チューリッヒ工科大学（ETH Zurich）のフォトニクス研究所とバルセロナ光科学研究所（ICFO）の研究者たちは、光学トラップ内でシリカナノ粒子の制御された量子非局在化を実証し、量子物理学における重要な進歩を遂げました。この成果は、Physical Review Letters誌に掲載され、量子力学の限界と潜在的な技術応用を探求する上で重要な一歩となります。
通常、浮遊ナノ粒子の量子コヒーレンス長はゼロ点運動によって制限され、より大きな物体での量子干渉の観測を困難にしています。しかし、研究チームは制御された拡張法を用いることで、この障壁を克服しました。変調された光ピンセットシステムを採用し、マイクロ秒単位で光トラップの「柔らかさ」と「硬さ」を調整できるようにしたのです。この革新的なアプローチにより、元のコヒーレンス長は3倍以上に増加し、最良のケースでは約21ピコメートルから70ピコメートル以上にまで伸びました。コヒーレンス長は、粒子が量子干渉を示すための基本的な要素であり、その値が大きいほど、波動的な振る舞いを示す確率が高まります。
達成された数値はまだ小さいものの、粒子が量子的な純粋さを失うことなく、制御された拡張が可能であることを明確に示しています。この進歩は、これまで原子や分子システムでのみ観測されていた現象を探求するための新たな道を開き、量子力学を巨視的な世界に近づけます。
基礎的な関連性以外にも、この技術は量子力学的な力センサーの開発に大きな可能性を秘めています。高いコヒーレンスを持つナノ粒子は、電場や重力場の微細な変動を検出し、その精度は現在の技術を凌駕する可能性があります。さらに、この研究は、実験的に未踏の領域である量子力学と重力の関係を探求するための新たな道を開きます。理論によれば、非局在化した2つの量子質量は重力的なエンタングルメントを生成する可能性があり、本研究で説明されている方法は、これらのアイデアの実装に向けた一歩となります。
この成果は、ナノ粒子の光浮遊分野における他の進歩とも連携しています。例えば、欧州研究評議会（ERC）から資金提供を受けているQnanoMECAプロジェクトは、量子ナノ力学振動子の機械的エネルギーを削減することに成功し、個々のフォノンの量子領域に近づけています。このような進歩は、ナビゲーションや地震学のための次世代高精度機械センサーの開発に貢献する可能性があります。要約すると、浮遊ナノ粒子における量子非局在化を制御する能力は、巨視的なスケールでの量子力学の理解と応用において大きな飛躍を意味し、基礎研究と高度な量子技術の開発の両方に新たな可能性を切り開きます。