物理学者が最大のものを生み出す

Jan 15, 2024

物理学者は史上最大の物体を量子重ね合わせに導入した

重さ16マイクログラムのサファイア結晶は、2つの振動状態が量子力学的に重ね合わされた状態で存在する史上最大の物体である。 スイス連邦工科大学チューリッヒ校 (ETH Zurich) のハイブリッド量子システム グループの研究者らは、結晶を励起して振動させ、その原子が同時に前後に、そして 2 つの反対方向に振動するようにしました。これにより、結晶全体がいわゆる「振動」状態になります。量子重ね合わせの状態。

研究グループが『サイエンス』誌に報告しているように、この状態は物理学者エルヴィン・シュレディンガーの有名な思考実験に出てくる猫の状態によく似ている。 シュレーディンガーの量子力学のシナリオでは、猫は毒の小瓶を放出する原子の崩壊に応じて、生きていると同時に死んでいます。 新しい実験のサファイア結晶は、巨視的にはその「猫の状態」と同等の状態に置かれた。 このような状態は、科学者が量子世界の法則がより大きな物体の古典物理法則にどのように、そしてなぜ移行するのかを理解するのに役立ちます。

[物理学における「猫の状態」実験について詳しく読む]

約1017個の原子で構成されるサファイアを量子力学的な物体のように動作させるために、研究グループはサファイアを発振させ、超伝導回路に接続した。 (元の思考実験の用語では、サファイアは猫であり、超伝導回路は崩壊する原子でした。) この回路は量子ビット、つまり同時に「0」と「」の状態にある量子情報のビットとして使用されました。 1.」 次に、回路の重ね合わせが水晶の発振に転写されました。 したがって、ちょうどシュレーディンガーの猫が同時に死んでいるのと生きているのと同じように、結晶内の原子は同時に 2 つの方向、たとえば上と下に移動する可能性があります。

重要なのは、これら 2 つの状態 (生きている状態と死んでいる状態、または上と下) の間の距離は、チューリッヒ工科大学の科学者が確認した量子不確実性原理による距離よりも大きくなければならないということです。 研究者らは、超伝導量子ビットを使用して、結晶の 2 つの振動状態の間の距離を決定することに成功しました。 ナノメートルの約 20 億分の 1 と非常に小さいですが、それでもこれら 2 つの状態を疑いの余地なく区別するには十分な大きさです。

エルサレムのヘブライ大学で量子力学回路を研究する物理学者シュロミ・コトラー氏は、これらの発見は「実際の実験室実験で量子力学と考えられるものの限界を押し広げた」と語る。 コトラー氏は研究には参加しなかった。

原子や素粒子のスケールで存在する量子力学的な物体では、このような古典的に両立しない状態の重ね合わせが一般的です。 一方、非常に多くの原子で構成される巨視的な物体は、通常、古典力学に従い、2 つの矛盾する状態を同時に取ることはできません。 猫が同時に生きていることと死んでいることができないのと同じように、クリスタルは同時に上下に振動することはできません。 しかし、ここでの大きな謎は、なぜ通常はそれができないのかということです。 結局のところ、物体がどれほど大きくても、それは量子物理学の規則に従う原子と素粒子で構成されています。

コトラー氏は、より大きな猫の状態を見つけることは、観測される量子力学的物体の「限界を広げる」方法であると指摘している。この場合、この状態で 16 マイクログラムもの質量のものが存在できることを実証することによって行われる。 (ただし、はっきり言っておきますが、16 マイクログラムは依然として微視的です。)

より大きな物体が量子力学に従わない理由については、いくつかの考えられる説明があります。 たとえば、原子の数が増加するにつれて、おそらくより多くの影響によって量子力学的状態が崩壊する可能性があります。 もう一つの可能​​性は、重力が役割を果たしているということです。 より大きな猫国家が、最終的にはシュレーディンガーの猫のパズルを解くのに役立つことが期待されています。

実際、マリウス・ビルト氏およびユー・ヤン氏と共同研究を主導したチューリッヒ工科大学のマッテオ・ファデル氏は、サファイアと超伝導体に関するチームの成功を基礎にして、これらの可能性のいくつかをテストしたいと考えている。 「私は、低エネルギー量子重力現象学を含む基礎物理学を研究するための私たちのデバイスの可能性を探ることに興味があります」とファデル氏は言う。

この研究で作成されたような、安定で制御可能な巨視的な量子状態も技術的に興味深いものです。 たとえば、ますます複雑化する量子コンピューター内のエラー訂正方法に使用できます。 コトラー氏は、量子コンピューティングは、この論文の著者が超伝導キュビットをサファイア結晶に結合したのと同じように、処理用の電気部品とメモリ用の機械的オブジェクトをリンクするデバイスに依存する可能性があると説明しています。

この記事は元々 Spektrum der Wissenschaft に掲載され、許可を得て転載したものです。

編集者注記 (2023 年 5 月 16 日): この記事は、Matteo Fadel が研究を共同主導したことを明確にし、研究グループに関する追加情報を追加するために、投稿後に更新されました。

ラース・フィッシャー彼は化学者であり、Spektrum der Wissenschaft でジャーナリストおよび編集者として働いています。

デイジー・ユハス Scientific American コラム「Mind Matters」を編集。 彼女はテキサス州オースティンを拠点とするフリーの科学ジャーナリスト兼編集者です。Twitter @DaisyYuhas で Yuhas をフォローしてください。クレジット: Nick Higgins

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