オランダとドイツの物理学者チームは最近、走査型トンネル顕微鏡の下にチタン原子の束を置いた。これらの原子は、スピンの方向を介して互いに絶えず静かに相互作用していた。研究者たちは巧妙な手法で、1対の原子に狙いを定め、片方の原子のスピンを反転させるために電流を流した。そして、もう片方の原子の反応を測定した。
2つの原子が相互依存的なスピンを持つ場合、それらは量子もつれ状態にあるとみなされます。このもつれ状態とは、一方の原子の挙動がもう一方の原子に直接影響を与えることを意味し、理論によれば、2つの原子が非常に離れていてもこの関係は維持されるはずです。今回の場合、チタン原子は1ナノメートル（1ミリメートルの100万分の1）強の距離にあり、2つの粒子が相互作用するには十分近い距離でありながら、研究チームの機器でその相互作用を検出できるほど離れていました。
「主な発見は、原子スピンが相互作用の結果として時間の経過とともにどのように振る舞うかを観察できたことです」と、オランダのデルフト工科大学カブリナノサイエンス研究所の量子物理学者で論文共著者のサンダー・オッテ氏は述べています。オッテ氏はメールで、科学者たちはこれまでも様々な原子スピンの強度と、その強度が原子のエネルギーレベルに与える影響を測定することができてきたと説明しました。しかし、今回の実験により、その相互作用を時間の経過とともに観察することができました。
実験物理学の大きな希望の一つは、いつの日か研究者が量子相互作用を自由にシミュレートし、量子系を必要に応じて微調整し、量子力学がどのように作用するかを観察できるようになることです。研究者たちは実際にそれを実現し、ある原子で特定の反応を引き起こし、隣の原子がどのように反応するかを観察しました。
「これは非常にシンプルな『量子シミュレーター』の素晴らしいデモンストレーションです」と、カリフォルニア大学バークレー校の量子物理学者エラ・ラックマン氏は述べた。ラックマン氏は今回の研究には関わっていない。「原子の位置を制御することで、格子や、ダイナミクスを研究したいあらゆるシステムのレプリカを理論的に構築できるのです。」
研究チームがチタン原子を選んだのは、スピンの選択肢が上向きか下向きかのどちらかに限られているからだ。チタン原子は酸化マグネシウムの表面に結合し、検査のために所定の位置に固定された。ほぼ真空状態の1ケルビン（華氏-457.87度）の表面に貼り付けられた原子は、物理学者が顕微鏡の先端で個別に取り出すことができる（仕組みを示したすばらしい動画はこちら）。次に、ペアになっている原子の片方に電気パルスを当てて原子のスピンを反転させ、隣の原子に即座に反応を起こさせる。オッテ氏によると、これらの反応は量子力学の法則によって予測可能だという（「ノックノック」と言えば、次に隣の粒子が「誰だ？」と反応するのは間違いない）。このプロセス全体にかかった時間は約15ナノ秒、つまり150億分の1秒だった。研究結果は本日、Science誌に掲載された。
量子の世界を読み取る方法は他にもあります。科学者は原子のスピンを変化させることで原子間の相互作用を生じさせることができますが、その相互作用は非常に高速であるため、スピン共鳴法のような一般的な観測方法では捉えることができません。量子研究者は、原子の状態変化や量子力学の観測にマイクロ波パルスを用いることが多いのですが、この電気パルスによるアプローチにより、研究チームは極めて微細な相互作用、つまり原子間のDM（多重散乱）を感知する能力を獲得しました。
スピン共鳴法のような手法は「とにかく遅すぎる」と、デルフト工科大学カブリナノサイエンス研究所の量子物理学者ルーカス・フェルドマン氏はデルフトでの発表で述べた。「片方のスピンをねじり始めると、もう片方のスピンも一緒に回転し始める。これでは、2つのスピンを反対方向に回転させたときに何が起こるのかを調べることはできないのだ。」
この研究分野の真の魔法はまだこれからだとオッテ氏は述べた。今回の検出は2つの原子間のスピンの跳ね返りをマッピングしたものの、方程式に原子を追加するごとに状況ははるかに複雑になる。参加者がメッセージを伝えながら、同時に来た方向と同じ方向からささやき返すことができる伝言ゲームを想像してほしい。異なる方向から来たメッセージは交差し始め、通信内容が乱れ始めるだろう。
「おもちゃの模型はいつでも素晴らしいものですが、そこに私たちが本当に興味を持っている複雑さを加えると、測定とその解釈に関する問題はより複雑になります」とラックマン氏は述べた。「1つの原子しか測定せずに、同じ実験を3つの原子で行うことができるでしょうか？おそらく可能ですが、測定結果の解釈はより複雑になります。10個の原子ではどうでしょうか？20個なら？これがおもちゃの模型のクールな実験的デモンストレーションなのか、それとももっと深い何かなのかは、時間と創意工夫次第でわかるでしょう。可能性はそこにあります。」
オッテ氏はまた、2つの原子という単純なシステムを超えるという、途方もない課題についても強調した。「スピンを20に増やすと、私のノートパソコンでは何が起こるのか計算できなくなります。50スピンになると、世界最高のスーパーコンピューターでも計算不能になります」とオッテ氏は述べた。「特定の物質の複雑な挙動（その好例が超伝導）がどのように生じるのかを正確に理解したいのであれば、物質をゼロから『構築』し、原子の数を10個、100個、そして1,000個と増やした場合に物理法則がどのように作用するかを検証する必要があります。」超伝導とは、抵抗ゼロで電気を伝送できる物質のことで、現時点では極低温でのみ実現可能である。だからこそ、室温超伝導体の開発は物理学の聖杯であり、世界を一変させるだろう。
しかし、こうした大きな数字になって初めて、究極の成果が見えてくる。研究者たちは、一つの原子の心の交流を盗聴するのではなく、最終的には、多数の原子が行き来しながら交わす量子的な会話のささやきを聞き取ることができるようになるかもしれない。もちろん、このような難問を解くにはより優れたコンピューターが必要になるだろうが、たとえ小さな相互作用であっても、より大きな会話のきっかけとして、それ自体に深い意味を持つのだ。
詳細: 量子コンピューターが通常のコンピューターを上回るのはいつでしょうか?
