量子法則の概念を変えたシュレーディンガー猫

・研究者は、20個の絡み合った量子をシュレーディンガー猫の状態に変換します。

・これは、2011年に確立された14キュービットの古い記録を塗り替えます。

・このような重ね合わされた状態は、量子計測から量子計算に至るまで、さまざまなアプリケーションに重要なリソースを提供する可能性があります。

1935年、オーストリアの物理学者エルヴィン・シュレーディンガーが思考実験を考案しました— パラドックスと呼ばれることもあります —猫を青酸、ハンマー、少量の放射性物質と一緒に鋼鉄の部屋に閉じ込めます。

放射性物質の原子の1つが崩壊する可能性は50％あり、崩壊すると、リレーメカニズムでハンマーが作動し、青酸の小さな閃光を粉砕し、最終的に猫を死に至らしめます。

シナリオは、死んでいる場合と、生きている場合の２つのシナリオを作っています。 箱を開けるまで、猫が死んでいるか生きているかはわかりません。

シュレーディンガーはこの思考実験を使用して、量子力学の基本原理である量子重ね合わせとして知られる状態を説明しました。 量子法則によれば、原子または光子は、さまざまな結果に対応する複数の状態（重ね合わせ）で存在する可能性があります。

科学者たちは、光波の干渉を分析することにより、重ね合わせの存在を証明しました。 彼らは、量子状態の重ね合わせを実現するために、過去40年間にわたって数多くの実験を行ってきました。

しかし、猫は非常に敏感であるため、ごくわずかな環境の変化でも影響します。 したがって、シュレーディンガーの猫では、ごく少数の量子ビットしか実現できませんでした。

近年、研究者の国際チームは、20個のもつれ量子ビット（キュービット）をシュレーディンガー猫の状態に変換しました。 これは、2011年に記録された14キュービットを更新しました。このような重ね合わせの状態を作り出すことは、量子コンピューティングの進歩における重要なステップです。

どのように行ってきたのか?

一度に1つの特定の値（1または0）しかない従来のビットとは異なり、キュービットは重ね合わせの原理により、同時に複数の状態を持つことができます。 したがって、複数の値を1つのステップで（並行して）格納し処理できます。

ここでは、量子ビットの数が重要な役割を果たします。 たとえば、20キュービットの場合、1,000,000を超える重畳回路状態が存在する可能性があります。 また、300キュービットは、1千兆ビギンティリオン（1081）個以上の粒子（または宇宙全体の原子数以上）を格納できます。

研究者はシュレーディンガーの猫の状態を実現するために、20キュービットでリュードベリ原子の配列に基づくプログラム可能な量子シミュレーターを使用しました。 この手順では、レーザービーム（赤）を使用して、ルビジウムの個々の原子を一列に並べて配置しました。 この方法は、光ピンセットとも呼ばれます。

レーザービーム（赤）はルビジウム原子と繫がります。 別のレーザー（青）が一部の原子を刺激して、それらのシェルが隣接する原子と結合するようにします | 提供: Tobias Schlößer

次に、別のラスター（青）を使用して、原子を特別な状態（リュードベリ状態）にしました。この状態では、電子は原子核から遠く離れています。 通常、この複雑なプロセスには時間がかかりすぎ、重ね合わされた状態は、測定する前であっても破壊されます。

研究者はこの問題を解決するために、レーザーを最適な速度で巧みにオンとオフに切り替えました。 これで、プロセスがスピードアップし、新しい記録が作られました。

一部の原子は、それらの原子殻が隣接する原子と結合して、同時に2つの反対の構成、つまりすべての奇数および偶数のサイトを占める励起を生成するように膨張しました。 それがチームがグリーンバーガーホーンツァイリンガー状態と呼ばれる反対の構成の重ね合わせを形成する方法です。

このようなシュレーディンガー猫の状態はグリーンバーガーホーンツァイリンガータイプで、量子計測や量子ネットワーキングから量子エラー訂正や量子計算に至るまで、さまざまなアプリケーションに重要なリソースを提供します。