量子力学が原子スケールの世界を理解するための理論として 1 世紀前に初めて開発されたとき、その重要な概念の 1 つは非常に急進的で、大胆で直感に反するものであったため、「量子飛躍」という一般的な言葉になりました。純粋主義者は、この用語を大きな変化に適用するという一般的な習慣は、2 つの量子状態間のジャンプが通常小さいという点を見落としていると反論するかもしれません。しかし、本当のポイントは、それらが突然であるということです。実際、量子力学のパイオニアの多くは、それらが瞬間的であると想定したほど突然でした.
新しい実験は、そうではないことを示しています。量子飛躍の一種のハイスピードムービーを作成することにより、この作品はプロセスが太陽の下で雪だるまが溶けるのと同じくらい緩やかであることを明らかにしています。 「量子ジャンプを十分に高速かつ効率的に測定できれば、それは実際には継続的なプロセスです。」 Devoret の研究室の大学院生である Zlatko Minev が主導したこの研究は、月曜日に Nature に掲載されました。 .すでに、同僚は興奮しています。 「これは本当に素晴らしい実験です」と、マサチューセッツ工科大学の物理学者であるウィリアム・オリバーは言いました。 「本当に素晴らしい」
しかし、もっとあります。彼らの高速監視システムにより、研究者は量子ジャンプが現れようとしている時期を特定し、それを途中で「キャッチ」し、それを逆転させて、システムを開始時の状態に戻すことができました。このようにして、量子のパイオニアたちには、物理世界では避けられないランダム性と思われていたものが、現在では制御可能であることが示されています。量子を担当できます。
あまりにもランダム
量子ジャンプの急激性は、1920 年代半ばにニールス ボーア、ヴェルナー ハイゼンベルグ、および彼らの同僚によって量子論が定式化された方法の中心的な柱であり、現在では一般的にコペンハーゲン解釈と呼ばれています。ボーアは以前、原子内の電子のエネルギー状態は「量子化」されていると主張していました。特定のエネルギーのみが利用可能であり、その間のすべてのエネルギーは禁止されています。彼は、許可された電子状態間のギャップに一致するエネルギーを持つ光の量子粒子 (光子) を吸収または放出することによって、電子がエネルギーを変化させることを提案しました。これにより、原子や分子が非常に特徴的な波長の光を吸収および放出する理由が説明されました。たとえば、多くの銅塩が青色で、ナトリウム ランプが黄色である理由です。
ボーアとハイゼンベルクは、1920 年代にこれらの量子現象の数学的理論を開発し始めました。ハイゼンベルクの量子力学は、許容されるすべての量子状態を列挙し、それらの間のジャンプは瞬間的であると暗黙のうちに仮定しました。数学者が言うように、不連続です。 「瞬間的な量子ジャンプの概念は…コペンハーゲン解釈の基本的な概念になりました」と科学史家のマラ・ベラーは書いています。
もう一人の量子力学のアーキテクトであるオーストリアの物理学者アーウィン・シュレディンガーは、その考えを嫌っていました。彼は、ハイゼンベルグの離散量子状態とそれらの間の瞬間的なジャンプの数学に代わるものと最初は思われたものを考案しました。シュレーディンガーの理論は、波動関数と呼ばれる波のような実体の観点から量子粒子を表していました。波動関数は、外洋の穏やかな起伏のように、時間の経過とともに滑らかかつ連続的にしか変化しませんでした。シュレディンガーは、現実世界の物事はゼロ時間で突然切り替わることはないと考えました。 1952 年の「量子ジャンプはありますか?」という論文で、シュレディンガーは断固として「いいえ」と答えました。彼の苛立ちは、彼がそれらを「量子ジャーク」と呼んだ方法であまりにも明白でした。
議論は、突然の変化に対するシュレディンガーの不快感だけではありませんでした。量子ジャンプの問題は、それがランダムな瞬間に起こると言われていることでもあり、その理由については何も説明されていません。 特定の瞬間。したがって、それは原因のない結果であり、自然の中心に挿入された明らかなランダム性の例です。シュレディンガーと彼の親友であるアルベルト アインシュタインは、そのチャンスを受け入れることができず、現実の最も基本的なレベルで予測不可能性が支配していました。したがって、ドイツの物理学者マックス・ボルンによれば、論争全体は「物理学の内部の問題ではなく、哲学と人間の知識一般との関係の 1 つ」でした。言い換えれば、量子ジャンプの現実 (または非現実) に大きく左右されます。
見ずに見る
さらに詳しく調べるには、量子ジャンプを 1 つずつ確認する必要があります。 1986 年に、3 つの研究チームが、電磁場によって空間に浮遊している個々の原子で発生していると報告しました。原子は、光子を放出できる「明るい」状態と、ランダムな瞬間に放出しない「暗い」状態との間で反転し、コンマ数秒の間、いずれかの状態にとどまりました。そして再びジャンプする数秒前。それ以来、このようなジャンプは、量子状態間の光子スイッチングから、量子化された磁気状態間でジャンプする固体材料内の原子に至るまで、さまざまなシステムで見られました。 2007 年にフランスのチームは、「個々の光子の誕生、生、死」と呼ばれるものに対応するジャンプを報告しました。
これらの実験では、ジャンプは確かに突然でランダムに見えました.量子システムが監視されていたので、ジャンプがいつ起こるか、ジャンプがどのように見えるかについての詳細な写真はありませんでした.対照的に、イェール大学のチームの設定では、ジャンプがいつ来るかを予測し、拡大して調べることができました。実験の鍵は、測定前に環境に漏れないように、利用可能なほぼすべての情報を収集する能力です。そうして初めて、彼らは 1 回のジャンプをそのように詳細にたどることができます。
研究者が使用した量子システムは原子よりもはるかに大きく、超伝導材料から作られたワイヤで構成されています。これは、実際の原子の電子状態に類似した離散的な量子エネルギー状態を持っているため、「人工原子」と呼ばれることもあります。エネルギー状態間のジャンプは、原子内の電子の場合と同様に、光子を吸収または放出することによって誘発できます。
Devoret と同僚は、単一の人工原子がその最低エネルギー (基底) 状態とエネルギー的に励起された状態の間をジャンプするのを見たいと考えていました。しかし、その遷移を直接監視することはできませんでした。量子系で測定を行うと、量子の振る舞いが依存する波動関数の一貫性 (滑らかな波のような振る舞い) が破壊されるためです。量子ジャンプを観察するために、研究者はこの一貫性を維持する必要がありました。そうしないと、波動関数が「崩壊」し、人工原子がいずれかの状態になります。これは、生きている状態と死んだ状態のコヒーレントな量子「重ね合わせ」に置かれていると言われているシュレディンガーの猫によって有名に例示された問題ですが、観察するとどちらか一方になります。
この問題を回避するために、Devoret と同僚は、2 番目の励起状態を含む巧妙なトリックを採用しています。システムは、異なるエネルギーの光子を吸収することによって、基底状態からこの 2 番目の状態に到達できます。研究者は、システムがこの 2 番目の「明るい」状態にあるかどうかだけを伝える方法でシステムを調べます。一方、研究者が実際に量子ジャンプを探している状態は「暗い」状態です。直接の視界からは隠されているためです。
研究者は、超伝導回路を光学キャビティ (適切な波長の光子が跳ね返ることができるチャンバー) に配置し、システムが明るい状態にある場合、キャビティ内で光が散乱する方法が変化するようにしました。光子の放出によって明るい状態が減衰するたびに、検出器はガイガー カウンターの「クリック」に似た信号を発します。
オリバー氏によると、ここで重要なのは、システムの状態を直接調べることなく、測定によってシステムの状態に関する情報が得られることです。実際には、システムがまとめてグラウンド状態とダーク状態にあるかどうかを尋ねます。このあいまいさは、これら 2 つの状態の間のジャンプ中に量子コヒーレンスを維持するために重要です。この点で、イェール大学のチームが使用したスキームは、量子コンピューターのエラー訂正に採用されたスキームと密接に関連していると、オリバー氏は述べています。そこでも、量子計算が依存するコヒーレンスを破壊することなく、量子ビットに関する情報を取得する必要があります。繰り返しますが、これは、問題の量子ビットを直接見るのではなく、それに結合された補助状態をプローブすることによって行われます。
この戦略は、量子測定はプローブによって引き起こされる物理的摂動に関するものではなく、あなたが知っていることに関するものであることを明らかにしています （そしてあなたが不明のままにするもの）結果として。 「イベントの不在は、イベントの存在と同じくらい多くの情報をもたらします」と Devoret 氏は述べています。彼はそれをシャーロック ホームズの物語と比較します。この物語では、探偵は犬がしなかった「奇妙な事件」から重要な手がかりを推測します。 夜中に何でもする。別の (しかししばしば混乱する) 犬関連のホームズの話から借用して、Devoret はそれを「バスカヴィルの猟犬とシュレーディンガーの猫が出会う」と呼んでいます。
ジャンプをキャッチするには
イェール大学のチームは、検出器から一連のクリック音を確認しました。それぞれが明るい状態の減衰を示しており、通常は数マイクロ秒ごとに到着します。このクリックのストリームは、クリックのない中断によって、およそ数百マイクロ秒ごとに、明らかにランダムに中断されました。その後、通常 100 マイクロ秒程度の期間の後、クリックが再開されました。その静かな時間の間に、システムはおそらく暗状態への移行を経験していました。それが、地上状態と明状態の間を行き来するのを防ぐことができる唯一のことだからです.
したがって、ここでの「クリック」状態から「クリックなし」状態へのこれらの切り替えは、個々の量子ジャンプです。これは、トラップされた原子などに関する以前の実験で見られたものとまったく同じです。ただし、この場合、Devoret と同僚は何か新しいものを見ることができました。
暗い状態にジャンプする前に、通常、クリック音が中断されたように見える短い呪文があります。これは、差し迫ったジャンプの前兆として機能する一時停止です。 「クリックがない期間の長さが 2 回のクリックの間の通常の時間を大幅に超えるとすぐに、ジャンプが発生しようとしているというかなり良い警告が表示されます」と Devoret 氏は述べています。
その警告により、研究者はジャンプをより詳細に研究することができました。この短い一時停止を確認したとき、遷移を駆動する光子の入力をオフにしました。驚くべきことに、暗黒状態への移行は、光子がそれを駆動しなくても起こりました。まるで、短い一時停止が始まる頃には、運命はすでに決まっているかのようです。したがって、ジャンプ自体はランダムなタイミングで行われますが、そのアプローチには決定論的なものもあります。
光子をオフにした状態で、研究者はきめ細かな時間分解能でジャンプを拡大し、ジャンプが展開するのを確認しました。ボーアとハイゼンベルクの突然の量子ジャンプですか?それとも、シュレーディンガーがそうしなければならないと主張したように、それはスムーズに起こるのでしょうか?もしそうなら、どのように?
チームは、ジャンプが実際には緩やかであることを発見しました。これは、直接的な観察ではシステムがいずれかの状態にあることしか明らかにできない場合でも、量子ジャンプの間、システムはこれら 2 つの最終状態の重ね合わせまたは混合状態にあるためです。ジャンプが進むにつれて、直接測定すると、初期状態ではなく最終状態が得られる可能性が高くなります。これは、私たちの意思決定が時間の経過とともに進化する方法に少し似ています。パーティーにとどまるか、去るかのどちらかしかできません — それは二者択一です — しかし、夜が更けて疲れてくると、「とどまるか、去るか」という質問が出てきます。 「私は去ります」という答えを得る可能性がますます高くなります。
イェール大学のチームによって開発された技術は、量子ジャンプ中のシステムの考え方の変化を明らかにします。トモグラフィー再構成と呼ばれる方法を使用して、研究者は重ね合わせにおける暗状態と基底状態の相対的な重みを把握することができました。彼らは、これらの重みが数マイクロ秒の間に徐々に変化することを確認しました。これはかなり高速ですが、確かに瞬時ではありません。
さらに、この電子システムは非常に高速であるため、研究者は 2 つの状態の間の切り替えが起こっているときにそれを「キャッチ」し、光子のパルスをキャビティに送信してシステムを暗状態に戻すことで反転させることができました。彼らはシステムを説得して考えを変えさせ、結局のところパーティーにとどまることができます。
閃光
実験は、量子ジャンプが「十分によく見ると、実際には瞬間的ではない」ことを示しています.Oliver氏は、「しかし、一貫したプロセスである」と述べています.
「ジャンプ」の漸進性は、このような個々のイベントを説明できる量子軌跡理論と呼ばれる量子理論の形式によって予測されているものです。ドイツのアーヘン大学の量子情報の専門家である David DiVincenzo は次のように述べています。
Devoret 氏によると、量子ジャンプが発生する直前に予測できる可能性があるため、火山噴火のようになります。それぞれの噴火は予測不能に起こりますが、いくつかの大きな噴火は、噴火に先立つ異常に静かな期間を観察することで予測できます。 「私たちの知る限りでは、この [量子ジャンプへの] 前兆信号は、これまで提案も測定もされていませんでした」と彼は言いました。
Devoret 氏は、量子ジャンプの前兆を見つける能力は、量子センシング技術に応用できる可能性があると述べています。たとえば、「原子時計の測定では、基準となる原子の遷移周波数にクロックを同期させたいと考えています」と彼は言いました。しかし、移行が完了するのを待つのではなく、開始時にすぐに検出できれば、同期はより高速になり、長期的にはより正確になります。
DiVincenzo は、この研究は量子コンピューティングのエラー修正にも適用される可能性があると考えていますが、それは「かなり先のこと」と考えています。ただし、このようなエラーに対処するために必要なレベルの制御を実現するには、この種の測定データの徹底的な収集が必要になります。むしろ、素粒子物理学におけるデータ集約型の状況と同様です、と DiVincenzo 氏は述べています。
ただし、結果の真の価値は、実際の利点ではありません。それは、量子世界の仕組みについて何を学ぶかの問題です。はい、それはランダムに撃ち抜かれますが、いいえ、瞬間的なジャークによって中断されることはありません.シュレーディンガーは、適切なことに、同時に正しいと同時に間違っていました。
この記事は Wired.com に転載され、スペイン語版は Investigacionyciencia.es に転載されました .
