量子光技術で重力誘起エンタングルメント検出を加速Squeezed Light Enhances the Sensitivity of Experiments Probing Gravity-Induced Entanglement
九州大学 時空量子連携研究機構（QuaSR） を含む研究グループは、量子ノイズを抑えた特殊な光（スクイーズド光）を用いることで、重力が生み出す量子もつれ（重力誘起エンタングルメント）の検出感度が大幅に向上することを理論的に明らかにしました。
本研究により、重力の量子性を調べる実験に必要な測定時間を大きく短縮できる可能性が示され、重力と量子力学の関係を実験的に検証する研究を大きく前進させる成果となります。
本成果は、米国物理学会誌 Physical Review D に掲載されました。
研究の背景
重力は、私たちの身の回りでは物体を引き寄せる力として知られていますが、重力そのものが量子力学的な性質を持つかどうかは、現代物理学における最大の未解決問題の一つです。
近年、「重力が量子もつれ（エンタングルメント）を生み出すかどうか」を調べることで、重力の量子性を直接検証できる可能性が注目されています。この現象は「重力誘起エンタングルメント（Gravity-Induced Entanglement (GIE)）」と呼ばれています。
研究の内容
本研究では、光と微小な鏡の運動を精密に制御できるオプトメカ系を用い、GIEをより高感度に検出する方法を理論的に検討しました。特に、重力波検出でも用いられる量子的性質を持った光「スクイーズド光」を利用することで、
- 鏡の運動に含まれる光由来のノイズが低減され
- 重力によって生じる量子もつれの信号がより明確になる
ことを示しました。さらに、実際の実験を想定し、有限の測定時間でどの程度の精度が得られるかを詳しく評価しました。
研究成果のポイント
- スクイーズド光を用いることで、重力誘起エンタングルメントの検出感度が向上
- 実験に必要な総測定時間が
- スクイーズド光なし： 約 10⁶․⁸ 秒
- スクイーズド光あり： 約 10⁶ 秒
に短縮可能であることを理論的に示した
- 量子光技術が、重力の量子性検証において極めて重要な役割を果たすことを明確化
社会的・学術的意義
本研究は、
- 重力と量子力学を結びつける実験研究の実現可能性を大きく高めるとともに
- 量子センシングや精密測定技術の新たな応用先として、重力研究への展開を示す
ものです。将来的には、量子制御技術や量子光源技術の進展とともに、「重力が量子的かどうか」を実験で直接確かめる研究へとつながることが期待されます。
論文情報
掲載誌： Physical Review D 113, 024025 (2026)
- 論文タイトル： Theoretical study of the squeezed-light-enhanced sensitivity to gravity-induced entanglement via finite-time analysis
- DOI：https://doi.org/10.1103/1mfv-y24t
A research group including the Quantum and Spacetime Research Institute (QuaSR), Kyushu University, has theoretically demonstrated that the use of a special form of quantum light, known as squeezed light, can significantly enhance the sensitivity for detecting gravity-induced entanglement (GIE)—a phenomenon in which gravity itself generates quantum entanglement. This result indicates that the total measurement time required to experimentally probe the quantum nature of gravity can be substantially reduced, representing an important step forward toward experimentally testing the relationship between gravity and quantum mechanics. The findings have been published in the journal Physical Review D of the American Physical Society.
Background
Gravity is familiar to us as the force that attracts objects toward each other in everyday life. However, whether gravity itself possesses fundamentally quantum mechanical properties remains one of the most profound open questions in modern physics.
In recent years, growing attention has been focused on the idea that the quantum nature of gravity could be directly tested by investigating whether gravity can mediate quantum entanglement between massive objects. This phenomenon is referred to as gravity-induced entanglement (GIE).
Research Overview
In this study, the researchers theoretically investigated a method for detecting GIE with enhanced sensitivity using an optomechanical system, in which the interaction between light and the motion of tiny mirrors can be precisely controlled.
A key feature of the work is the use of squeezed light, a quantum state of light that is already employed in gravitational-wave detectors to suppress quantum noise. By injecting squeezed light into the optomechanical system, the researchers showed that:
- Optical quantum noise affecting the motion of the mirrors is significantly reduced, and
- The signal associated with gravity-induced quantum entanglement becomes clearer and more distinguishable.
In addition, the study carefully evaluated the achievable measurement precision under realistic conditions, taking into account a finite measurement time, as would be required in an actual experiment.
Key Results
- The use of squeezed light significantly enhances the sensitivity for detecting gravity-induced entanglement.
- The total measurement time required to achieve a signal-to-noise ratio of unity was theoretically estimated to be
- approximately 10⁶․⁸ seconds without squeezed light, and
- approximately 10⁶ seconds when squeezed light is employed.
- These results demonstrate that quantum optical techniques play a crucial role in improving the feasibility of experimentally probing the quantum nature of gravity.
Scientific and Societal Significance
This research substantially increases the feasibility of experimental studies that bridge gravity and quantum mechanics, two pillars of modern physics that are traditionally described by very different theoretical frameworks.
Moreover, the results highlight a new application of quantum sensing and precision measurement technologies, extending their impact to fundamental studies of gravity. With continued advances in quantum control and quantum light sources, this work paves the way toward experiments that could directly test whether gravity itself is a quantum phenomenon.
Publication Information
- Journal: Physical Review D 113, 024025 (2026)
- Title: Theoretical study of the squeezed-light-enhanced sensitivity to gravity-induced entanglement via finite-time analysis
- DOI: https://doi.org/10.1103/1mfv-y24t
