18歳が一流誌に「量子もつれ」論文を掲載
 18歳の青年が、量子コンピューター実現等のカギを握る「量子もつれ」を扱った論文を、世界有数の権威ある物理学誌『Physical Review A』に発表した。15歳から量子の世界に取りつかれたという彼の子ども時代等を紹介。物事は一直線に進んだわけではなかった。
 
 アリ・ディコフスキーは15歳のときに、PBSのドキュメンタリー番組で物質の新たな相であるボース=アインシュタイン凝縮(BEC)の生成に取り組む物理学者たちを知った。そのとき直観に反する量子の世界に魅了され、同時に、人々がこれまで見たことのないものを生涯をかけて作り出すという考えに心を打たれた。
 
 「BEC」は、1920年代にアルベルト・アインシュタインとインドの科学者サティエンドラ・ボースによってその存在を予言されていたもので、固体でも液体でも気体でもない。プラズマでもない。超低温状態でのみ生じ、不可思議な量子力学特性を示すBECは、そのいずれとも異なる物質相であり、複数の原子が集まってひとつの「超原子」として振る舞い、粒子が波のような挙動を示すものだ。

QuantumTheory

 現在18歳になったディコフスキーくんは、「BEC」とはまた別の量子世界の奇妙な現象である「量子もつれ」に関する研究論文を、世界有数の権威ある物理学誌『Physical Review A』に5月29日付けで発表した。

 共同量子研究所(Joint Quantum Institute)に所属する研究者スティーブン・オルムシェンクを共著者としているが、「すべての力ずくの計算や、その他の細かな作業のほとんどをアリが担当した」とオルムシェンク氏は言う。「確かに彼は若いが、主著者にふさわしい」。(共同量子研究所は、米国立標準技術研究所(NIST)とメリーランド大学カレッジパーク校が共同して運営する研究機関だ。)

 この論文は、空間的に離れていて、そして非常に違いの大きいふたつの粒子を、光を使ってもつれ状態にする方法についての理論的解析であり、解析の約90%はあらゆる可能性を試すための「力ずくの計算」からなる。この論文は、技術研究の究極の目標とも呼ばれる量子コンピューター開発の試みに新たな境地を開く内容となっている。(WIRED)

 異なる粒子間にも「量子もつれ」が成立する?
 1930年代半ばにアインシュタインらが初めて考察した量子もつれとは、物理的に離れているふたつの粒子が、互いに影響を及ぼしあう状態を指す。われわれになじみ深い古典物理学の世界では、このような状態は常識的には考えられない。しかし量子力学の世界では、いたって現実的な現象だ。簡単に説明すると、量子もつれの状態では、ひとつの粒子の量子特性が変化すると、もうひとつの粒子にも変化が生じる。

 量子テレポーテーションを使えば、情報を量子コンピューター内のある場所から別の場所へ移動させることが可能だ。IBM研究所のチャールズ・ベネットによると、問題は、たとえこれが実験室の外で使えたとしても「複数の大きな障壁」が存在することだ。ディコフスキーくんは論文の中で、互いに似通っている粒子どうしではなく、互いに大きく異なる粒子の間に量子もつれ状態を生じさせる方法を示した。

 「過去のほぼすべての研究、また現在行われているほとんどの研究でも、対象となっているのは同一の原子やイオンなど、互いに違いのないふたつの量子メモリ間での長距離もつれだ」とディコフスキーくんは述べている。「われわれは、同一の物質同士のもつれだけでなく、非常に異なる物質間のもつれにまで知見を広げた」

 互いに異なる粒子は、それぞれ量子コンピューターの異なる場所に用いるのに適しているため、利点が大きい。そうした粒子の中には、メモリとして用いるのに適しているものもあれば、プロセッサーに適しているものもある。「量子ビット(キュービット)を、例えば光子(フォトン)状態からイオン状態や核スピン状態、量子ドット状態へと移行させるように、ある物理的形態から別の形態へと移行させることは重要だ」とベネット氏は述べている。

 「量子情報の保存手段として、何十ものシステムが提案されている。情報をひとつの形態から別の形態へと移行させるための知識を増やせば、それだけ量子コンピューターの実用化に近づくことになる」

 ディコフスキーくんは今回の論文で、Intel Foundationから50,000ドルの奨学金を得た[Intel ISEF(国際学生科学技術フェア)で次点となった。以下の動画はISEFでのインタヴュー]。そしてスタンフォード大学への入学も決まった。しかし、それは古典的な世界での話にすぎない。彼は量子の世界において、もっと進んだところにいるのだ。(WIRED)

 「量子もつれ」は時間も超越する?
 2つの粒子が互いに相関を持つ「量子もつれ」の現象は、空間的に離れた粒子間だけでなく、時間的に離れた粒子間でも成立しうるとする研究論文が発表された。奇妙な量子物理学の世界において、互いに相関を持つ2つの粒子は、たとえ何マイルと離れた距離にあっても、同じ運命を共にする。量子もつれと呼ばれるこの不思議な現象について、距離だけでなく、時間的に離れている粒子どうしでも互いに相関を持ちうることを、このほど2人の物理学者が数学的記述によって示した。

 「ある量子状態を、途中の時間を飛ばして未来へと”送る”ことが可能だ」と、今回の研究論文の主執筆者である、オーストラリアのクイーンズランド大学の量子物理学者S. Jay Olson氏は話す。

 通常の量子もつれにおいては、2つの粒子(通常は電子か光子)は密接に相関し、1つの量子状態(これにはスピンや運動量その他、多くの変動要因がある)を共有している。1つの粒子は、もう一方の粒子の状態を常に「知って」いる。量子もつれの関係にある一方の粒子の状態を測定すると、もう一方の状態も同時に定まる。

 一方の粒子を、もう一方の粒子を抜きにして記述することが不可能であるならば、このことは理論上、空間だけでなく時間にも当てはまるはずだ。

 主に物理学系の論文を扱うプレプリント・サーバー『arXiv.org』でこのほど公開された研究論文において、Olson氏と、同じくクイーンズランド大学のTimothy Ralph氏は、量子もつれを利用する既存の手法をもってすれば、量子メッセージをある場所から別の場所へ送信するだけでなく、過去から未来へ送信することも可能であることを数学的に示した。

 「われわれの言うところの時間的もつれを利用すれば、(量子メッセージは)時間内を、途中のポイントを飛び越えて移動することがわかる」とOlson氏は話す。「数学的には何の違いもない。通常の量子もつれにおいてできることはすべて、時間的もつれにおいても可能なはずだ」(WIRED)

参考HP WIRED:18歳が一流紙に「量子もつれ」論文掲載 量子もつれは時間も超越

量子もつれとは何か―「不確定性原理」と複数の量子を扱う量子力学 (ブルーバックス)
クリエーター情報なし
講談社
量子力学の反常識と素粒子の自由意志 (岩波科学ライブラリー)
クリエーター情報なし
岩波書店

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