部屋を明るくするためにランプを点けるとき、あなたは光子として伝達される光エネルギーを体験している。この光子は、量子力学の時に奇妙な法則に従わなければならない。例えば、光子は不可分であるが、同時に1つの光子が2つの場所に同時に存在することを可能にする。
光ビームを構成する光子と同様に、フォノンと呼ばれる不可分の量子粒子が音ビームを構成している。これらの粒子は、スポーツ競技場の「スタジアムの波」が何千人ものファンの運動によるものであるのと同じように、何兆個もの原子の集団運動から生まれる。曲を聴くとき、あなたはこの非常に小さな量子粒子の流れを聴いているのだ。
もともと固体の熱容量を説明するために考え出されたフォノンは、光子と同じ量子力学の法則に従うと予測されている。しかし、個々のフォノンを生成し、検出する技術は、光子のそれに比べて遅れている。
この技術は、シカゴ大学プリツカー分子工学大学院の私の研究グループによって、ようやく開発されつつある。私たちは、フォノンを半分に分割し、それらを絡み合わせることで、音の基本的な量子特性を探求している。
フォノンに関する私のグループの基礎研究によって、研究者は機械的量子コンピュータと呼ばれる新しいタイプの量子コンピュータを構築できる日が来るかもしれない。
“悪い”鏡で音を分割する
フォノンの量子的性質を調べるために、我々のチームは音響ミラーを使っている。しかし、最近の『Science』誌に掲載された我々の最新の実験では、ビームスプリッターと呼ばれる“悪い”鏡を使っている。私たちのチームは、フォノンをビームスプリッターに向けるとどうなるかを調べることにした。
フォノンは分割できない。その代わり、ビームスプリッタと相互作用した後、フォノンは「重ね合わせ状態」と呼ばれる状態になります。この状態では、フォノンは反射と透過の両方を行っており、どちらの状態でもフォノンを検出できる可能性がある。もしあなたが介入してフォノンを検出した場合、半分は反射され、半分は透過されたと測定されるだろう。ある意味で、フォノンの状態は検出器によってランダムに選択される。検出プロセスがなければ、フォノンは透過と反射の重ね合わせの状態のままである。
この重ね合わせ効果は、何年も前に光子で観測された。我々の結果は、フォノンにも同じ性質があることを示している。
絡み合ったフォノン
フォノンが光子と同じように量子の重ね合わせに入ることができることを示した後、私のチームはより複雑な質問をした。同じフォノンを2つ、それぞれの方向からビームスプリッタに送ったらどうなるかを知りたかったのだ。
その結果、それぞれのフォノンは、半透過と半反射の同じような重ね合わせ状態になることが分かった。しかし、ビームスプリッターの物理的な性質上、フォノンのタイミングを正確に合わせると、量子力学的に干渉してしまう。2つのフォノンは量子力学的にもつれ合う。
量子もつれでは、それぞれのフォノンは反射と透過の重ね合わせの状態にあるが、2つのフォノンは一緒にロックされている。このことは、一方のフォノンが送信または反射されたことを検出すると、もう一方のフォノンも同じ状態になることを意味する。
つまり、検出する場合、常に2つのフォノンを検出することになり、どちらか一方に向かうフォノンを検出することになり、どちらか一方に向かうフォノンを検出することはない。これと同じ光に対する効果、すなわち2つの光子の重ね合わせと干渉の組み合わせは、1987年に最初にこれを予言し観測した3人の物理学者の名前をとって、Hong-Ou-Mandel効果と呼ばれている。現在、私のグループはこの効果を音で実証している。
量子コンピューターの未来
これらの結果は、フォノンを用いた機械的量子コンピュータの構築が可能であることを示唆している。単一光子の放出、検出、干渉のみを必要とする光量子コンピュータを構築するための努力が続けられている。大量のもつれ粒子を用いることで、大きな数の因数分解や量子系のシミュレーションなど、特定の問題に対して指数関数的なスピードアップが期待できる。
フォノンを用いた量子コンピュータは、ノートパソコンのプロセッサと同じようなチップ上に構築されるため、非常にコンパクトで自己完結的なものとなる。研究者がフォノンに基づく技術をさらに拡張し、改良することができれば、その小型化により、実装や利用が容易になる可能性がある。
私のグループのフォノンの実験では、電子量子コンピュータと同じ技術である量子ビットを使っている。つまり、フォノンの技術が追いつけば、フォノンベースのコンピュータを電子量子コンピュータと統合できる可能性があるということだ。そうすることで、新しい、潜在的にユニークな計算能力が得られるかも知れない。
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