オックスフォード大学の物理学者らは、新しいクラスの「猫状態」（通常の波数からではなく、非常にエキゾチックで非古典的な成分から構築される量子重ね合わせ）を設計し、より耐久性の高い量子コンピューターへの予期せぬ道を切り開いた。
量子力学は、システムが反対の状態の重ね合わせで存在するシュレーディンガーの猫を通じて最も有名に、古典的な直観に反対します。このような重ね合わせは量子技術の中心です。量子の「猫」状態は調和振動子で実現されていますが、その応用は主にフォック状態、変位状態、またはゴッツマン・キタエフ・パースキル状態に限定されています。発振器が直交軸に沿って圧迫され、その位置変動がハイゼンベルグ限界よりも大きくなったり小さくなったりする、別のクラスの巨視的重ね合わせが過去に提案されているが、依然として実現されていない。エプロン 他。我々は、シュレーディンガーの猫のこれらの「兄弟」の実験的実現を可能にするハイブリッドイオンスピン発振器システムを提案する。画像クレジット: Saner 他.、土井: 10.1103/k1xk-yt42。
「古典物理学とは異なり、量子力学では物体が同時に複数の状態で存在することが可能です」とオックスフォード大学のセバスティアン・セナー博士とその同僚は述べた。
「この考えはシュレーディンガーの猫によってよく例証されます。シュレーディンガーの猫は、観察されるまで生きて死ぬと想像します。」
「実験室では、物理学者は原子、光、または運動を一度に 2 つの別々の量子状態に置くことで、この効果のそれほど劇的ではないが非常に現実的なバージョンを作成できます。」
「これらの重ね合わせを作成し制御することは、量子コンピューティングから正確な時間管理に至るまでのアプリケーションにとって不可欠です。」
「簡単な例は、0 と 1 の両方を重ね合わせた量子ビット、つまり量子ビットです。しかし、量子システムは 2 つの状態だけに限定されません。」
「多くの異なるエネルギーレベルを占めることができる量子調和振動子には、より豊かな可能性があります。」
「量子調和振動子は、光、振動、捕捉された粒子の運動など、多くの物理システムを記述し、さまざまな量子の重ね合わせを作成するために使用されてきました。」
「よく知られた例の 1 つは、反対方向に移動する 2 つの波束の重ね合わせに発振器が置かれている猫の状況です。」
「コヒーレント状態として知られるこれらの波束は、量子力学が許す限り古典運動に似ています。」
新しい研究で、サナー博士と共著者は、量子重ね合わせの新しいファミリーを実証しました。
彼らは、コヒーレントモードの波数から猫のようなモードを構築する代わりに、それ自体が非常に非古典的である多種多様な成分から重ね合わせを作成する方法を開発しました。
スクイーズされた状態の重ね合わせなどの例では、量子不確実性は状態の各部分で異なる方法で再分配されます。
「実験では、捕捉された1つのイオンの運動が利用された」と物理学者らは述べた。
「トラップされたイオンは、2 つの異なるタイプの量子システムを組み合わせています。その内部状態は量子ビットのように動作し、その運動は多くの異なる運動状態を捕捉できる量子調和振動子のように動作します。」
「これにより、通常の量子ビットを超えた量子状態をエンジニアリングするための強力なプラットフォームになります。」
これらの状態を作成するために、研究者らはまず、操作された相互作用を使用して、イオンの内部状態をさまざまな可能な運動状態と絡み合わせました。
次に、内部状態の中間円量子測定により、イオンの運動が非古典成分の選択された重ね合わせに投影されました。
「このアプローチにより、量子の重ね合わせをほぼあらゆる形状に加工するツールが得られました」とセナー博士は述べています。
この方法により、研究者は自分たちが作り出した状況をプログラム可能に制御できるようになりました。
実験設定を変更することで、成分の相対的なサイズ、回転、分離を調整し、同じトラップされたイオン系でさまざまなエキゾチックな運動の重ね合わせを発生させることができました。
科学者たちはまた、彼らが作成した量子状態を直接再現しました。
再構成により、摂動パターンとウィグナー否定性の領域が明らかになりました。これは、状態が通常の古典的な混合物として記述できないことの特徴です。
これらの特性により、この実験により、真に非古典的な運動モードの実際の量子重ね合わせが生成されたことが確認されました。
著者らは現在、理論家と協力して、これらの状態がどの程度「量子」であるかをより正確に決定している。
同じくオックスフォード大学のラガベンドラ・スリニバス博士は、「私たちが作ったものを見せたときの同僚たちの反応に本当に勇気づけられました」と語った。
「実用化に関しても、こうした状況をより基本的なレベルで理解するためにも、私たちはまだ可能性の表面をなでているだけだと信じています。」
チームの論文は今月の雑誌に掲載されました 身体検査 X。
_____
S.シニア 他。 2026. 非古典調和量子発振器状態の任意の重ね合わせを生成。 物理的な牧師X 16、021049;土井: 10.1103/k1xk-yt42
