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量子物理学：負の質量の基準座標系における量子反作用を回避する運動測定
Nature 547, 7662 doi: 10.1038/nature22980
量子力学では、ある対象の位置を連続測定すると、その対象の運動量に不規則な量子反作用（QBA）摂動が課せられるとされている。この不規則性は、時間とともに位置の不確定性に変わるため、よく知られた運動測定の不確定性につながる。この不規則性の結果として、またハイゼンベルクの不確定性原理に従うと、QBAは、位置、速度、加速度のセンシングの精度に、いわゆる標準量子限界という制約を課す。今回我々は、巨視的な機械的振動子へのQBAは、運動の測定を原子スピン振動子の基準座標系で行うと回避できることを示す。離れた2つの異なる振動子からなるこのハイブリッド系に関する集団量子測定は、光を用いて行われる。機械的振動子は、振動「ドラム」モードにあるミリメートルサイズの誘電体膜であり、スピン振動子は磁場中の原子集団である。磁場の方向に配向したスピンは、エネルギー的に反転したスピン分布に対応し、負の有効質量の振動子を実現する一方で、逆の配向は、正の有効質量の振動子に対応する。QBAは、負の質量の設定では1.8 dB抑制され、正の質量の場合に2.4 dB増加する。このハイブリッド量子系は、機械系とスピン系の間のエンタングルメント生成や遠隔量子通信に向けて、また、力、運動、重力の標準量子限界を超えたセンシングに向けて道を開くものである。
