量子の世界が奇妙であることはよく知られています。量子力学に関するほとんどのニュースは、通常の巨視的な現象とはまったく異なる量子現象の振る舞いを示す新しい研究で構成されています。したがって、一部の量子システムが巨視的な粒子システムと同様の挙動を示すというオチが新たな研究で出回っているのは、少し皮肉なことです。
Nature に掲載された新しい研究では、インペリアル カレッジ ロンドンの物理学者チームが、10 個未満の過冷却光子から構成されるボーズ アインシュタイン凝縮体の状態で相転移を観察したと報告しています。個々の光子が凝縮体に追加されると、個々の光子間のコヒーレンスが増加し、光子数の増加に対してコヒーレンスが急速に減少し始める約 7 光子の臨界点に到達します。このような相転移 (システムの動作とダイナミクスにおける急激で非線形の変化) は、粒子の大きな集合体を持つ巨視的なオブジェクトで一般的です。
このような変化は、粒子が非常に少ない量子系でも発生するという発見により、物理学者は、物質、光、および 2 つの間の基本的な相互作用の量子特性をよりよく調査できるようになります。 「相転移の物理学と小さなシステムのアクセシビリティという 2 つの異なる世界の長所を備えたこの珍しい光源は、測定やセンシングに応用できる可能性があります。」筆頭共著者の Dr. Florian Mintert は phys.org に語っています。
相転移とボース・アインシュタイン凝縮
科学者が研究するほとんどの物質は、計り知れないほど大量の粒子から構成されています。これらの数値は非常に大きいため、通常、システムの巨視的な動作特性にはほとんど違いがありません。1 滴の水でもバケツ一杯の水でも、摂氏 100 度で沸騰し、摂氏 0 度で凍結します。これらの状態の変化は相転移と呼ばれ、最も一般的なのは固体から液体、気体への物質の転移ですが、より風変わりな物質の状態と相転移が存在します。
簡単に言えば、新しい動作が急速に現れる特定の「臨界値」にシステムが達すると、相転移が発生します。化学における相転移の現象からの教訓は、進化ゲーム理論、株式市場、さらには交通渋滞にも応用されています。多数の粒子が一度に作用するように見える巨視的なシステムでは、急激で非線形の変化が生じます。これらの相転移は、多数の粒子を含むシステムで発生し、すべての粒子が一度に作用して大規模な挙動変化を生成するように見えます。
対照的に、物理学者が研究するほとんどの量子系は、ほんの一握りの粒子で構成されています。したがって、当然のことながら疑問が生じます。相転移の同じ規則が量子球体にも当てはまりますか?これを解明するために、チームはマイクロ色素とミラーのシステムを使用して、10 個未満の光子から過冷却ボーズ アインシュタイン凝縮 (BEC) を作成しました。過冷却粒子が最低の量子状態を占有し始めると、BEC が形成されます。
これらのレベルでは、波と粒子の二重性などの量子効果が量子グループ間で非常に明確になり、粒子の集合が単一の「超原子」のように振る舞い始めます。 BEC は生成と封じ込めが難しいことで知られていますが、その独自の特性により、量子アンサンブルの研究に理想的な対象となっています。
BEC に関する問題に関する以前の研究では、何千もの量子粒子の集合体から構成される BEC が利用されていました。この現在の研究は、チームが記録された最小の数であるわずか 7 個の光子で BEC 凝縮を達成したという点でユニークです。以前に記録された最小数は、2014 年にドイツの科学者チームによって達成された 70 個の光子でした。
ミラーのセットアップを使用して、チームはアンサンブルに光子をゆっくりと追加しました。彼らは、最初に、より多くの光子が追加されると、粒子のコヒーレンスが増加することを観察しました。システムが約 7 個の粒子に到達すると、このパターンが崩れ、粒子が追加されるにつれてコヒーレンスが減少し始めました。研究者によると、この点はBECの「凝縮」、つまり相転移を表しています。遷移は巨視的な系で見られるほど急激ではありませんでしたが、巨視的な系の相挙動を模倣して、予測可能で信頼できる時点で発生しました。
チームは、光子の数が約 7±2 の臨界点に達すると、何らかのメカニズムがマイクロキャビティ内の光子全体のコヒーレンスの急激な減少を引き起こすと理論付けています。この研究によると、「マルチモード凝縮体では、1 つの凝縮モードの光子が他のモードの励起の貯蔵庫として機能し、数のゆらぎを高め、したがって位相相関を低下させる可能性があります。」一般的な考え方は、ある時点で、粒子間のフィードバックが現在の安定した構成を混乱させ、コヒーレンスの低下につながるというものです。著者らは、光子の数が適切に拡大されると、その結果、古典的な電磁理論では説明できない非古典的な光の状態になると予測しています。
では、これは私たちにとって何を意味するのでしょうか?粒子がこのような小さなスケールでどのように振る舞うかを知ることで、私たちが望むことを行うために粒子を操作する余地が増えます。量子コンピューティングの新しい分野は、物事を計算するために非常に正確な量子相互作用に依存しており、量子相互作用のより正確なモデルを持つことで、その目標をさらに進めることができます。さらに、相転移の概念を量子領域に拡張することで、研究の道が開かれます。この研究の筆頭著者である Robert Nyman 氏によると、「『相転移』はこのような小さなシステムでも有用な概念であることが確認されたので、より大きなシステムでは不可能な方法で特性を調べることができます。」
