マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者たちが、量子テクノロジー分野で画期的な成果を達成した。科学誌『Science』に掲載されたこの研究は、量子力学の基本的性質である量子ランダム性を制御するというものだ。研究チームは、「量子真空のゆらぎ」という概念を利用することで、量子ランダム性に関連する確率分布を操作できることを実証した。このブレークスルーは、確率論的コンピューティング、複雑現象のシミュレーション、超精密フィールド・センシングに大きな意味を持つ。
量子ランダム性の複雑さを解き明かす
量子力学の世界では、何もない空間にも「量子真空のゆらぎ」と呼ばれるゆらぎが存在する。真空とは完全に何もない空間であるという従来の理解とは異なり、量子の世界では異なる現実が存在する。このゆらぎは、穏やかな海に突然現れる波のようなもので、科学者たちが過去1世紀にわたって発見してきた数多くの興味深い量子現象の一因となっている。以前は、研究者たちはこの真空のゆらぎを利用して乱数を生成していた。しかし、量子ランダム性に関連する確率分布の真の制御は、依然としてとらえどころのない課題であった。
確率的コンピューティング
量子の世界では、100％確実なものはないので、確率を扱うことが多い。量子粒子固有の確率的性質により、ランダム性が基本的な役割を果たす。
従来のコンピューターは決定論的に動作し、あらかじめ定義された命令やアルゴリズムを実行することで、繰り返されたときに同じ結果が得られる。この決定論的パラダイムは、デジタル時代の形成に役立ってきたが、物理世界のシミュレーションや複雑なシステムの最適化で一般的な不確実性やランダム性を扱うには不十分である。一方、確率論的コンピューティングは、固有のランダム性を利用して計算を実行する。可能性のある結果の範囲を提供し、それぞれが特定の確率に関連付けられる。この固有の柔軟性により、確率論的コンピューティングは、統計的推論、確率過程、確率論的モデルを用いて、ランダム性を伴う現象や、複数の解が存在し、さまざまな可能性を探ることでより良い結果が得られるようなシナリオのシミュレーションや研究に理想的なものとなっている。
これまで、確率論的コンピューティングの実装には、量子ランダム性に関連する確率分布を制御できないという大きなハードルがあった。しかし、MITの研究チームの革新的なアプローチにより、有望な解決策が見えてきた。光パラメトリック発振器（乱数を生成できるシステム）に弱いレーザーの「バイアス」を注入することで、研究チームは制御可能な「バイアス」量子ランダム性源を確立したのである。この画期的な発見は、長年研究されてきた量子システムに新たな視点をもたらすだけでなく、確率論的コンピューティングや超高精度フィールド・センシングの可能性も秘めている。
制御可能な量子ランダム性
MITの研究チームは、光パラメトリック発振器（OPO）の出力状態に関連する確率分布の操作に成功した。OPOに弱いレーザーバイアスを注入することで制御を実現したのだ。弱いレーザー・バイアスとは、彼らが意図的に導入した低強度のレーザー・ビームのことである。この成果は、世界初の制御可能なフォトニック確率ビット（pビット）の誕生を意味する。このシステムは、単一光子よりもはるかに低いレベルであっても、バイアス磁場パルスの時間振動に感度を示す。現在、このフォトニックpビット生成システムは、毎秒1万ビットを生成することができ、それぞれが任意の二項分布に従うことができる。技術の進歩に伴い、研究チームは、今後数年間で、より高速のフォトニックpビットが実現し、応用範囲が広がることを期待している。
MITのMarin Soljačić教授は、この研究が持つ広範な意味を強調し、量子強化された確率的コンピューティングの可能性を強調している。真空のゆらぎに制御性を導入することで、研究者は複雑なダイナミクスのシミュレーションで達成可能な限界を押し広げることができます。このブレークスルーは、組み合わせ最適化や格子量子クロモダイナミクス・シミュレーションなどの応用に有望である。制御可能な量子ランダムネスがもたらす潜在的な影響は、コンピューティングの領域をはるかに超え、物理学、工学、材料科学など、さまざまな分野の進歩に道を開くものである。
今後の展望
「このような量子系に関する広範な研究にもかかわらず、非常に弱いバイアス場の影響は未解明でした。制御可能な量子ランダム性の発見により、量子光学における数十年前の概念を見直すことができただけでなく、確率論的コンピューティングや超精密フィールドセンシングの可能性も開けることになりました」と、研究チームを率いるCharles Roques-Carmes氏はプレスリリースで述べている。
MITの研究チームが量子ランダム性を制御することに成功したことは、量子テクノロジー分野における重要なマイルストーンとなる。量子ランダムネスに関連する確率分布を操作することで、研究者たちは確率論的コンピューティングの可能性を解き放ち、複雑な現象をシミュレートする新たな道を開いた。制御可能なフォトニック確率ビット（p-bit）は、量子ランダム性を実用的なアプリケーションに活用するためのブレークスルーを意味する。さらなる進歩が見込まれる中、この成果はコンピューティング、シミュレーション、科学的探求に革命をもたらし、私たちを量子力学を駆使したイノベーションの領域へとさらに押し上げる可能性を秘めている。
論文
参考文献
- EurektAlert!: Controlling quantum randomness from the vacuum
- NewScientist: Quantum randomness of empty space can be controlled with a laser
研究の要旨
量子場理論によれば、電磁場は自然にゆらぎ、このゆらぎは完全なランダム性の源として利用できる。ランダム性の潜在的応用の多くは、制御可能な確率分布に依存している。われわれは、多安定光システムに注入される真空レベルのバイアス場が、制御可能な量子ランダムネス源を可能にすることを示し、光パラメトリック発振器（OPO）でこの概念を実証した。この概念を光パラメトリック発振器（OPO）で実証した。平均1光子以下のバイアスパルスを入射することで、OPOの2つの可能な出力状態の確率を制御した。単一光子レベル以下の場の時間形状を再構成することにより、サブ光子レベルの場を検出するための我々のアプローチの可能性を実証した。この結果は、非線形駆動-散逸系における量子ダイナミクスを研究するための基盤を提供し、確率的コンピューティングや微弱場のセンシングへの応用を示唆するものである。
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