リエージュ大学の研究者らは、幾何学と量子制御を組み合わせて量子重ね合わせ状態 (つまり、NOON 状態) を迅速に生成する画期的な方法を開発しました。このイノベーションにより、準備時間が数分からミリ秒に大幅に短縮され、量子コンピューティングや超高精度センサーの実用化への扉が開かれます。

超低温原子の量子重ね合わせを作成することは長い間大きな課題であり、既存の方法は実験室で実用化するには遅すぎることが判明しています。リエージュ大学の研究者らは今回、幾何学と「量子制御」を組み合わせた新しい手法を開発し、このプロセスを大幅に高速化し、量子技術の実用化への扉を開きました。

ショッピングカートをいっぱいに押してスーパーマーケットに行くところを想像してみてください。目標は、他の人よりも早くレジに到着し、急な曲がり角で商品を失くさないようにすることです。成功の鍵は、最も真っ直ぐで滑らかな道を見つけ、速度を落とさずに速度を維持することです。

これはまさにリエージュ大学の博士研究員であるサイモン・デンギス氏が達成したことです。彼はスーパーマーケットにいるのではなく、量子物理学の複雑な領域にいるのです。


NOON 状態は、N 個の粒子が「同時に」ある状態にあり、「同時に」別の状態にある重ね合わせ量子状態です。ここで、粒子は、レーザーによって作成されたウェル内の 2 つのウェルにトラップされます。したがって、重ね合わせ状態は、左側のウェルにすべての粒子が入っている状態と、右側のウェルに粒子がトラップされている状態となります。パーティクルが同じ位置にある場合、それらは相互作用して互いに「くっつき」、個々のパーティクルがトラップから出るのを防ぎます。画像出典: リエージュ大学 / S. デンギス

Dungis 氏は、統計量子物理学 (PQS) チームと協力して、NOON 状態を迅速に生成するためのプロトコルを開発しました。 「これらの状態は、シュレーディンガーの有名な猫である量子重ね合わせのミニチュア版のように見えます」と彼は説明します。 「それらは超高精度の量子センサーや量子コンピューターなどの技術にとって重要です。」

主な課題は何ですか?これらの状態の作成には時間がかかりすぎることがよくあります。私たちは数十分以上話し合っており、それは実験の存続期間を超えることもよくあります。理由は何ですか?エネルギーのボトルネック、つまりシステムの進化における「急カーブ」により、システムの速度が低下することになります。


非断熱制御は、システムの慣性を何らかの方法で変更することで補償します。この例では、ウェイターの動きによって生じる水の動きを補うために、ウェイターはトレイを傾けてグラスの慣性を打ち消し、グラスが倒れるのを防ぐことができます。画像出典: リエージュ大学 / S.Dengis

これはリエージュ大学チームの画期的な成果です。彼らは、断熱駆動と最適な測地線パスという 2 つの強力な概念を組み合わせることにより、原子への道を切り開くことに成功しました。その結果、ドライバーがパレットを傾けて曲がりを予測するように、システムは理想的な軌道から逸脱することなく、より迅速に進化することができます。

「この戦略により、多くの時間が節約されます。場合によっては、99% の忠実度、つまり完璧に近い結果を維持しながら、処理速度が 10,000 倍速くなる可能性があります」と、研究室所長の Peter Schlaghheck 氏は述べています。以前は、この状態を作成するのに約 10 分かかりましたが、研究者たちは待ち時間を 0.1 秒まで大幅に短縮することに成功しました。

このブレークスルーにより、ついに超低温原子を使って NOON 状態を作り出すことができるようになりました。これにより、量子計測学 (時間、回転、重力の超高感度測定) と量子情報技術の有望な展望が開かれます。最終的には、これらのツールは量子ジャイロスコープや小型重力検出器などの機器を改良できる可能性があります。


提案されたプロトコル (青、GCD) は、(通常の赤のプロトコル G と比較して) エネルギーのボトルネックを拡大する可能性があるため、ボトルネックに近づくときのブレーキの必要性が少なくなります。この状況はオートバイレースの観点から理解できます。コーナリングが「スムーズ」ではないため、赤いオートバイは青いオートバイよりも多くのブレーキをかける必要があります。したがって、青いバイクは相手より先に目的地に到着します。この時点では、システムのエネルギー (したがってその状態) の変化はそれほど急激ではないため、プロセス全体が大幅にスピードアップします。画像出典: リエージュ大学/S.Dengis

この研究は、理論と実験をどのように組み合わせて量子物理学の具体的な進歩を促進できるかを示しています。リエージュ大学の研究者たちは、数学的概念、基礎物理学、実験の実現可能性を組み合わせることで、かつては理論だったものを未来の技術に変える可能性のある画期的な進歩を遂げました。

量子重ね合わせとは、量子系 (原子、電子、光子など) が観測されずに同時に複数の状態になり得ることです。この概念を説明するために最も一般的に使用される例は、シュレディンガーの猫、つまり箱に閉じ込められた猫です。量子力学によれば、箱を開けるまで猫は生きていると同時に死んでいる。この 2 つの状態の同時結合を重ね合わせと呼びます。

箱を開けて観察することによってのみ、自然に生きているか死んでいるかの 1 つの状態を「強制」することができます。 NOON 状態は量子重ね合わせの一例です。すべての原子が同時に左のウェルと右のウェルに存在します。測定の瞬間にのみ、それらのいずれかに表示されます。

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