研究者らが2ミリメートルサイズのダイヤモンドを絡ませることに成功、量子もつれの規模が飛躍的に拡大

量子もつれは、高性能コンピューティングやセキュリティなどに非常に役立つことが期待される、遠隔地での不思議な作用であり、一般的には微小世界の機能と考えられています。2 つの粒子または 2 つの微小な物体を取り上げて、それらの運命を絡み合わせるのは簡単です (簡単ではありませんが、今日では比較的実用的です)。現在、科学者は初めてマクロ スケールでの量子もつれを実現し、ミリメートル サイズのダイヤモンド 2 つを絡ませました。

今週のサイエンス誌に掲載されたこの研究結果は、量子力学と古典力学の両方にとって大きな飛躍となる可能性がある。かなり大きな2つの物体の間で量子もつれが実現したのは初めてであり、しかも室温で実現した。

常連読者ならご存知のとおり、エンタングルメントとは、光子やナノスケールの物体など、2 つの別々の物体を結び付けて、距離に関係なく同じ動作をさせるプロセスです。1 つの粒子に起こることは、たとえ 2 つの粒子が宇宙全体によって隔てられていたとしても、もう 1 つの粒子にも起こります。

オックスフォード大学の研究者らは、約3ミリメートル四方で厚さ1ミリメートルの2つの小さなダイヤモンドを用意しました。彼らは、超高速ポンプ・プローブ分光法と呼ばれる方法で、約100フェムト秒という非常に短いバーストのレーザー光をダイヤモンドに当てました。次に起こったことは複雑です。光は、ダイヤモンド結晶内の分子の配列に何らかの振動を引き起こしました。これらの固有の振動（すべての原子に存在するが、ここでは単に利用されているだけです）は、フォノンモードとして知られています。パルスは両方のダイヤモンドで1つのフォノンモードを励起し、2つの光子も生成しました。これらの光子はダイヤモンドによって散乱され、フォノン状態のエンタングルメントに使用されます。次に、散乱した光子は、ビームスプリッターと単一光子検出器を含む複雑な装置を使用して集められました。

2 つのダイヤモンドは約 15 cm 離れていましたが、光子の 1 つが検出されると、2 つのダイヤモンドはフォノンを共有していました。言い換えると、一方のダイヤモンドに起こったことは、もう一方のダイヤモンドにも起こったということです。研究者は、フォノンを励起解除して別の光子を放出し、その光子自体を検出することで、これを確認しました。エンタングルメントは約 7 ピコ秒続きました。そのため、少なくとも現時点では、量子コンピューターやその他のデバイスで使用するには短すぎます。

「2 つのダイヤモンドサンプルは、量子もつれ状態の特徴である 1 つのフォノンを一貫して共有していました」と、サイエンス誌の論文に付随する展望論文を執筆したミシガン大学の物理学者 L.-M. ドゥアン氏は説明します。「これらの結果は、もつれがミクロな粒子に特有のものではなく、マクロな世界でも現れる可能性があることを示す顕著な例であり、量子力学の基本的なテストを行う将来の研究に使用できる可能性があります。」