- 牛津大学が混合量子コンピュータを用いてAharonov–Bohm効果を再現。
- 研究により、粒子が磁場に接触せずに運動を停止できることが示された。
- この実験は、従来のコンピュータでモデル化するのが難しい相互作用のシミュレーションに役立つ。
- 研究により、混合量子アーキテクチャが基本的な物理相互作用の探索に利用できることが示された。
量子粒子はトンネリングと呼ばれる過程を通じて2つの位置間を移動できる。しかし、ある粒子が一度も直接相互作用したことのない磁場によって突然移動を停止したら、何が起こるだろうか。牛津大学の物理学者たちが混合量子コンピュータを用いてこの直感に反する振る舞いを再現し、量子システムのシミュレーションにおいて生じるAharonov–Bohm効果を示した。Aharonov–Bohm効果は、粒子が磁束を含む領域を取り囲む際に発生し、その粒子が磁場を決して通過しなくても、量子位相の変化を経験する。
牛津大学の実験において、この効果により粒子のあり得る経路が相殺し合い、2つの位置間のトンネリングが完全に抑制された。これらの発見は、従来のコンピュータでモデル化することがますます困難になっている基本的な相互作用のシミュレーションを科学者たちが行う助けとなる可能性がある。
牛津大学の実験方法
トラップされたイオンからなる量子ループを構築する。日常の物理学では、帯電粒子は遭遇した電場と磁場に反応する。しかし、量子力学はより微妙な現象を許容する。粒子が磁束を含む領域を取り囲む際、その粒子が磁場が存在する領域に決して進入しなくても、測定可能な位相変化を獲得できる。物理学者Yakir AharonovとDavid Bohmが1959年にこの効果を予測し、その後、実際の電子を用いた実験で実証された。現在、牛津の研究者たちは同じ現象が格子ゲージ理論においてどう振る舞うかを研究している。これは、素粒子物理学における物質と場の相互作用を記述するための数学的枠組みである。
これらの理論では、物質が格子上の点を占め、ゲージ場がそれらの点を結ぶ。これらのシステムが大きくなるにつれ、従来のコンピュータでその振る舞いを計算することはますます困難になる。量子シミュレーションは代替手段を提供する：研究者たちが、研究したいモデルの基礎ルールに従う物理システムを構築し、その振る舞いを観察するのだ。
2022年から、研究著者たちは格子ゲージ理論をシミュレートする実験を開始した。これは、物質がゲージ場とどう相互作用するかを研究するための枠組みである。彼らの混合システムは、異なる役割を持つ2種類のコンポーネントを組み合わせたものだ。トラップされたイオンの内部電子状態にエンコードされた量子ビット（qubit）がゲージ場を表す。イオンの振動に対応する量子振動子が物質を表す。研究者たちは、それらの間の場を表す2つの量子ビットを用いて2つの振動子を接続し、これは2つの位置にある物質を表した。これらのコンポーネントがともにループを形成し、これは理論の基本的な構成要素の一つである。
チームはデジタル操作を用いてシステムを準備・測定し、アナログ量子進化によって相互作用のシミュレーションを可能にした。
磁束の動的エンコード
粒子の運動を打ち消す磁束。研究者たちは、この2つの量子ビットを、その量子的性質が古典的な等価物を持たない形で相互に結びついたエンタングルメント状態に準備した。シミュレーションにおいて、この状態はループを貫く磁束を表した。当初、この方法で磁束をエンコードすることは実用的な回避策だった。ハードウェアが、磁束を固定背景として導入するために必要な相互作用を提供できなかったためだ。しかし、このアプローチは研究者たちにより興味深いものを探索することも可能にした：相互作用する物質とともに進化するゲージ場だ。「私たちにとってエキサイティングな一歩は、磁束を、それ自体が動的なゲージ場にエンコードすることだった。
物質が固定背景の中で進化するのではなく、物質とゲージ場が同じ量子力学の一部となる。」と牛津大学の主任研究者であり博士研究員のSebastian Saner氏は述べた。
その後、研究者たちは物質粒子がループの2つの位置間でトンネリングするのを観察した。磁束がないとき、粒子は自由にトンネリングできる。研究者たちが磁束を導入すると、2つのあり得る経路が破壊的干渉を起こし、トンネリング過程が打ち消され、系が初期状態に戻った。「このとき、我々はAharonov–Bohm干渉を観察し、磁束をエンコードした動的ゲージ場を用いることで、電荷と磁束の間の相互作用を示した。」
将来の量子シミュレーション応用
量子シミュレーションを基本的な相互作用へ拡張する。この実験は、物質と磁場が量子システムの中でどう相互作用するかを研究する手段を提供する。さらなる発展により、同様のシミュレーションが、従来のコンピュータではモデル化が難しいより複雑な相互作用の探求を研究者たちに助ける可能性がある。関連研究では、メリーランド大学のNorbert Linke教授率いるチームが、混合量子システムを用いて核物理学および素粒子物理学に関連するユカワポテンシャルをシミュレートした。これらの研究は合わせて、混合量子アーキテクチャがいかにして科学者たちが物理世界を形作る基本的な力と相互作用を探索するのを助けるかを示している。
この研究は『Nature Physics』誌に掲載された。
項目 仕様 研究機関 牛津大学 量子システムの種類 混合量子コンピュータ 予測効果 Aharonov–Bohm効果
混合量子計算の可能性と課題
この研究は、混合量子コンピュータが量子物理学の基本的な相互作用を探索する上での可能性を示した。Aharonov–Bohm効果の再現は、量子理論の予測を検証しただけでなく、科学者たちに複雑な物理システムをシミュレートする新たな方法を提供した。量子計算技術の進歩に伴い、この種の実験は従来のコンピュータでは効果的に処理できない問題の解決に貢献し、物理学および関連分野の発展を推進するだろう。研究成果は基礎科学にとって重要な意義を持つだけでなく、将来の技術応用にも深遠な影響を与える可能性がある。