粒子を完全に停止させる稀有な量子効果が、科学者らによって再現された。実験はハイブリッド量子コンピューターで行われた。Oxford大学の研究者らは、粒子が磁場を通過せずにその影響を受け得ることを示すAharonov-Bohm効果を再現する中で、目に見えない磁気効果がシミュレーションされた粒子を完全に停止させたことを観察した。結果はNature Physics誌に掲載された。研究では、量子情報の基本単位であるキュービットと、振動運動を表す量子振動子を組み合わせ、古典コンピューターでのシミュレーションがますます困難になる物質と場の相互作用が調べられた。
この効果は1959年に物理学者Yakir AharonovとDavid Bohmによって予言されていた。帯電した粒子は、磁束を含む領域の完全に外側を通過した場合でも、量子位相において測定可能な変化を経験し得る。位相そのものは直接見ることはできない。それにもかかわらず、位相差は測定可能な効果を生じさせ、この予言は後に実際の電子を用いた実験で確認された。
今回の焦点は格子ゲージ理論だった。研究者らは、物質と基本力に関係する場との相互作用を記述するこれらの理論において、同じ現象を調べている。空間はここでは格子のように表される。物質は点に、場はこれらの点の間の接続部に位置する。素粒子物理学と高エネルギー物理学で重要なこれらのモデルの数学は、系が複雑になるにつれて、強力な古典コンピューターでさえも困難に陥れる。量子シミュレーションは、同じ基本ルールに従う別の量子系を構築し、その振る舞いを直接観察することに基づいている。
プロジェクトは2022年に始まった。研究の筆頭著者はDr. Sebastian Sanerで、Dr. Oana Bazavan、およびマドリードのInstituto de Física TeóricaのDr. Alejandro Bermudezと共同研究が行われた。実験では2つの構成要素が用いられた。電磁場によってその場に保持された荷電原子の内部状態に符号化されたキュービットがゲージ場を、同じイオンの振動からなる振動子は物質を表した。2つの振動子が2つの位置にある物質を、2つのキュービットがこれらの位置を結ぶ場を表し、単純な環を形成した。
チームは磁束をキュービットに符号化した。2つのキュービットは、環の中心を通過する磁束を表すもつれた量子状態に置かれた。当初の計画は異なっていた。磁束は固定された背景条件として追加される予定だったが、使用されたハードウェアはこのアプローチを直接実装するのに適していなかった。磁束をキュービットに符号化することは実用的な代替案となり、磁束を発展していく系の一部にした。Dr. Sanerは「私たちにとって刺激的な一歩は、磁束をそれ自体が動的であるゲージ場に符号化したことです」と述べている。
シミュレーションはトンネル効果を試した。磁束がない場合、粒子は環内を自由にトンネルすることができた。磁束が加えられると、2つの可能な経路の相対的な位相が変化し、経路は破壊的干渉によって互いを打ち消し合い、トンネル効果は完全に抑制された。粒子は初期状態で凍結した。その結果、Aharonov-Bohm効果が動的な場を含む格子ゲージ理論で示されたことになる。
研究成果は同時に発表された。Norbert Linke教授が率いるメリーランド大学のチームも、湯川ポテンシャルをシミュレートする関連研究を実施した。2つのグループは手法を独立して開発した。しかし論文はNature Physics誌に連携する形で投稿された。
なぜ重要なのか
この実験は、量子コンピューターが古典マシンでは対応が難しい物理問題に適用できることを、具体的な例で示している。素粒子物理学と高エネルギー物理学の基本モデルである格子ゲージ理論は、系が複雑になるにつれて最も強力な古典コンピューターさえも上回るため、ハイブリッドシミュレーターはこのボトルネックに対する代替の道を提示している。キュービットとオシレーターを同一ハードウェア上で組み合わせる設計が、しかも計画外のハードウェア制約から生まれたことは、限られたリソースでより複雑な系を表現できることを示唆している。2つの独立したチームが異なる手法で開発した研究を同じ雑誌で同時に発表したことは、この知見が単一の研究室に固有のものではないことを裏付けている。未解決のまま残る問いは、このアプローチをより大規模で現実的な物理系に拡張できるかどうかである。