米国のスタンフォード大学の研究者が音の量子跳躍をリアルタイムで計測することに初めて成功

米国のスタンフォード大学の研究者が、音の量子跳躍をリアルタイムで初めて計測した。この成果は科学研究に新たな方向を開き、量子コンピューティングやセンシング技術への即座の応用が期待される。量子跳躍とは、量子系のエネルギー状態が急激に変化する現象を指す。量子跳躍の概念は100年以上前から存在しており、理論物理学者であるニールス・ボーアが1913年に初めて提唱した。1986年に科学者がトラップされたイオンにおける量子跳躍を初めて観測し、2007年には光の素粒子である光子における量子跳躍が観測された。

音の量子跳躍を初めて観測

それから約20年後、スタンフォード大学の物理学者アミール・サファイ＝ナイン氏が率いる研究チームが、音の基本単位であるフォノンにおける量子跳躍の観測に成功した。 この発見を説明するために、サファイ＝ナイン氏は鐘を鳴らす例を挙げた。鐘の音は瞬間的に消えるのではなく、時間とともに徐々に減衰していく。しかし、量子レベルではこの減衰は跳躍の形で起こり、サファイ＝ナイン氏のチームはこの跳躍をリアルタイムで計測するという前例のない成果を上げた。一体どのように計測したのか。研究者はこの測定を行うため、コンピュータチップと同程度のサイズの機械式共振器を作製した。

共振器が小型であるため、単一のチップ上に複数の素子を搭載できる。この共振器は、音叉のように打たれると共鳴して鳴る。しかし研究者が設計した共振器は、共鳴持続時間がわずか2ミリ秒しかない。きわめて短く聞こえるかもしれないが、共振器が動作する微細スケールにおいては、これは音叉が何時間も振動し続けることに相当する。この共振器の長い共振時間、すなわち「減衰時間」により、研究者は振動が1から0へと変化、すなわち量子跳躍が起こる瞬間を正確に捉えて、数百回にわたる読み取りを行うことが可能になった。

課題と解決策

課題と解決策 量子系を研究する上での主要な課題の一つは、もろい状態を乱すことなく信号を取り出すことである。スタンフォード大学の研究チームは、共振器を超伝導量子ビットと組み合わせて検出器として機能させる方法を編み出した。組み合わせた量子ビットにより、研究者は量子跳躍が発生する正確な瞬間をリアルタイムで検出できるようになった。リアルタイムで量子跳躍を検出できることに加え、この研究は将来の多くの量子技術の発展への基盤を築くものである。例えば量子コンピューティングでは、もろい量子状態が計算完了前にエラーを引き起こす可能性がある。

これらの量子跳躍はエラーと見なされてきたが、それらがいつ発生したかを正確に特定することは困難だった。量子跳躍を検出する能力は、近い将来大きく変わるかもしれない。微細な共振器と量子ビットの組み合わせは精密センシングにも応用可能であり、サファイ＝ナイン氏と彼のチームはすでにカリフォルニア工科大学の研究者と協力し、細胞内のタンパク質の検出や同定を行っている。音はスマートフォンなど多くの現代機器にとって重要なため、これらの分野でも潜在的な応用が期待される。 サファイ＝ナイン氏はプレスリリースで「私たちは、振動する物体が量子的な振る舞いを示すことを確認しました。これは量子コンピューティングやセンシングに必要な多くの操作の前提条件です」と述べている。

「本研究で示された成果により、音に関連する新しい量子技術の発展を推進することが可能になります」。この研究成果は『Science』誌に発表された。

量子跳躍の検出が技術に与える影響

音の量子跳躍の検出は量子技術における大きなブレークスルーであり、量子コンピューティングの発展を推進するだけでなく、センシング技術の応用をも変える可能性がある。研究チームは革新的に設計された共振器により、量子状態を乱すことなく量子跳躍が発生する瞬間をリアルタイムで検出することに成功した。これは将来の量子技術の応用にとってきわめて重要である。量子技術の進歩に伴い、音に関連するさらなる応用が登場し、テクノロジーの可能性をさらに広げるだろう。