量子コンピュータの量子ビットに、フィボナッチ数列にヒントを得たパターンで光を照射したところ、これまでにない驚くべき物質の新しい局面が観察されたとのことだ。

量子ビットに2つの時間対称性を持たせる

この奇妙な量子力学の癖は、時間次元が1つではなく2つあるかのように振る舞うという。この特徴により、量子ビットはより強固になり、実験期間中ずっと安定していることができると研究者は報告している。

この安定性は量子コヒーレンスと呼ばれ、エラーのない量子コンピュータの主要な目標の一つであり、実現が最も困難なものの一つである。

フラットアイアン研究所の計算量子物理学者Philipp Dumitrescu氏は、この現象を説明した新しい論文の主執筆者として、「物質の相に対するまったく異なる考え方を示している」と述べている。

量子コンピューティングは、量子ビットという、コンピューティングビットに相当するものをベースにしている。しかし、ビットが1か0の2つの状態のいずれかで情報を処理するのに対し、量子ビットは、量子重ね合わせと呼ばれる状態で、同時に両方の状態になることができるのだ。

この量子重ね合わせの数学的性質は、計算の観点から非常に強力であり、適切な状況下で問題解決を短時間で行うことができる。

しかし、一連の量子ビットの不鮮明で不安定な性質は、その未決定状態が互いにどのように関連しているかにも依存する。この関係は「エンタングルメント（量子もつれ）」と呼ばれる。

しかし、量子ビットは、周囲のあらゆるものと絡み合い、エラーを引き起こす可能性がある。量子ビットの状態が繊細であればあるほど（あるいはその環境が混沌としていればいるほど）、この一貫性が失われる危険性が高くなる。

コヒーレンスを実現可能なレベルまで向上させることは、機能的な量子コンピュータを実現する上で立ちはだかる重要なハードルをクリアするための、多角的なアプローチであると思われる。

「すべての原子を厳密に制御していても、原子は環境と対話し、加熱し、計画外の方法で物事と相互作用することによって、量子性を失うことがあります。実際には、実験装置には、たった数回のレーザーパルスでコヒーレンスを低下させるようなエラー源がたくさんあります。」とDumitrescu氏は説明する。

対称性の強制は、量子ビットをデコヒーレンスから保護する1つの手段になり得る。普通の正方形を90度回転させても、実質的には同じ形だ。この対称性によって、ある種の回転の影響から保護される。

量子ビットを等間隔でレーザーパルスで叩くと、空間ではなく時間に基づく対称性が確保される。Dumitrescu教授らは、対称的な周期性ではなく、非対称的な準周期性を加えることによって、この効果を高めることができるかどうかを知りたいと考えた。

そうすれば、時間対称性は1つではなく、2つになり、一方が他方の中に埋没してしまうという理論である。

このアイデアは、研究チームが以前に行った、空間的ではなく時間的に準結晶と呼ばれるものを作るという研究に基づいている。結晶は、正方形の格子状のジャングルジムやハニカム（蜂の巣）のように、空間的に繰り返される原子の対称格子でできているが、準結晶上の原子のパターンは、ペンローズ・タイルのように繰り返しがなく、しかも規則正しく並んでいるのだ。

研究チームは、量子コンピューティング企業であるQuantinuum社が設計した最先端の商用量子コンピュータで実験を行った。このコンピュータは、量子ビットにイッテルビウム（原子時計に使われる元素の1つ）の原子を10個用いている。この原子を電気的なイオントラップで保持し、そこからレーザーパルスを照射して制御・測定することができる。

Dumitrescu教授らは、フィボナッチ数に基づいてレーザーパルスの列を作成した。この結果、準結晶のように、秩序がありながら繰り返しのない配列が実現した。

準結晶は、高次元格子の低次元セグメントとして数学的に記述することができる。ペンローズ・タイルは、5次元超立方体の2次元スライスとして記述することができる。

これと同じように、研究チームのレーザーパルスは、2次元パターンの1次元表現として記述することができる。理論的には、このことは、量子ビットに2つの時間対称性を持たせることができる可能性があることを意味していた。

研究チームは、イッテルビウム量子ビットアレイにレーザーを照射し、最初は対称的に、次に準周期的に照射して、この成果を検証した。そして、トラップの両端にある2つの量子ビットのコヒーレンスを測定した。

周期的なシーケンスでは、量子ビットは1.5秒間安定であった。準周期的なシーケンスでは、実験時間である5.5秒間、安定した状態を維持した。

研究者らは、この時間対称性が、量子デコヒーレンスに対する新たな防御策になったと述べている。

「準周期配列では、端に存在するすべての誤差を打ち消すような複雑な進化が見られます。そのおかげで、エッジは、あなたが期待するよりもずっとずっと長く、量子力学的にコヒーレントなままなのです。」とDumitrescu教授は語る。

今回の研究成果は、この新しい物質の相が、長期的な量子情報ストレージとして機能することを示しているが、研究者たちは、この相と量子コンピューティングの計算面を機能的に統合する必要がまだ残っているとしている。