物理学者たちは、奇妙な新しい物質状態「量子スピン液体」を私たちに与えてくれた。

固体は、多かれ少なかれ規則的な構造に固定された原子で構成されています。一方、液体は、自由に互いの周りを流れたり通り過ぎたりできる原子で構成されています。しかし、液体のように凍結しない原子を想像してください。ただし、その原子は、常に変化する磁気の混乱状態にあります。

すると、これまで見たことのない物質の状態、量子スピン液体と呼ばれる量子の奇妙な状態が生まれる。現在、研究者たちは原子を慎重に操作することで、この状態を実験室で作り出すことに成功した。研究者たちはその研究結果を12月2日、サイエンス誌に発表した。

科学者たちは何年もの間、スピン液体についての理論を議論してきた。「しかし、ここハーバード大学の理論家たちが、量子スピン液体を実際に生成する方法をついに発見したとき、私たちはこれに非常に興味を持ちました」と、この研究プロジェクトをコーディネートし、論文の著者の一人でもあるハーバード大学の物理学者で博士研究員のジュリア・セメギーニ氏は言う。

地球上では普通見られないような極限の状況下では、量子力学の法則によって原子はさまざまな異様な姿に変形することがある。例えば、白色矮星や中性子星のような死んだ恒星の中心部に見られる縮退物質では、極度の圧力によって原子が亜原子粒子のスラリーに変化する。あるいは、ボーズ・アインシュタイン凝縮では、非常に低温の複数の原子が融合して 1 つの原子のように振る舞う (その生成により 2001 年のノーベル物理学賞が授与された)。

量子スピン液体は、謎の生物図鑑に新たに加わったものです。その原子は、いかなる秩序だった状態でも固定されず、常に変化し続けています。

[関連: IBM の最新量子チップが 100 量子ビットの壁を突破]

名前の「スピン」は、各粒子に固有の特性（上向きまたは下向き）を指し、磁場を発生させます。通常の磁石では、すべてのスピンが慎重な順序で上向きまたは下向きになっています。一方、量子スピン液体では、図に 3 番目のスピンがあります。これにより、コヒーレントな磁場が形成されません。

これを量子力学の難解な法則と組み合わせると、スピンは常に同時に異なる位置にあることになります。ほんの数個の粒子を見ただけでは、それが量子液体であるかどうか、また、もしあるとしても、それがどのような特性を持っているかを判断するのは困難です。

量子スピン液体は、1973年に物理学者フィリップ・W・アンダーソンによって初めて理論化され、それ以来物理学者たちはこの問題の解明に取り組んできた。「さまざまな実験で、この種の状態を作り出し、観察しようと試みてきました。しかし、これは実は非常に困難であることが判明しました」と、ハーバード大学の物理学者で論文著者の一人であるミハイル・ルーキン氏は言う。

ハーバード大学の研究者たちは、新しいツールを手に入れた。彼らが「プログラム可能な量子シミュレーター」と呼ぶものだ。基本的に、これは個々の原子を操作できる機械だ。研究者たちは、特別に焦点を絞ったレーザー光線を使って、ホワイトボード上の磁石のように、2次元グリッド上で原子をシャッフルすることができる。

「各原子の位置を個別に制御できます」とセメギーニ氏は言う。「原子を個別に、望む形や形状に配置することができます。」

さらに、量子スピン液体の作成に成功したかどうかを実際に判断するために、研究者たちは量子もつれと呼ばれる現象を利用しました。原子にエネルギーを与えると、原子は相互作用し始め、ある原子の特性の変化が別の原子に反映されます。これらのつながりを観察することで、科学者たちは必要な確認を得ました。

これらすべては、抽象的な物質を抽象的な物質のために作っているように見えるかもしれないが、それが魅力の一部だ。「私たちは、それを触ったり、突いたり、遊んだり、ある意味ではこの状態と対話したり、操作したり、望むことをさせたりすることができるのです」とルーキン氏は言う。「それが本当にエキサイティングなことです。」

しかし、科学者たちは量子スピン液体にも価値ある応用があると考えています。量子コンピューターの領域に踏み込んでみましょう。

量子コンピュータは、従来のコンピュータをはるかに凌ぐ可能性を秘めています。現在のコンピュータと比較すると、量子コンピュータは分子などのシステムのより優れたシミュレーションを作成でき、特定の計算をはるかに速く完了できます。

しかし、科学者が量子コンピューターの構成要素として使用しているものは、物足りないところがある。キュービットと呼ばれるこれらのブロックは、多くの場合、個々の粒子や原子核のようなもので、わずかなノイズや温度変動にも敏感だ。配列の仕方で情報が保存される量子スピン液体は、それほど扱いにくいキュービットではないかもしれない。

セメギーニ氏は、研究者が量子スピン液体を量子ビットとして使用できることを実証できれば、まったく新しい種類の量子コンピューターが実現する可能性があると語る。