最も重いシュレディンガーの猫は、振動の 2 つの状態の重ね合わせに小さな結晶を配置することによって達成されました。

量子物理学者でなくても、シュレディンガーの有名な猫のことは聞いたことがあるでしょう。 Erwin Schrödinger は、1935 年の思考実験で、同時に生きていると同時に死んでいる可能性のある猫を思いつきました。この明らかな矛盾 – 結局のところ、日常生活では生きているか死んでいる猫しか見ないため、科学者は試してみることになりました。状況を理解するため in vitro で同様。 これまでに、例えば原子や分子を量子力学的な重ね合わせ状態で同時に 2 か所に存在させることで、これを行うことができました。

ETH では、固体物理学研究所の教授である Yiwen Chu が率いる研究チームが、小さな結晶を 2 つの振動状態の重ね合わせに配置することにより、劇的に重いシュレディンガーの猫を作成しました。 結果は今週、ジャーナルに掲載されました 科学、より強力な量子ビットにつながり、巨視的な世界で量子重ね合わせが観察されない理由の謎に光を当てる可能性があります。

箱入り猫

シュレーディンガーの最初の思考実験では、放射性物質、ガイガー カウンター、毒の入ったバイアルが入った金属製の箱の中に猫が閉じ込められています。 与えられた時間枠 (たとえば 1 時間) で、物質中の原子は一定の確率で量子力学的プロセスを経て崩壊する場合と崩壊しない場合があり、崩壊生成物がガイガー カウンターを爆発させ、バイアルの入ったバイアルを粉砕するメカニズムを引き起こす可能性があります。最終的に猫を殺す毒。

外部の観察者は、原子が実際に崩壊したかどうかを知ることができないため、猫が生きているか死んでいるかもわかりません. (シュレディンガーのアイデアは、チューリッヒのハッテン通り 9 番地にあった彼のかつての家の外にある等身大の猫の像によって記念されています。)

「もちろん、実験室では、体重が数キロの実際の猫でそのような実験を行うことはできません」と Zhou は言います。 代わりに、彼女と彼女の同僚は、元の原子を表す超伝導回路を備えた、猫を表す振動結晶を使用して、いわゆる猫状態を作成することに成功しました。 この回路は基本的に、論理状態 “0” または “1”、または両方の状態の重ね合わせ “0 + 1” を取ることができる量子ビットまたは量子ビットです。

量子ビットと結晶「猫」の間のリンクは、ガイガーカウンターや毒ではなく、結晶が振動して形状が変化するときに電場を作り出す圧電材料の層です。 この電場を量子ビットの電場と結合させることで、量子ビットの重ね合わせ状態を結晶に伝えることができます。

反対方向への同時振動

その結果、クリスタルは同時に 2 方向 (上下と上下) にスイングできるようになりました。 この 2 つの方向は、猫の「生きている」または「死んでいる」状態を表します。 「水晶の振動の 2 つの状態を重ね合わせることで、効果的に 16 マイクログラムのシュレディンガーの猫を作成しました」と Zhou 氏は説明します。 これはおおよそ砂の細かい粒子の質量であり、猫ほど大きくはありませんが、それでも原子や分子より数十億倍も重く、これまでで最も太った量子猫になっています。

ぐらつきが本当の猫の状態であるためには、肉眼で区別できることが重要です。 これは、「アップ」状態と「ダウン」状態の間の分離が、結晶内の原子の位置の熱的または量的な変動よりも大きくなければならないことを意味します。 Zhou と同僚は、超伝導キュービットを使用して 2 つの状態の空間分離を測定することにより、これを調べました。 測定された距離は 10 億分の 1 メートル (実際には原子よりも小さい) にすぎませんでしたが、状態を明確に区別するには十分な大きさでした。

猫のケースで小さな外乱を測定する

将来、Chu はクリスタル キャットのブロック限界をさらに押し上げたいと考えています。 「実際の猫の巨視的な世界で量子効果が消える理由をよりよく理解できるようになるので、これは興味深いことです」と彼女は言います。

このやや学術的な関心に加えて、量子技術への応用の可能性もあります。 たとえば、量子ビットに格納された量子情報は、現在実施されている単一の原子やイオンに依存するのではなく、結晶内の多数の原子で構成される猫状態を使用することで、より堅牢にすることができます。 また、重ね合わせ状態にある大質量天体の外部ノイズに対する極端な感度を利用して、重力波などの小さな摂動の正確な測定や暗黒物質の検出を行うことができます。