実存物理学に関する私たちの記事をご覧になっている読者の皆様は、物質の邪悪な双子である反物質に関するCERNの最近の画期的な発見を覚えていらっしゃるかもしれません。物理学における未解決の謎の一つは、私たちの宇宙には反物質よりも物質が多く含まれているという事実です。これはほとんどの理論予測に反しています。そのため、科学者たちは当然のことながら、なぜ、そしてどのようにそうなるのかを説明しようとしています。
CERNは、反物質研究における新たな大きな飛躍を発表しました。そして今回の成果は、量子コンピューティングの領域にまで踏み込んだものです。 7月23日にNature誌に掲載された論文で、CERNの重粒子反重粒子対称性実験（BASE）共同研究チームは、量子コンピューターの最小情報単位である反物質量子ビット（キュービット）を初めて実証したと発表しました。
問題の量子ビットは、陽子の反物質である反陽子であり、奇妙な量子振動、すなわち「上向き」スピン状態と「下向き」スピン状態の間を完璧なリズムで往復する状態にある。この振動は50秒間持続した。研究者らは、この成果を可能にした技術力は、反物質に関する理解を大きく前進させるものだと主張している。
研究チームはこの実験に、コヒーレント量子遷移分光法と呼ばれる手法を適用した。この手法は、粒子の磁気モーメント、つまり磁場内での挙動を、驚くほど正確に測定する。まず、研究チームはCERNの反物質工場から反陽子を取り出し、電磁ペニングトラップ（磁場の重ね合わせ）に粒子を閉じ込めた。次に、同じ磁石の中に2つ目の多重トラップを設置し、個々の反陽子を抽出して粒子のスピン状態を測定・調整した。
量子状態は脆弱であり、外部からの妨害によって容易に乱されます。誤った刺激を与えると、量子状態は瞬く間にデコヒーレンスへと転落し、物理学者が発見したいと願う貴重な情報を失ってしまいます。量子システムのこの根本的な限界は、BASE共同研究グループにとって大きな懸念事項でした。同グループは2017年、今回の実験と同様の装置を用いて、陽子と反陽子が実質的に同一の磁気モーメントを持つことを確認しました。
研究チームは技術に大幅な改良を加え、特にデコヒーレンスを抑制・排除するために必要なメカニズムの開発に注力しました。この努力は報われ、反陽子は50秒間安定した量子スイングを示しました。これは、量子ビットが状態の重ね合わせ状態にある様子に似ており、理論的には指数関数的な量の情報を保存できる可能性があります。さらに、この現象は単一の自由核磁気モーメントで観測された初めての例であり、これまでの実験では大きな粒子群でしか観測されていませんでした。
「すぐにシャンパンを開けました。人生最高の瞬間の一つです！」と、本研究の筆頭著者であり、CERNの物理学者であるバーバラ・ラタツ氏はギズモードへのメールで述べています。「すでに非常に高度な実験を、コヒーレントスピン状態分光法を観測できるレベルまでアップグレードするには、5年間の献身的な研究が必要でした。あなたと同僚の努力が報われると、本当にやりがいを感じます。」
「これは初の反物質量子ビットであり、精密実験においてコヒーレント分光法のすべてを単一物質および反物質システムに適用できる可能性を開く」とBASEの広報担当者ステファン・ウルマー氏は声明で述べた。
とはいえ、研究チームは、少なくとも近い将来には、新たな研究結果によって量子コンピューティングに反物質量子ビットが導入されるとは考えていない。
「反物質量子ビットを量子コンピュータに使うのは現時点では意味がありません。単純に言えば、反物質の生成と保管に関するエンジニアリングは通常の物質よりもはるかに困難だからです」とラタツ氏は説明し、物質と反物質は基本的な性質を共有していることが知られているため、反物質を選択することは現実的ではないと付け加えた。「しかし、将来、反物質が物質とは異なる振る舞いをすることが判明すれば、これを検討するのは興味深いかもしれません。」
ラタツ氏によると、チームはさらなる改良を望んでおり、近いうちに実現する予定だという。BASEのアップグレード（BASE-STEPと名付けられている）により、反陽子をより高精度に研究する能力が大幅に向上し、「反陽子の磁気モーメントの測定精度を少なくとも10倍、長期的には100倍向上させる」ことができると彼女は述べた。
この新たなブレークスルーは、量子コンピューティング、原子時計、その他の分野における工学的進歩に貢献する可能性があります。しかし、研究者たちが強調するように、このような技術的応用はすぐに期待できるものではありません。とはいえ、この結果自体は基礎物理学にとって興味深い教訓を提示しています。これらの疑問の解明には何年もかかるかもしれませんが、物理学者ショーン・キャロルがCERNの最近の別の発見について述べた言葉を引用すると、「これははるかに大きなパズルの小さな一部ですが、すべての部分が重要なのです」ということです。
