アインシュタインが量子について間違っていたことを確認するために量子ビットは30メートルを使用 – Ars Technica

新しい実験では、超伝導量子ビットを使用して、量子力学が、2つの物体の分離の大きさに関係なく、1つの量子系として動作することを許可することにより、いわゆる局所実在論に違反することを証明しました。 この実験は、局所的実在論が宇宙の仕組みではないことを示した最初の実験ではなく、量子ビットを使ってそれを示した最初の実験ではない。

しかし、測定中に光が量子ビット間を移動する速度が十分でないことを保証するのに十分な距離だけ量子ビットを分離したのは彼らが初めてです。 これは、長さ 30 メートルのアルミニウム ワイヤーを数ミリケルビンまで冷却することで実現しました。 量子ビットは制御が非常に簡単であるため、この実験はこの種の測定に新しい精度を提供します。 そして、ハードウェアの準備は、将来の量子コンピューティングの取り組みにとって不可欠である可能性があります。

リアリズムについて真剣に取り組む

アルバート・アインシュタインが量子もつれの影響の一部に不快感を抱いていたことは有名です。 量子力学が正しければ、絡み合った一対の物体は、それらの間の距離に関係なく、単一の量子系として動作します。 一方の状態を変更すると、もう一方の状態も即座に変更される必要があります。これは、変化が 2 つのオブジェクト間を光が移動する可能性よりも速く起こるように見えるためです。 これはほぼ間違いなく間違いである、とアインシュタインは主張した。

長年にわたり、人々はいわゆる隠れ変数、つまり物体間で共有される物理的特性のさまざまなバージョンを提案してきました。これにより、もつれのような動作を可能にし、その動作を決定する情報を局所的に保ちます。 隠れた変数は、いわゆる「局所的現実主義」を維持しますが、実際には私たちの現実を説明していないことが判明しました。

物理学者のジョン ベルは、ローカル変数のすべてのフレームワークが、量子オブジェクトの動作を関連付けることができる程度を制限していることを示しました。 しかし、量子力学では相関関係はさらに高いと予想されています。 絡み合った粒子のペアの挙動を測定することで、それらがベルの方程式に違反するかどうかを判断でき、隠れた変数がそれらの挙動を説明できないことを明確に証明できます。

この実証に向けた最初のステップは、隠れ変数に関しては不十分でしたが、抜け穴は許容されました。ベルの不等式は破られましたが、情報が光の速度で量子物体間を移動する可能性は依然としてあります。 しかし過去数十年でその抜け穴は徐々に塞がり、ノーベル賞が授与されるようになった。

では、なぜ実験に戻るのでしょうか? その理由の 1 つは、量子ビットによってシステムを大幅に制御できるため、多数の実験を迅速に実行し、このもつれの挙動を調査できるためです。 それは、興味深い技術的課題を提示しているからでもあります。 超伝導量子ビットはマイクロ波放射によって制御され、そのもつれにはいくつかの非常に低エネルギーのマイクロ波光子を 2 つの間で移動させる必要があります。 そして、環境騒音によってすべてが損なわれることなくそれを実現することは、重大な課題です。

30メートルの距離での恐ろしいアクション

ベルの不等式を破るのは、絡み合った粒子を繰り返し測定し、それらの状態が相関していることを示すという比較的単純な問題です。 この相関関係が臨界値を超えた場合、隠れた変数ではこの動作を説明できないことがわかります。 そして、トランスラットと呼ばれる超伝導量子ビットは、測定が簡単、正確、高速になるように作られています。 したがって、この部分は簡単です。

これらの測定における大きなギャップの 1 つを取り除くことが、難しいところになります。 測定値の相関関係は、光の速度で伝わる情報によって媒介されることはできないことを示す必要があります。 測定に必要な時間は非常に短いため、光がそれらの間を通過する前に測定が完了できるように、2 つの量子ビットを十分な距離だけ離す必要があることを意味します。 チューリッヒ工科大学の新しい研究チームは、測定にかかる時間を基に、30メートルあれば十分であると計算した。

これは別の研究室の建物の廊下のすぐ下にありますが、環境ノイズの海で簡単に失われる可能性がある低エネルギーのマイクロ波光子の使用を含むエンタングルメントプロセスのため、30メートルは非常に困難です。 実際には、これは、これらの光子に付着しているものはすべて、量子ビット自体と同じミリケルビン温度に保たれなければならないことを意味します。 したがって、マイクロ波の導波管として機能する長さ 30 メートルのアルミニウム線は、絶対零度より数分の 1 度高い温度まで冷却する必要があります。

実際には、これは、ワイヤのアクセスを冷却するために構築されたアセンブリ全体を、両端に量子ビットを含む液体ヘリウム冷却システムに与え、30 メートルのチューブの中心点に別の冷却システムを構築することを意味しました。 また、冷却すると全体が急激に収縮するため、システムには柔軟な内部接続と外部サポートも必要でした。

しかし、それはすべて見事にうまくいきました。 量子ビットのパフォーマンスのおかげで、研究者はわずか 20 分で 100 万件を超える個別の実験を実行できます。 結果として得られた相関は、ベルの方程式で設定された制限を驚異的な 22 標準偏差上回りました。 さまざまな言い方をすると、結果の p 値は 10 未満でした。^-108。

これからのこと？

システムのパフォーマンスを制限する 2 つの主な要因は、量子ビットのエラーと量子ビットのもつれに使用される光子の損失です。 研究者らは、両方を改善できると考えており、量子ビットがベル不等式の最も厳密なテストになる可能性があると考えています。 しかし、量子ビットがどのように絡み合うかによって、この研究はより重要になる可能性がある。

超伝導量子ビットを扱っている人は皆、最終的には数千個の量子ビットを単一の量子コンピューターに結合する必要があると言っています。 残念ながら、これらの量子ビットのそれぞれはチップ上に多くのスペースを必要とするため、数百個を超える量子ビットを備えたチップを製造するのは困難です。 そのため、GoogleやIBMなどの大手企業は、最終的には複数のチップを1台のコンピュータに接続することを計画している（スタートアップのRigettiはすでに取り組んでいることだ）。

ただし、数万ビットの場合、非常に多くのチップが必要になるのは間違いなく、すべてを 1 つのより優れたビットにまとめておくのは困難です。 これは、最終的にはチップをさまざまな冷却システムに接続することになることを意味します。まさにここに示されているものです。 したがって、これは、実際にこれらのタイプのシステム間で量子ビットを相互接続できることを示す重要な実証です。

自然、2023 年。DOI: 10.1038 / s41586-023-05885-0 （DOIについて）。