物理学者たちは、人間の髪の毛ほどの幅しかない2つの小さなドラムを作り、それらの振動を正確に同期させた。彼らは量子力学の「エンタングルメント」と呼ばれる現象を用いて、このドラムの完璧な同期を実現した。このドラムは量子コンピュータの開発に役立つ可能性がある。
二つのドラムは、オーケストラや二つのメトロノームが達成できる精度をはるかに超える精度で演奏されます。「二つのドラムは本質的に一つの存在になるのです」と、コロラド州ボルダーにある国立標準技術研究所に勤務しながらこの実験を行ったエルサレム・ヘブライ大学の物理学者シュロミ・コトラー氏は述べています。コトラー氏のチームは、この研究成果を今月、科学誌「サイエンス」に発表しました。
コトラーはマイクロ波を使ってドラムを叩いた。マイクロ波は、アルミニウム製の2つのドラムの表面をトランポリンのように圧縮し、膨らませる。彼のチームは2つのドラムヘッドを監視しながら、片方のドラムの表面の位置が常にもう片方の位置と一致するように計測した。ドラムの表面は常に同じ速度で、しかし反対方向に動いていた。
ドラムはシーソーの両端のように、互いに相対的に動きます。シーソーの片端に目を閉じて座っていると、自分が上がったら、もう片方の端も下がっていることがわかります。両端の位置と速度は、それらが一つの物体の一部であるため同期しています。コトラーは実験を通して、二つの別々のドラムが、シーソーの両端のように、何らかの形でつながっているかのように振る舞うように仕向けました。物理学者の間では、これは量子もつれの一種として知られており、二つの異なる物体の運命が絡み合う状態です。この概念は、物体が任意の距離から互いに影響を与える可能性があることを示唆していたため、アインシュタインが量子論について疑問を抱いたことで有名です。例えば、もつれとは、二つのもつれた物体を地球と海王星に分離した場合、一方に干渉するともう一方に瞬時に影響が及ぶことを意味します。アインシュタインはこの意味を「遠隔作用」と呼びました。
アインシュタインは不気味な作用が実際に起こるかどうかについて懐疑的でしたが、数十年にわたる実験によって、エンタングルメントが実在することが裏付けられました。物理学者たちは、一度に最大18個の光子をエンタングルメント状態にし、1つの光子の状態が他の17個の光子と相関関係にあることを実証しました。さらに、異なる物体をエンタングルメント状態にした例もあり、あるグループはコトラーの実験室のような小さなドラムを、10億個のセシウム原子を含む雲にエンタングルメントさせました。この実験では、ドラムの振動に干渉することで、雲の中でのセシウム原子の回転が変化しました。
コトラーはこの実験を、絶対零度より100分の1度高い冷凍庫内で行いました。これは、高温になるとドラムがランダムに振動し、同期が取れなくなるため必要でした。ドラムを絡ませるため、コトラーは両方のドラムをマイクロ波を蓄える回路に電線で接続しました。回路が特定のプロトコルに従って両方のドラム間でマイクロ波を送受信すると、ドラムは絡み合います。
この実験は、物理学者の間で徐々に大きな物体に量子もつれを生じさせようとするトレンドの最新の例です。量子力学の理論によれば、あらゆるサイズの物体が量子もつれを示すはずです。しかし、物理学者はこれまで、単一原子のような小さな物体でしか量子現象を観測してきませんでした。日常的な感覚では小さいものの、このドラムは1つあたり1兆個の原子で構成されています。「彼らは量子世界と古典世界の境界を押し広げているのです」と、カナダのサイモンフレーザー大学の物理学者ケロ・ラウ氏は述べています。
しかし、この2つのドラムは単なる科学的な好奇心ではありません。研究者たちは、これらを量子コンピュータの構成要素として利用したいと考えています。量子コンピュータは、情報を量子ビットと呼ばれるハードウェアにエンコードします。量子ビットは、通常のコンピュータのように1か0かという明確な値ではなく、確率として情報を表します。コンピュータは、量子ビット同士がエンタングルメント状態にあることを前提とした論理演算によって情報を処理します。
コトラー氏によると、これらの小さなドラムは量子ビットとして利用でき、情報を動きとして保存できるという。量子力学的な物体であるドラムの表面は、必ずしも明確な位置を持っているわけではない。その位置は、コインを空中で投げたときに表でも裏でもなく、両方が出る確率があるのと同じように、確率として存在する。同様に、ドラムの表面は圧縮される可能性と膨らむ可能性が同時に存在し、量子コンピューティングの研究者は、この位置の組み合わせを利用して1と0の組み合わせを表すことができる。さらに、量子もつれによってドラムは互いに相互作用し、計算処理を実行することができる。
ラウ氏によると、研究者たちはこれらのドラムを用いて異なる量子コンピュータを接続することもできるという。例えば、これらのドラムは超伝導量子ビットをベースにした2つの異なる量子コンピュータ間の中間ノードとして機能する可能性がある。マイクロ波で情報を符号化する超伝導量子コンピュータは、その情報をドラムアレイの振動に記録することができる。そして、これらのドラムは情報をマイクロ波に再変換し、長距離にある別の量子コンピュータに送信することができる。このような接続は、物理学者が量子コンピュータネットワークの構築を目指す「量子インターネット」の基盤となるだろう。
コトラー氏のデモンストレーションは、この小さなドラムを量子コンピューティング技術としてさらに進化させるものだ。彼の装置は命令に応じて量子もつれを生成できるからだ。「ボタンを押すだけで、それが起こります」とコトラー氏は述べた。他のチームは過去に2つのドラムを量子もつれさせることに成功しているが、コトラー氏のような一貫性で実現することはできなかった。
コトラー氏によると、ドラムの量子もつれ状態は約200マイクロ秒続くという。一見短い時間に見えるが、コトラー氏は、ドラムを操作して量子コンピュータで興味深い演算を実行するには十分な時間だと予想している。次のステップは、もつれ状態にあるドラムに、より複雑なプロトコルを実行させることだとコトラー氏は述べた。
彼の実験は、量子コンピューティング技術の発展が量子力学への理解を深め、またその逆もまた真であることを実証している。「両者は密接に関連しています」とコトラー氏は述べた。研究者が量子もつれやその他の量子の奇妙な性質を利用するデバイスを開発するにつれて、量子力学自体の奇妙な点は薄れていく。
