日本的東北大學、東京大學及國立天文臺組成的研發小組新開發成功了一款測量儀，只需1秒就能以10-14m左右的解析度擷取用細石英線懸掛的7mg反射鏡的振動。利用該測量儀，就可以捕捉到100mg的物體在距離懸鏡數毫米位置處振動時的重力變化。
相關研究論文已於2019年2月20日發表在該領域的頂級專業期刊之一《物理可用能評論快報》（Physical Review Letters）上。
爲了整合重力與量子的實驗等級，需要構築可觀測微小重力和零點運動的精密位移測量系統。目前全球空間解析度最高的位移量測裝置是重力波偵檢器。日本的東北大學、東京大學與國立天文臺組成的研發小組利用這一技術，在1秒的測量時間内以10-14m左右的高解析度成功測量出了懸鏡（參考圖1。由直徑1μm、長1cm的細石英線懸掛7mg反射鏡構成）的位移。懸鏡與重力波偵檢器一樣，都屬於光學諧振器（圖2）的一部分。懸鏡被諧振器透過光學手段追蹤，而且可以透過回饋冷卻將溫度冷卻至基態附近。
圖1：利用直徑1μm的細石英線懸掛的重7mg的反射鏡（直徑3mm，厚0.5mm，西格瑪光機制造）。右側是用立體顯微鏡拍攝的懸鏡照片。
重力測量的原理非常簡單。懸鏡的振動會改變光學諧振器的反射光量，用光偵檢器測量其變動情況。在反射鏡旁邊設置重力源，利用光線檢測二者的重力相輔作用引起的懸鏡振動，便可觀測重力。例如，在距離懸鏡約4mm處重100mg的物體以1mm振幅振動時，在重力的相輔作用下，（被光學手段追蹤的）懸鏡會行程10-14m左右。透過光學諧振器的響應，能夠測量出這種微量行程，也即可觀測出微小重力。
圖2：新開發的重力換能器。屬於採用懸鏡的光學諧振器，利用雷射觀測懸鏡的振動。只需1秒鐘即可測量100mg的物體產生的重力。
爲降低測量噪音，光學諧振器構築在真空容器内設置的多級防振裝置上（圖3），利用設置在同一個防振板上的激光強度及頻率穩定度系統來穩定雷射。透過實驗成功證實，降低噪音可實施mg等級的重力測量，而且將來還有望實施mg級的量子態控制。
圖3：新開發的多級防振裝置的示意圖（左）和真空容器（直徑1m，高1m，MIRAPRO製造）内部設置的多級防振裝置（右）。
將來有望觀測到在實施量子態的感測器和（量子態）重力源之間的重力相輔作用。如果能整合重力實驗與量子實驗的等級，就可以驗證能否透過重力的相輔作用在量子態之間產生各種量子相關。
文 JST客觀日本編輯部
