量子場計測システム国際拠点（WPI-QUP, KEK）と京都大学の理論・実験研究者からなる学際的研究チームは、高エネルギー物理学と量子センシングの知見を融合し、ダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心が持つ三準位構造を活用することで、超軽量暗黒物質（ダークマター）探索の性能を向上できることを理論的に示しました。

暗黒物質は宇宙の物質の大部分を占めると考えられているものの、その正体はいまだ解明されていません。QUPでも、ダイヤモンドNV中心を用いた量子センサーが、アクシオンなどの超軽量暗黒物質が生み出す極めて微弱な信号を検出する有力な手法として注目してきました。これまでの研究では、NV中心の3つの量子準位のうち2つだけを使った「量子ビット」として運用されており、多準位量子系が持つ本来の性能を十分に引き出せていませんでした。

本研究では、NV中心の3つの量子準位を「量子三準位系（qutrit）」として活用するとともに、暗黒物質由来の信号を増強しながら温度変動や電場揺らぎなどの共通ノイズを抑制する手法を組み合わせることで、高精度な量子計測を実現できることを示しました。これらの成果をまとめた論文を、2026年6月にPhysical Review A誌のLetterとして発表しました。

本研究を主導したQUP主任研究員のヴォロディミル・タキストフ特任准教授（Volodymyr Takhistov）は、「多準位量子系が基礎科学にもたらす大きな可能性を示しています。量子力学的性質を十分に活用することで、これまで検出が困難だった極めて微弱な信号を捉える新たな手法が実現できます。こうした考え方は暗黒物質探索にとどまらず、さまざまな分野へ発展していくと期待しています。私たちはまだ、量子センサーが自然界の根本法則の解明にどれほど貢献できるか、その可能性の入り口に立ったばかりです。」と述べています。

掲載誌：Physical Review A (Letter)
タイトル: Beyond Qubits: Multilevel Quantum Sensing for Dark Matter
著者： Xiaolin Ma, Volodymyr Takhistov, Norikazu Mizuochi, Ernst David Herbschleb
DOI: 10.1103/zvzb-yv67


関連リンク
高エネルギー加速器研究機構（KEK）からのプレスリリース：
https://www.kek.jp/ja/press/202607091400
京都大学 化学研究所｜研究トピックス：
https://www.kuicr.kyoto-u.ac.jp/sites/topics/260709/