準粒子は、量子物理学で最も神秘的で興味深いオブジェクトの一部です。これらの奇妙な現象を観察することは事実上不可能です。それらは粒子のように振る舞いますが、基本粒子の通常の特性には適合しません。準粒子は、中性子や原子のように独立して現れることもありません。
では、これらの不可解な現象は何ですか？準粒子は、量子コンピューターの開発にとって重要になる可能性があります。長引く懐疑論にもかかわらず、多くの人は量子処理がコンピューティングの未来であると信じています。準粒子は、科学者が理解して制御できれば、量子コンピューターを主流にする可能性を秘めています。
準粒子と基本粒子
科学コミュニティ内でも、準粒子はあいまいなトピックになる可能性があります。それらは実際の粒子ではありません。準粒子は素粒子で起こる現象です。これらの亜原子粒子は、宇宙の基本的な構成要素です。準粒子と基本粒子の間の奇妙な関係は、準粒子を非常に興味深いものにしている重要な部分です。
17 の基本粒子
素粒子とも呼ばれる 17 の既知の基本粒子があります。これらの亜原子粒子は、他の粒子で構成されていないため、ユニークです。たとえば、電子は他の粒子に分解できません。それはただの純粋な電子です。
基本粒子は、フェルミオンとボソンの 2 つの大きなグループに分類されます。フェルミオンは物質粒子と反物質粒子であり、ボソンは力を運ぶ粒子です。各グループには、基本粒子のいくつかのサブグループがあります。科学者は、フェルミオンをレプトンまたはクォーク、および反レプトンと反クォークに分類しています。ボソンは、ゲージボソンまたはヒッグスボソンに分類されます。
17 の固有の基本粒子はすべて、これらのグループとサブグループのいずれかに分類されます。たとえば、電子は、フェルミオンの一種であるレプトン カテゴリの最小質量メンバーです。ボソン粒子とフェルミオン粒子は、異なる統計セットに従うため、発散します。ボソン粒子は完全な整数のスピンを持ち、フェルミオン粒子は半整数のスピン数を持ちます。さらに、フェルミオンには電子が含まれていますが、ボソンは帯電していない中性粒子です。
準粒子:ここでもそこでもない
科学者は、集団励起として知られる同様のタイプの現象と準粒子をひとまとめにすることがあります。両者の主な違いは基本粒子に関係しています。一般に、準粒子はフェルミオンで発生する現象です。集団励起は、ボソンで発生する現象です。
準粒子は通常の基本粒子ではありませんが、独立した構造でもありません。それらは多くの場合、基本的な粒子の予想される特性のほとんどを備えていますが、予期しない違いがあります。たとえば、準電子は通常の電荷とスピンを持っていますが、その質量は電子の典型的な質量と一致しません。
準粒子については多くの理論がありますが、それらを観察することは依然として難しいことで知られています。それらは真空中で独立して発生することはできず、固体などの大規模なシステム内でのみ発生します。さらに、準粒子現象は 1 アト秒 (1 x 10 秒) 以内に生成および消滅します。
科学者が実際の準粒子の形成を最終的に観察したのは 2016 年のことでした。理論物理学者の国際チームは、極低温の量子ガスを使用して形成プロセスを遅くすることにより、ポーラロンの形成をシミュレートしました。 2021 年、科学者はボーズ ポーラロンを作成し、同様の方法を使用して固体との相互作用を研究しました。
準粒子の種類
「準粒子」という言葉は不思議に聞こえますが、実際には「一見粒子」を意味します。これらは、異常な動作を示す日常の基本的な粒子です。科学者たちは、長年にわたって多くのユニークな準粒子を理論化してきました。これまでに発見された最も興味深い可能性をいくつか紹介します。
マヨラナ
マヨラナ準粒子は正孔であると同時に電子でもあります。正孔と電子が互いに軌道を回る同様の励起子とは異なり、マジョラナでは 2 つが同じ空間に存在します。この「穴」は、実際には電子があるべき場所に電子が存在しないことです。それは粒子であると同時に反粒子でもあります。このように半電子と半電子正孔が共存すると、粒子は実質的にエネルギーも電荷も持たなくなります。
これは、量子コンピューティングで非常に役立つ可能性があります。理論的には、マヨラナ準粒子の特性により、他の粒子が移動できないタイプの超伝導体に存在することができます。理論物理学者は、従来のコンピューティングの 1 と 0 のように、マジョラナの正孔と電子を互いに「編む」ことができると信じています。
マヨラナ準粒子に関する研究は進行中であり、Microsoft は最も注目すべき投資家の 1 つです。しかし、本物のマヨラナ粒子はまだ誰も発見していません。
誰でも
量子コンピューティングの競争におけるもう 1 つの重要なプレーヤーは、エニオン準粒子です。科学者たちは、これらの魅力的な物体はこれまで発見されたことのない 2D 構造であると理論付けています。エニオンは、準粒子の中でも独特で、ボソンでもフェルミオンでもありません。分数統計のために、エニオンはどちらのメイン グループの基本粒子のようにも動作しません。エニオンを量子コンピューティング能力の候補にするのは、この異常な 2D 動作です。
2020 年、物理学者のチームは、これらの準粒子の存在の最初の確固たる証拠であると信じているものを発見しました。物理学者は、2 つのエニオンが互いに位置を入れ替えると、その量子状態がこの変化の「記憶」を反映すると理論づけています。これは、エニオンを示す分数統計の証拠であるとされています。
互いに周回する 2 つのエニオンによって作成される量子メモリは、量子コンピューティングの基盤となる可能性があります。エニオン回転は、マヨラナ準粒子が 1 と 0 の代わりに編みこみの穴と電子を使用する方法と同様の「コード」として機能します。これは、トポロジカル量子コンピューティングとして知られています。ただし、2022 年時点ではまだ理論上のものです。
ポラリトン
すべての準粒子が量子コンピューティングに関連しているわけではありません。ポラリトンは、宇宙の秘密、特にブラック ホールを解き明かす驚くべき準粒子です。これらの準粒子は、光子と励起子の間の相互作用によって作成された光と物質の組み合わせです。
これにより、ブラック ホールのように振る舞う「液体の光」が作成されます。物理学者はこの振る舞いを利用して、ブラック ホールの仕組みに関する理論をテストしています。ブラック ホールは本質的に研究が難しいことで有名ですが、ポラリトンによってそれが可能になります。
準粒子の影響
準粒子は、奇妙な理論物理学以上のものです。それらは、現実の世界、特に量子コンピューティングにおいて大きな意味を持ちます。コンピューターの未来であると信じられている量子コンピューティングは、従来のコンピューターを劇的に上回る可能性を秘めています。量子コンピューティングは、その状態が実際に測定される前に、亜原子オブジェクトの状態の確率を分析することによって計算を行います。
これは、サブアトミック オブジェクトが「重ね合わせ」にある場合にのみ可能です。重ね合わせの場合、量子スピンや配向などの物理システムは、一度に多数の配置になります。重ね合わせにより、量子コンピューターの計算ビットであるキュービットは、異なるものを同時に表すことができます。その結果、量子コンピューターは多くの可能性を同時に分析できます。比較すると、従来のコンピューターは可能性を 1 つずつ分析する必要があります。
前述のトポロジー理論など、量子コンピューティング プラットフォームにはいくつかの主要な理論があります。これまでのところ、量子コンピューターは多くの課題に直面しており、従来のコンピューターと真に競合することは困難です。技術自体のインフラストラクチャは、現在、家電製品には適していません。準粒子の助けを借りて、それはいつの日か変わるかもしれません.
量子物理学の謎
量子物理学は長い間、物理学の最も神秘的なコーナーと考えられてきました。あまりにも小さすぎて、宇宙全体の構造を何らかの形で構成していることを確認できないオブジェクトを調査します。これらの不可解な亜原子粒子は、可能であってはならない方法で動作し、量子領域をさらに混乱させます.
準粒子は非常に理論的なままですが、科学者は近年、それらが正確に何であるかを発見して理解するために大きな進歩を遂げました.答えを見つけることは、準粒子を量子コンピューティングと宇宙そのものの謎への鍵に変える可能性があります.
