一つずつ跳ぶ音の量子をとらえた

ギターの弦をはじくと、音はなめらかに消えていく。ところが量子力学は、振動するあらゆる物体のエネルギーが、とびとびの粒としてやってくると予言する。音の量子、フォノンだ。問題は、物体の動きを見ていてもフォノンは見えないということだ。位置を測っても、見えるのは古典的な振動子とまったく同じ、なめらかな指数関数的減衰だけである。

粒を明らかにするには、エネルギーそのものを、しかもそれを乱さずに測らなければならない。いわゆる量子非破壊測定だ。こうしたエネルギー準位間の跳躍が最初に観測されたのは、捕捉された一個のイオンで、次に共振器に閉じ込められた光の粒子だった。アミール・サファヴィ=ナエイニ(Amir Safavi-Naeini)率いるスタンフォード大学とSLACのチームが、今回それを振動する物体で実現した。

量子ビットの上に浮かぶ結晶

振動する物体は、ニオブ酸リチウムの小さな塊だ。この結晶は振動を電圧に変える。塊は、周期的な穴の開いた梁の中央にある。穴は音響的な鏡として働き、振動を内部に閉じ込める。その有効質量は約0.2ピコグラム、つまり1兆分の1グラムの5分の1だ。

検出器は超伝導量子ビットで、量子コンピューターに使われるのと同じ種類の回路である。二つの部品は別々につくられ、その後、精密な接合装置が結晶を量子ビットの上に押しつけて貼り合わせる。こうして塊は、量子ビットのわずか75ナノメートル上に浮かぶ。

結合のしくみはこうだ。塊の中のフォノン一個ごとに、量子ビットの周波数が328キロヘルツずれる。短いパルス列のタイミングを合わせると、フォノンの数が偶数なら量子ビットは一方の状態に、奇数ならもう一方の状態に落ち着く。実際には塊にはフォノンが多くても一個しかないので、これは単純な問いになる。**ゼロか、一か。**一回の確認にかかる時間は約12マイクロ秒だ。

跳躍

まずチームは、一個のフォノンを見分けることを学んだ。一回の確認が正しいのは約68%にすぎないので、確認を繰り返す。「フォノン一個」という答えが6回続けば、塊がちょうど一個のフォノンをもつ確率は85%になる。

それから彼らは問い続けた。294回連続でだ。生の答えを見るだけで、それはわかる。ほとんどが「一」の長い区間のあと、突然ほとんどが「ゼロ」に切り替わる。塊はエネルギーを少しずつ漏らしたのではなかった。一個のフォノンを一回の跳躍で失ったのだ。その瞬間はランダムで、測定ごとに異なっていた。跳躍の時刻は指数法則に従う。これは、自発的で記憶のない過程の特徴だ。

それを可能にした数字

• この塊の中で、フォノンは2.1ミリ秒生き延びる。著者らは、ギガヘルツ帯のこの種の共振器としては並外れて長いと述べている。その理由として二つの選択を挙げる。共振器にはどんな金属も触れていないこと、そしてその上面が、加工に使うイオンビームに一度もさらされていないことだ。
• これにより、フォノンの寿命一回分のあいだに約170回の確認ができる。
• 一回の確認でフォノンが無傷で残る確率は約**99%**だ。このわずかな乱れによって、観測されているあいだのフォノンの寿命は約0.65ミリ秒に縮む。
• 総合的な性能指数である協同性(cooperativity)は300万を超える。著者らによれば、ほかの量子音響プラットフォームより10倍優れている。

音でできた量子ビットに向けて

著者らの次の段階は、二つの機械共振器が一つの量子ビットを共有する「デュアルレール」型の量子ビットだ。そこでは、フォノンが失われることが検出可能な誤りになる。彼らの貼り合わせ技術を使えば、同じチップに複数の共振器を載せられる。彼らはセンサーへの応用も挙げている。これほど軽く、これほど長く振動する物体こそ、一個の分子の重さを量るのに必要なものだ。

いまのところ、測定にはまだ限界がある。一回の確認は完璧からほど遠く、フォノンがゼロ個か二個かを区別できない。著者のうち二人はAmazon Scholarsであり、Amazon Web Servicesがこの研究に資金を提供している。

量子跳躍はこれまで、原子で、光で観測されてきた。そしてこの実験によって、音でも観測された。