アメリカのスタンフォード大学の研究者たちは、初めて音の量子ジャンプをリアルタイムで測定しました。この成果は科学探求の新たな方向を切り開き、量子コンピューティングやセンサー技術に即座に応用される可能性があります。量子ジャンプとは、量子システムのエネルギー状態の変化を指します。量子ジャンプの概念は100年以上前から存在しており、理論物理学者ニールス・ボーアが1913年に初めてこの概念を提唱しました。1986年まで、科学者たちは初めて閉じ込められたイオンの中で量子ジャンプを観察し、2007年には光の基本粒子である光子の中で量子ジャンプを観察しました。
約20年後、スタンフォード大学の物理学者アミール・サファヴィ＝ナイニが率いる科学者チームは、音の基本単位であるフォノンの中で量子ジャンプを観察しました。 彼らの発見を説明するために、サファヴィ＝ナイニは鐘の音の例を挙げました。音は時間とともに徐々に減衰し、瞬時に消えるわけではありません。しかし、量子レベルでは、これらの減少はジャンプの形で発生します。サファヴィ＝ナイニのチームは、これらのジャンプをリアルタイムで測定しましたが、これは前例のない成果です。彼らはどのように測定したのでしょうか？この測定を行うために、研究者たちはコンピューターチップのサイズに相当する機械共振器を構築しました。
共振器の小さなサイズにより、単一のチップ上に複数のユニットを配置することが可能です。この共振器は音叉のように、衝撃を受けると共鳴音を発します。しかし、研究者が設計した共振器は、わずか2ミリ秒の「共鳴」時間を持っています。これは非常に短いように聞こえますが、この共振器が機能する微視的なスケールでは、音叉が数時間振動するのに相当します。したがって、この共振器の長い共鳴時間または「減衰時間」により、研究者たちは数百回の測定を行い、振動が1から0に変わる瞬間や量子ジャンプの瞬間を正確に記録することができました。
スタンフォード大学の研究は量子技術の発展に新たな方向性を提供
量子システムを研究する上での主要な課題の一つは、その脆弱な状態を妨げることなく信号を抽出する方法です。スタンフォードの研究チームは、共振器を超伝導量子ビットとペアリングする方法を見つけ、探測器として機能させることができました。ペアリングされた量子ビットにより、研究者たちは量子ジャンプが発生する正確な瞬間をリアルタイムで検出することが可能になりました。リアルタイムで量子ジャンプを検出できるだけでなく、この研究は将来の多くの量子技術の基盤を築くものでもあります。たとえば、量子コンピューティングにおいて、脆弱な量子状態は計算が完了する前にエラーを引き起こす可能性があります。
これらの量子ジャンプはエラーと見なされますが、それらが発生する正確な時間を特定することは常に困難でした。量子ジャンプを検出する能力は、すぐに変わる可能性があります。微視的な共振器と量子ビットのペアリングは、精密なセンシングにも利用でき、サファヴィ＝ナイニと彼のチームはカリフォルニア工科大学の研究者と協力して、細胞内のタンパク質を検出・識別しています。音は多くの現代のデバイス、例えばスマートフォンにとって重要であるため、これらの分野にも潜在的な応用が現れる可能性があります。 サファヴィ＝ナイニはプレスリリースで次のように述べています。「私たちは、振動する物体が量子の振る舞いを示すことができることを確認しました。これは量子コンピューティングやセンシングに必要な多くの操作の前提条件です。
この研究が示すことは、音に関連する新しい量子技術の応用を進めることを可能にします。」この研究結果は『サイエンス』誌に発表されました。