分子を量子もつれ状態に導くという世界初の画期的な発見が量子コンピュータ開発を加速させる

プリンストン大学の研究者グループは、個々の分子の量子状態を調整し、分子を強制的に量子もつれ状態に導く事に成功した。この方法は、計算やセンシングといった量子技術の進歩、そしてより強固な量子コンピューティングの開発につながる可能性を切り拓く画期的な発見である。

プリンストン大学の物理学助教授で、この論文の主執筆者であるLawrence Cheuk氏は、「量子もつれの基本的な重要性から、これは分子の世界におけるブレークスルーです。というのも、もつれた分子は将来の多くの応用のための構成要素となりうるからです」と語った。

量子もつれは、現代物理学における大きな謎のひとつである。基本的に、この現象は、ある粒子の量子状態が変化すると、その粒子のもつれにも瞬時に影響を与えるような方法で結合した粒子を伴う。

これは、Albert Einstein、Boris Podolsky、Nathan Rosenが1935年に発表した論文で紹介され、当初は “spooky action at a distance（不気味な遠隔作用）”と呼ばれていた。

謎に包まれたままであったが、近年、量子もつれの謎の解明が大幅に進み、量子コンピューター、暗号技術、通信技術など、さまざまな分野での実用化が期待されている。

量子もつれは量子力学の核心的な要素であるが、その制御を実用化するのは容易ではない。量子計算デバイスの実現に向けた潜在的な道筋として、いくつかの技術が提唱されているが、唯一の解決策は見つかっておらず、研究者は最終的に、作成されるさまざまな種類のシステムごとに異なるアプローチを利用することになるかもしれない。

今回の発見は、例えば、従来のコンピューターよりもはるかに速く特定の問題を解くことができる量子コンピューター、モデル化が困難な複雑な物質の挙動をモデル化できる量子シミュレーター、従来のものよりも高速に計測できる量子センサーなどへの応用が期待できると、Cheuk氏は述べている。

Cheuk氏とプリンストン大学の研究チームが実現した、分子の制御された量子もつれという夢は、分子が持つ量子の自由度と相互作用から、かつては複雑すぎると考えられていたものだ。しかし、この量子的な「柔軟性」によって、分子は原子のような代替物と比較して、量子情報処理や複雑な物質のシミュレーションなどの応用に理想的なものとなっている。

この新しい論文の共著者である大学院生のYukai Lu氏によれば、研究チームの成果は、量子情報の保存と処理の新しい方法を明らかにするものだという。「これが意味するのは、実用的には、量子情報を保存したり処理したりする新しい方法があるということです。例えば、分子は複数のモードで振動したり回転したりします。そのため、これらのモードのうちの2つを使って量子ビットを符号化することができます。分子種が極性であれば、2つの分子は空間的に離れていても相互作用することができます」。

分子の複雑な挙動を制御しようとすることで生じる困難を克服するために、Cheuk氏と研究チームは、”ピンセット・アレイ”として適切に知られるシステムで、レーザーの緊密に焦点を合わせたアレイで個々の分子をピックアップする方法を使用した。

この方法は注目すべきことに、ハーバード大学の研究者John Doyle氏とKang-Kuen Ni氏、およびマサチューセッツ工科大学の研究者Wolfgang Ketterle氏率いるまったく別の研究でも報告されており、『Science』誌の同じ号に掲載された。

「彼らが同じ結果を得たという事実は、我々の結果の信頼性を証明するものです。また、分子ピンセットアレイが量子科学の新たなプラットフォームになりつつあることも示しています」と、Cheuk氏は指摘する。

Cheuk氏は、分子を量子科学に利用することを「新たなフロンティア」と呼んでいる。また、量子もつれを本質的に任意に示すことができたことは、分子を量子科学の応用に実用的なシステムで利用できることを最終的に実証するための重要な一歩であるとも付け加えている。

「われわれの研究成果は、量子応用に必要な重要な構成要素を示すものであり、捕捉された分子を利用する量子強化基礎物理学実験を前進させる可能性があります」。

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