量子マシン

アーロン・D・オコネルが開発した量子マシン。機械共振器は結合コンデンサ（小さな白い四角）の左下に配置されています。量子ビットは結合コンデンサの右上に接続されています。

量子マシンは、集団運動が量子力学の法則に従う人工装置である。巨視的物体が量子力学の法則に従うという考えは、20世紀初頭の量子力学の出現にまで遡る。 ^{[ 1 ] [ 2 ]} しかし、シュレーディンガーの猫の思考実験で強調されているように、量子効果は大規模な物体では容易に観察できない。その結果、量子運動状態は極低温という特殊な状況でのみ観察されてきた。巨視的物体における量子効果の脆弱性は、急速な量子デコヒーレンスから生じる可能性がある。^{[ 3 ]}研究者らは2009年に最初の量子マシンを作成し、その成果は2010年にサイエンス誌の「今年のブレークスルー」に選ばれた。

歴史

薄膜バルク音響共振器の走査型電子顕微鏡写真。共振器の機械的に作動する部分は、電気接続として機能する2本の金属リードによって左側に支持されている。

最初の量子マシンは、2009年8月4日、カリフォルニア大学サンタバーバラ校でアンドリュー・N・クレランドとジョン・M・マルティニスの指導の下、博士号取得を目指していたアーロン・D・オコネルによって作られました。オコネルと彼の同僚は、小さな踏み台のような機械共振器と、2つの量子状態を同時に重ね合わせることができる装置である量子ビットを結合しました。彼らは、共振器を少量と大量の両方で同時に振動させることに成功しました。これは古典物理学では不可能な効果です。機械共振器は肉眼で確認できるほどの大きさで、人間の髪の毛の幅ほどでした。^{[ 4 ]}この研究はその後、 2010年3月にネイチャー誌に掲載されました。^{[ 5 ]}サイエンス 誌は、この最初の量子マシンの開発を2010年の「ブレークスルー・オブ・ザ・イヤー」と評しました。 ^{[ 6 ]}

基底状態への冷却

量子力学的挙動を実証するために、研究チームはまず、機械共振器を量子基底状態、つまり可能な限りエネルギーの低い状態になるまで冷却する必要があった。

温度が必要であり、はプランク定数、は共振器の周波数、 はボルツマン定数である。^[a] ${\displaystyle T\ll {\frac {hf}{k}}}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle k}$

以前の研究チームはこの段階で苦労していました。例えば、1  MHzの共振器は50 μKという極低温まで冷却する必要があったからです 。^{[ 7 ]}オコネルのチームは、はるかに高い共振周波数（6 GHz）を持つ異なるタイプの共振器、薄膜バルク音響共振器を構築しました。^{[ 5 ]}これにより、（比較的）高い温度（約0.1 K）で基底状態に到達します。この温度には希釈冷凍機で簡単に到達できます。^{[ 5 ]}実験では、共振器は25 mKまで冷却されました。^{[ 5 ]}

量子状態の制御

薄膜音響共振器は圧電材料で作られており、振動すると形状が変化して電気信号が変化し、逆に電気信号が共振器の振動に影響を与える。この特性により、共振器は超伝導位相量子ビットと結合することが可能となった。超伝導位相量子ビットは量子コンピューティングに用いられ、量子状態を正確に制御できるデバイスである。

量子力学では、振動はフォノンと呼ばれる基本振動から構成されています。共振器を基底状態まで冷却することは、すべてのフォノンを除去することと同等と見なすことができます。研究チームはその後、個々のフォノンを量子ビットから共振器に転送することに成功しました。また、量子ビットが同時に2つの状態を重ね合わせた状態（重ね合わせ状態）を機械共振器に転送することにも成功しました。 ^{[ 8 ]}これは、アメリカ科学振興協会によると、共振器が「文字通り、同時に少しだけ大きく振動した」ことを意味します。^{[ 9 ]}この振動は、外部からの破壊的な影響によって破壊されるまで、わずか数ナノ秒しか持続しませんでした。 ^{[ 10 ]} Nature誌に掲載された論文で、研究チームは「この実証は、量子力学が肉眼で見えるほどの大きさの機械物体にも適用されることを示す強力な証拠となる」と結論付けています。^{[ 5 ]}

注記

^  a: 振動子の基底状態エネルギーはその周波数に比例します。量子調和振動子を。

参考文献

1. シュレディンガー、E. (1935)。 「量子力学の現状」。ナトゥールヴィッセンシャフテン。23 (48): 807 – 812、823 – 828、844 – 849。ビブコード: 1935NW ....23....807S。土井：10.1007/BF01491891。S2CID  206795705。
2. Leggett, AJ (2002). 「量子力学の限界を検証する：動機、現状、展望」J. Phys.: Condens. Matter . 14 (15): R415– R451. Bibcode : 2002JPCM...14R.415L . CiteSeerX 10.1.1.205.4849 . doi : 10.1088/0953-8984/14/15/201 . S2CID 250911999 .  。
3. Zurek, WH (2003). 「デコヒーレンス、電子非選択、そして古典力学の量子的起源」 . Reviews of Modern Physics . 75 (3): 715– 765. arXiv : quant-ph/0105127 . Bibcode : 2003RvMP...75..715Z . doi : 10.1103/RevModPhys.75.715 . S2CID 14759237 . 
4. ボイル、アラン. 「科学の年：量子飛躍」 . MSNBC. 2010年12月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年12月23日閲覧。
5. O'Connell, AD; Hofheinz, M.; Ansmann, M.; Bialczak, RC; Lenander, M.; Lucero, E.; Neeley, M.; Sank, D.; et al. (2010). 「機械共振器の量子基底状態と単一フォノン制御」. Nature . 464 ( 7289): 697– 703. Bibcode : 2010Natur.464..697O . doi : 10.1038/nature08967 . PMID 20237473. S2CID 4412475 .  
6. Cho, Adrian (2010). 「今年のブレークスルー：初の量子マシン」. Science . 330 (6011): 1604. Bibcode : 2010Sci...330.1604C . doi : 10.1126/science.330.6011.1604 . PMID 21163978 . 
7. Steven Girvin, http://www.condmatjournalclub.org/wp-content/uploads/2010/04/jccm_april2010_013.pdf 2016年5月12日アーカイブ、 Wayback Machineより
8. Markus Aspelmeyer、「量子力学：波は上昇中」、 Nature 464、685-686（2010年4月1日）
9. ブランドン・ブリン、「科学：2010年のブレークスルーと10年間の洞察」アメリカ科学振興協会、2010年12月16日
10. リチャード・ウェッブ、「可視物体で初めて観測された量子効果」、ニューサイエンティスト、2010年3月17日

外部リンク

• Cho, Adrian (2010-12-17). 「今年のブレークスルー：初の量子マシン」 . Science . 330 (6011): 1604. Bibcode : 2010Sci...330.1604C . doi : 10.1126/science.330.6011.1604 . PMID  21163978 .
• ブルムフィール、ジェフ (2010-03-17). 「科学者たちは量子力学を超越する」 . Nature . doi : 10.1038/news.2010.130 .
• アーロン・D・オコネル、2010年12月、「量子限界で動作するマクロ的機械共振器」Wayback Machineに2011年7月25日アーカイブ（博士論文）

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