日本的东北大学、东京大学及国立天文台组成的研发小组新开发成功了一款测量仪，只需1秒就能以10-14m左右的分辨率读取用细石英线悬挂的7mg反射镜的振动。利用该测量仪，就可以捕捉到100mg的物体在距离悬镜数毫米位置处振动时的重力变化。
相关研究论文已于2019年2月20日发表在该领域的顶级专业期刊之一《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。
为了整合重力与量子的实验等级，需要构筑可观测微小重力和零点运动的精密位移测量系统。目前全球空间分辨率最高的位移测量装置是引力波探测器。日本的东北大学、东京大学与国立天文台组成的研发小组利用这一技术，在1秒的测量时间内以10-14m左右的高分辨率成功测量出了悬镜（参考图1。由直径1μm、长1cm的细石英线悬挂7mg反射镜构成）的位移。悬镜与引力波探测器一样，都属于光学谐振器（图2）的一部分。悬镜被谐振器通过光学手段追踪，而且可以通过反馈冷却将温度冷却至基态附近。
图1：利用直径1μm的细石英线悬挂的重7mg的反射镜（直径3mm，厚0.5mm，西格玛光机制造）。右侧是用体视显微镜拍摄的悬镜照片。
重力测量的原理非常简单。悬镜的振动会改变光学谐振器的反射光量，用光探测器测量其变动情况。在反射镜旁边设置重力源，利用光线检测二者的重力相互作用引起的悬镜振动，便可观测重力。例如，在距离悬镜约4mm处重100mg的物体以1mm振幅振动时，在重力的相互作用下，（被光学手段追踪的）悬镜会移动10-14m左右。通过光学谐振器的响应，能够测量出这种微量移动，也即可观测出微小重力。
图2：新开发的重力传感器。属于采用悬镜的光学谐振器，利用激光观测悬镜的振动。只需1秒钟即可测量100mg的物体产生的重力。
为降低测量噪声，光学谐振器构筑在真空容器内设置的多级防振装置上（图3），利用设置在同一个防振板上的激光强度及频率稳定系统来稳定激光。通过实验成功证实，降低噪声可实现mg等级的重力测量，而且将来还有望实现mg级的量子态控制。
图3：新开发的多级防振装置的示意图（左）和真空容器（直径1m，高1m，MIRAPRO制造）内部设置的多级防振装置（右）。
将来有望观测到在实现量子态的传感器和（量子态）重力源之间的重力相互作用。如果能整合重力实验与量子实验的等级，就可以验证能否通过重力的相互作用在量子态之间产生各种量子相关性。
文 JST客观日本编辑部
