum Technologies Programme) 実用化に向けて小型高性能化のための周辺技術を含むさらなるブレークスルーが必要企業等との協力が不可欠国内でAI 慣性センサーを研究するグループが少ない現在は電通大のみ若手の研究者の育成国立研究所 ( 産総研 NICT) や企業との連携日本は冷却原子の研究者の数は多いが応用技術への関心が低い一方原子時計に関しては多くの研究実績があり AI 慣性センサーの研究と共通する要素が多く連携して研究する事により大きな発展が期待できる

16 AI ジャイロなどの慣性センサー技術は海外では軍事技術として非公開で研究開発が進む可能性があり後に民生用や基礎科学にこの技術を利用することが困難になるこのため自前で基礎研究を行いその後の展開を企業等と連携して行う事が考えられる例 ) 重力波検出器に必要な反射率 99.99% 以上の高性能ミラーはレーザージャイロ用として米国で開発された技術であったため以前は日本ではこのミラーの製造ができず米国から購入するしかなかった

17 まとめ AI 慣性センサーは量子技術の中で実用化が期待される重要な技術で中でも AI 重力加速度計は多くの応用およびニーズがあり早急に本格的な研究開発をスタートする必要がある AI ジャイロスコープは慣性航法において重要な技術となりうるため産官学で連携してこれから研究開発を行う必要があるこの分野の研究を活発にするためには若手の研究者の育成が必要不可欠でこれにはある程度継続的な研究支援が求められる

PowerPoint プレゼンテーション

PowerPoint プレゼンテーション低温科学 A レーザーによる希薄原子気体の冷却とボースアインシュタイン凝縮物理第一教室量子光学研究室 http://yagura.scphys.kyoto-u.ac.jp 高橋義朗 yitk@scphys.kyoto-u.ac.jp 5 号館 203 号室講義予定 1. イントロダクションレーザー冷却からボースアインシュタイン凝縮へ 2. 光と原子の相互作用 3. レーザー冷却トラップの原理