量子マシン

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。マクロな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。^[要出典] その結果、量子運動状態は極低温の特殊な状況でのみ観察されてきた。マクロな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。

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で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た。オコネルと彼の同僚は、小さな踏み台に似た機械共振器と、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キュービットを結合した。彼らは、共振器を少量と大量に同時に振動させることに成功した。これは古典物理学では不可能な効果である。機械共振器は、肉眼で見える程度の大きさで、人間の髪の毛の幅とほぼ同じだった。^[4]この画期的な研究は、その後2010年3月にネイチャー 誌に掲載された。^[5]サイエンス 誌は、最初の量子マシンの誕生を2010年の「ブレークスルー・オブ・ザ・イヤー」と宣言した。 ^[6]

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が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。たとえば、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] O'Connell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、フィルムバルク音響共振器[5]を構築しました。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]

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可能性があります。この特性により、共振器を超伝導位相量子ビットと結合することができました。超伝導位相量子ビットは、量子状態を正確に制御できる 量子コンピューティングで使用されるデバイスです。

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る。共振器を基底状態に冷却することは、すべてのフォノンを除去することと同等であると考えられる。その後、チームは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ができた。チームはまた、量子ビットが同時に2つの状態を重ね合わせた状態を機械共振器に転送することができた。^{[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」ことを意味する。^[9]振動は、破壊的な外部の影響によって破壊されるまで、わずか数ナノ秒しか続かなかった。 ^[10]ネイチャー誌の論文で、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適用されるという強力な証拠を提供している」と結論付けた。^[5]

^  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照してください。

• Cho, Adrian (2010-12-17). 「今年のブレークスルー: 最初の量子マシン」. Science . 330 (6011): 1604. Bibcode :2010Sci...330.1604C. doi :10.1126/science.330.6011.1604. PMID  21163978.
• Brumfiel, Geoff (2010-03-17). 「科学者が量子力学を超大型化」. Nature . doi : 10.1038/news.2010.130 .
• Aaron D. O'Connell、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 日にアーカイブ(博士論文)