十分な時間があれば、きちんとした部屋でも散らかってしまいます。衣服、本、書類が整頓された状態を離れ、床全体に散らばります。厄介なことに、このだらしのない傾向は自然の法則を反映しています。つまり、障害は大きくなる傾向があります。
たとえば、加圧されたスキューバ タンクを切り開くと、内部の空気分子が噴出し、部屋全体に広がります。角氷を熱湯に入れると、秩序だった結晶格子で凍った水分子が結合を壊して分散します。混合と拡散において、システムはその環境との平衡に向けて努力します。これは熱化と呼ばれるプロセスです。
それは一般的で直感的であり、まさに物理学者のチームが 51 個のルビジウム原子を一列に並べ、レーザーで所定の位置に保持したときに見られると期待していたものです。原子は規則的なパターンで始まり、エネルギーが最も低い「基底」状態と励起エネルギー状態を交互に繰り返します。研究者は、システムが急速に熱化すると仮定しました。基底状態と励起状態のパターンは、ほとんどすぐにごちゃごちゃしたシーケンスに落ち着きます。
そして、最初はパターンがごちゃごちゃしていました。しかしその後、衝撃的なことに、元の交互のシーケンスに戻りました。さらに混合した後、再び初期構成に戻りました。それは行ったり来たりし、マイクロ秒未満で数回振動しました — 熱化するはずだったずっと後です.
まるで熱湯に角氷を落としたようなもので、ただ溶けるだけではない、とハーバード大学の物理学者でグループのリーダーであるミハイル・ルーキンは語った。 「あなたが見ているのは、氷が溶けて結晶化し、溶けて結晶化することです」と彼は言いました。 「それは本当に珍しいことです。」
物理学者は、この奇妙な振る舞いを「量子多体スカーリング」と呼んでいます。まるで傷がついたかのように、原子には過去の痕跡が残っているようで、何度も何度も元の構成に引き戻されます。
結果が Nature に掲載されてから 16 か月 、物理学者のいくつかのグループは、これらの量子傷の性質を理解しようとしました.この発見は、量子粒子がどのように相互作用して動作するかについての新しいカテゴリーを告げる可能性があると信じている人もいます。これは、そのようなシステムが熱化への容赦ない行進をたどるという物理学者の仮定に反するものです。さらに、この傷跡効果は、新しい種類のより長持ちする量子ビットにつながる可能性があり、これは将来の量子コンピューターの重要な要素です。
可能性ゼロの克服
実際、物理学者が 51 個の原子システムを構築したとき、彼らは量子コンピューティングに目を向けていました。実際、このシステムは量子シミュレーターであり、従来のコンピューターでは調査が不可能な量子プロセスをシミュレートするように設計されたマシンでした。当時、このマシンはこれまでに構築された最大の量子シミュレーターでした。
ハーバード マシン内の原子は量子ビットとして機能し、そのオン/オフ状態は、基底状態またはリュードベリ状態と呼ばれる励起状態のいずれかです。このシステムにより、研究者は原子が互いに相互作用する強さを調整するなど、希望に応じてシステムを調整することができます。
研究者は、基底状態と励起状態のいくつかの初期構成を準備しました。原子は互いに強く相互作用するため、熱化するはずです。しかし、この種の量子系の原子は、ガス分子のように混ざり合うのではなく、エンタングルメントと呼ばれる相互の深い量子結合を発達させます。 「そうなると、もつれが広がるだけです」とルーキンは言いました。 「それが熱化が起こる方法です。」
通常、エンタングルメントはシミュレーターで成長しました。しかし、研究者が励起状態と基底状態を交互に配置して実験を開始すると、粒子は絡み合ってからほぐれ、元の配置に出入りする際に振動しました。
その振る舞いは、あり得ないほどありそうにないように思えました。原子が相互作用を開始すると、原子は励起状態と基底状態の膨大な数の可能なシーケンスに遷移できるため、それらの交互パターンはすぐに忘れられるはずです。これは、空気分子がタンク内の初期構成から逃れ、部屋中に分散するスキューバ タンクの場合と似ています。分子が探索できる可能性のある場所は非常に多いため、すべての分子が自発的にタンクに押し戻される可能性は事実上ゼロです。
「利用可能な量子システムは非常に多くの可能な状態で存在する可能性があるため、元に戻ってどこから来たのかを見つけることは非常に困難です」と、イギリスのリーズ大学の物理学者であるズラトコ・パピッチは述べています。
しかし、それはまさに彼らが観察したとルーキンが言ったことです。このシステムには、その経路をたどることができる特別な物理学が吹き込まれているようだと、パピッチ氏は述べています。 「パンくずを残して元の場所に戻ってしまう。」
「これは、量子マシンで行われた最初の真の発見でした」とルーキンは言いました。
ルーキンと同僚は実験を書き始めましたが、論文が発表される前に、ルーキンは 2017 年 7 月にイタリアのトリエステで開催された会議で説明しました。その日の聴衆で。 「聴衆の誰も、この理由が何であるかについて考えを持っていなかったと思います。」
スタジアムの傷
しかしすぐに、パピッチと同僚は、この行動が約 30 年前に発見された現象を彷彿とさせることに気付きました。
1980 年代、ハーバード大学の物理学者エリック ヘラーは量子カオスを研究していました。カオス系に量子力学を適用するとどうなるでしょうか?特にヘラーは、ビリヤード ボールが「ブニモビッチ スタジアム」 (半円で覆われた長方形) 内でどのように跳ね返るかを考えました。システムは混沌としています。十分な時間があれば、ボールはスタジアム内のすべての可能な軌道をカバーします。しかし、特定の角度でボールを開始すると、ボールは代わりに同じパスを永遠に引き返します。
思考実験で、ヘラーはボールを量子粒子に置き換えました。 「単純な期待は、古典的なシステムがすでにカオスである場合、量子力学のルールを追加すると、さらにカオスな動作を期待する必要があるということです」と Papić 氏は述べています。粒子の波動関数 (その量子特性の抽象的な数学的カプセル化) は、水の波が池全体でうねるのと同じように、スタジアム全体に塗りつけられるはずです。特定の場所で粒子が見つかる可能性は、スタジアムのどこでも同じでなければなりません。
しかしヘラーは、粒子の波動関数が広がる代わりに、ボールが自分自身を引き返す特別な古典的なケースと同じ経路に沿って集まることを発見しました。波がこの特別な軌道の記憶を発達させるかのようです。 「彼らのために家に帰るようなものです」とヘラーは言いました。 「彼らは本当に生まれた場所に帰りたいと思っています。とても簡単です。」
この軌道に沿ってぶらぶらしている間、粒子の波は建設的にそれ自体に干渉します — 山は山に追加され、谷は谷に追加されます.その結果、パーティクルはこのパスに沿ったどこかに存在する可能性が最も高くなります。グラフ上で、粒子の確率分布は、これらの古典的な周期軌道のファジー バージョンに似ています。 「私には傷跡のように見えます」とヘラーは言いました。それで、彼の 1984 年の論文では、それが彼の名前でした。
おそらく同様の現象が、51 原子系が最初の構成に戻り続けた理由を説明できるのではないかとパピッチは考えました。それもホームシックだったのかもしれません。
傷跡を作るカット
それを調べるために、パピッチと彼の同僚は、51 原子系のモデルの量子状態を分析しました。その奇妙な振動挙動は、実際にはヘラーの量子瘢痕に似ているように見えた.彼らは、傷ついた軌跡に対応する特別な状態に似た状態を特定しました。これらの状態に定期的に戻ることで、システムは熱化を回避できます。量子瘢痕との関連性は十分に示唆的であり、昨年 Nature Physics に掲載された論文で 、彼らはこの現象を「量子多体スカーリング」と名付けました。
パピッチの分析に対する当初の懐疑論にも関わらず、ルーキンは、ハーバード大学の物理学者であるウェン・ウェイ・ホーなどとともに、1月に発表された論文で量子瘢痕との関連性をより明確にしました。彼らは、51 原子系の状態を抽象的な空間の点として記述する古典的な方法を特定しました。システムの状態が変化すると、点が移動します。研究者は、システムが奇妙な振動を受けると、スタジアムのビリヤード台を横切るボールの特別な周期的な経路に似た方法で、ポイントが前後に動くことを発見しました.
古典的なアナロジーを見つけることによって、研究者は、ヘラーの単体現象が実際に多体系に適用されるというケースを強化しました。 「彼らは何かを企んでいる」とヘラーは語った。 「彼らは本当にそうです。」
明らかなことは、この実験が世界中の研究者の関心を引き起こしたことです。カリフォルニア工科大学のあるグループは、51 原子系の特殊な傷跡の状態を表す数式を特定しました。プリンストン大学の別の研究者は、傷跡は凝縮物質物理学のさまざまな分野に応用できる、より広範な現象である可能性があると示唆しています。 「私たちは、このシステムで何が起こっているかを理解していると思います」とホーは言いました。 「しかし、他の傷跡をいつ見つけることができるかについての一般的なレシピはまだありません。」
そして、より深い疑問が残ります。ハーバード大学の物理学者で、この実験には関わっていない Vedika Khemani は、「『傷跡』は問題を説明するのに役立ちます」と述べています。 「しかし、傷跡の原因についてはまだ理解できていないと思います。」
ランダム性の構造
これらの未知数にもかかわらず、多体スカーリングは物理学者を興奮させます。なぜなら、それは量子システムの新しいクラスを表している可能性があるからです.
過去数年間、物理学者は多体局在化と呼ばれる別のクラスを調査してきました。このクラスでは、ランダムな不純物がシステムの熱化を防ぎます。例えとして、平らな風景をうろつく牛の群れを考えてみましょう。牛は最終的に広がるはずです—これを牛の熱化と呼びます.しかし、風景がランダムな丘を特徴としている場合、牛は代わりに谷で立ち往生していることに気付くでしょう.
同様に、傷ついた量子多体系は混沌とした熱化系ではありません。しかし、丘のようなものはありません。 「この研究は、これら 2 つの間に新しいクラスのシステムがあることを示唆しています」と Papić 氏は述べています。
瘢痕効果を説明するために、Khemani の最近の分析は、51 原子系が可積分系と呼ばれるものに (少なくともそれに近い) 可能性があることを示唆しています。このようなシステムは特殊な孤立したケースであり、多くの制約と機能が熱化を防ぐように調整されています。したがって、瘢痕システムが統合可能である場合、それはより広いクラスの現象のユニークなケースになる可能性があります.
物理学者は何十年にもわたって可積分系を研究しており、この系が可積分である場合、その意味はそれが独自の量子系である場合よりも説得力がないと Papić 氏は述べています。 Papić、Ho、Lukin は、この可能性に反対する論文を書きました。
多体スカーリングが実際に量子動作の新しいクラスであるかどうかに関係なく、この発見は、量子コンピューターを改善するために最終的に使用される可能性があるという興味をそそる見通しを示しています.
量子コンピューターを構築する際の課題の 1 つは、壊れやすい量子ビットを保護する必要があることです。外部環境からの外乱や摂動により、キュービットが熱化され、保存されている情報が消去され、コンピューターが役に立たなくなる可能性があります。 「他のシステムに瘢痕化を誘発する一般的な方法を見つけることができれば、量子情報を長期間保護できるかもしれません」と Ho は言いました。
傷跡は、コンピューターが記憶にしがみつき、熱化の混沌がそれを一掃する前に過去を保存する方法を提供するかもしれません.
「完全にランダムな環境と何らかの形で共存する美しい構造があります」とパピッチは言いました。 「どのような物理学がこれを可能にしますか?これは、物理学の多くの分野を貫く一種の深く深遠な問題であり、これは別の化身だと思います。」
この記事は、Investigacionyciencia.es でスペイン語で転載されました .
