この記事は、Aofei Temple の Bai Xiaojiao と Xi Xiaofeng によって執筆され、QbitAI WeChat 公式アカウントからのものです。

中国の科学者らが量子物理学の分野で新たな記録を破った。

USTC チームはシュレーディンガーの猫を23 分間生かし続けることに成功しました。

それはどういう意味ですか？

かつて、原子の量子重ね合わせ状態を説明するために、シュレーディンガーの猫の「生きているか死んでいるか」という例えが用いられました。環境が非常に不安定であるため、この状態は数秒または数ミリ秒といった非常に短い時間しか持続しないことがよくあります。

しかし今、この状態の持続時間は飛躍的に向上しました。中国の研究チームは、この量子重ね合わせ状態を1400秒間持続させることに成功しました。

この研究は、中国科学技術大学英才学院の呂正天学院長と合肥国家実験室の研究員である夏天氏が主導し、その成果はNature Photonics誌に掲載されました。

この長寿命のシュレーディンガーの猫状態の生成が実現可能であることが証明されれば、量子物理学の世界における将来の研究にとって大きな意義を持つことになるだろう。

たとえば、磁気の検出と研究、物理学における新しいエキゾチックな効果の探究、さらには極めて安定した量子コンピュータのメモリにも使用できます。

シュレーディンガーの猫は23分長く生きた。

まず、物理学上の 4 つの偉大な神話上の生き物の 1 つである「シュレーディンガーの猫」について簡単に学びましょう。

シュレーディンガーの猫は、オーストリアの物理学者エルヴィン・シュレーディンガーが 1935 年に提唱した有名な思考実験です。

実験を振り返ってみましょう:

密閉された箱の中に猫がいて、毒ガスの入った瓶と放射性原子が入っているところを想像してみてください。放射性原子が崩壊すると、瓶を破裂させる機構が作動し、毒ガスが放出されて猫は死にます。原子が崩壊しなければ、猫は生き残ります。

量子力学では、放射性原子は観測前は崩壊状態と非崩壊状態の重ね合わせで同時に存在します。つまり、箱を開けて観察する前は、猫は死んでいると同時に生きている状態であり、生と死の重ね合わせで存在していることになります。

箱を開けて猫の状態を観察すると、量子重ね合わせ状態は「崩壊」し、猫の状態は「死んでいる」と「生きている」の両方の状態から、「死んでいるか生きているか」のいずれかの状態へと変化します。このプロセスは波動関数の崩壊としても知られています。

2 つ以上の正反対の状態にあるシステムの量子重ね合わせは、シュレーディンガーの猫の状態と呼ばれます。

シュレーディンガーの猫の状態を実験で実現し維持することは、温度や磁場などの環境の乱れによって数秒または数ミリ秒以内に単一の状態に崩壊するのを防ぐために非常に高い隔離を必要とするため、極めて困難です。

この研究は、科学者が歴史的にシュレーディンガーの猫の状態を非常に長い間維持しており、コヒーレンス時間は最大 23 分であったことを示しています。

(コヒーレンス時間とは、量子システムがデコヒーレンスの前に量子特性を維持できる時間を指します。デコヒーレンスとは、量子システムが徐々にその量子特性を失うプロセスを指します。)

この実験では、シュレーディンガーの猫の状態は非線形スピン回転によって達成され、原子のスピンが同時に完全に反対の方向を指すことを意味します。

具体的には、研究チームは、波長1036 nm、出力16 Wの直線偏光格子レーザービーム（ビームウェスト20 μm）を用いて、魔法波長で約10⁴¹⁷³個のYb原子を捕捉しました。原子はまず予冷され、隣接するチャンバー内の磁気光学トラップに装填され、その後、移動型光双極子トラップを介してx軸に沿って測定チャンバーへと輸送されました。

実験装置は 4 層の磁気シールドで保護されており、内蔵の cos(θ) コイルは z 方向に安定した均一な 1.24 μT の磁場を生成し、外部磁場干渉を最小限に抑えました。

実装において、チームは次の 3 段階の革新的なアプローチを採用しました。

• 原子は、エネルギー準位遷移¹S₀(F=5/2)→¹P₁(F′=5/2)と共鳴するσ+偏光ポンプレーザーパルスを使用して、伸張状態|F、F⟩に初期化されます。
• 共鳴を解除する σ⁺ 偏光制御レーザー ビームは x 軸に沿って伝播し、非線形相互作用 (テンソル AC シュタルク変位) を調整することでスピン回転を誘発します。
• |F、F⟩状態の正規化された分布は、¹S₀(F=5/2)から³P₁(F′=7/2)へのエネルギーレベル遷移と共鳴するσ⁺偏光プローブビームを使用して測定され、状態選択測定は光格子によって導入される微分テンソル光学シフトを使用して実行されます。

レーザーの周波数と強度（80 mW/cm²）を正確に制御することにより、実験で測定されたラビ周波数は次のようになりました。

この一連の精密な操作により、スピン量子数が 5/2 である核スピン投影状態 m = +5/2 と m = −5/2 の量子重ね合わせである ¹⁷³Yb 原子のシュレーディンガーの猫状態が正常に準備されました。

重要なことに、研究チームはこの猫状態がデコヒーレントな部分空間で保護されており、光格子によって引き起こされる不均一なテンソルシフトの影響を受けないことを発見しました。これは、光格子のハミルトニアンHₜが猫状態密度行列ρcatとHₒの両方と可換であるため、光場によって引き起こされるデコヒーレンスを回避できるからです。

これにより、猫状態では1.4(1)×10³秒、つまり約23分という超長コヒーレンス時間を達成することができ、これは同じ条件下で従来のコヒーレントスピン状態（CSS）によって達成される0.9(2)×10³秒のコヒーレンス時間をはるかに上回る。

注目すべきは、この実験における真空トラップの寿命が現在71(1)秒である点である。研究者らは、真空条件を改善することで、猫状態の寿命がさらに延長され、そのコヒーレンス時間に匹敵すると期待される点を指摘している。同時に、スピンエコー技術を用いることで、デコヒーレンス効果をさらに低減できる可能性がある。

測定感度はハイゼンベルク限界に近づく

1.24 μTの静磁場に対する猫状態の感度を特徴付けるために、研究者らはラムゼー干渉法を実行した。

τ間隔で2つの(π/2)catパルスシーケンスを使用することにより、状態の密度は0.90(3)に保たれ、干渉縞のコントラストは160秒の測定時間内に0.88(3)に達した。

最終的に0.12(1)nTの磁場測定感度が達成され、これは標準的な量子限界0.22nTの約1.8倍であり、ハイゼンベルク限界（HL）0.10nTに近い値である。

対照的に、同じ条件下では、コヒーレントスピン状態では0.70（10）nTの感度しか達成できず、これは0.22nTの標準量子限界よりも約3.2倍悪い値です。

この作品の重要性は多くの側面に反映されています。

長いコヒーレンス時間を持つ高スピン系は、量子技術分野において幅広い応用の可能性を秘めています。量子メモリの開発や、量子コンピューティングにおけるエラー訂正に必要な冗長性の提供に活用できます。

特に注目すべきは、この研究がスピンセンサーの探索に新たな可能性をもたらすことです。従来、基底状態J=0で核スピンI=1/2を持つ原子（³He、¹²⁹Xe、¹⁷¹Yb、¹⁹⁹Hgなど）がスピンセンサーの理想的な候補と考えられてきました。

本研究は、高スピン同位体もこの役割を果たせることを実証しています。例えば、¹⁷¹Yb/¹⁷³Ybのような同位体対は、二種冷却原子共磁力計の開発に新たな可能性をもたらします。

さらに重要なのは、磁場測定においてハイゼンベルク限界に近い感度を示すこの猫状態は、高精度磁場測定に使用できるだけでなく、永久電気双極子モーメントの探索、ローレンツ不変性の検証、標準モデルを超えた新しい物理現象の探究にも使用できるため、量子精密測定の分野で新たな研究方向を開拓できるということです。

中国科学技術大学の優秀な若者のための特別クラスの学部長が主導

この研究は、中国科学技術大学のXia Tian、Lu Zhengtian、Zou Changlingらによる共同作業でした。

責任著者の一人であるZhengtian Lu氏は現在、中国科学技術大学物理学学院の特別教授および英才学院の学部長を務めている。

研究の方向性には、時空と物質および反物質の間の対称性のテスト、標準モデルを超える新しい物理学の探求、新しい超高感度同位体痕跡検出技術の開発と地球科学および環境科学への応用、原子核、原子、分子の精密測定が含まれます。

もう一人の責任著者である夏天氏は、現在、合肥国家実験室の研究員です。清華大学で学士号を取得し、その後プリンストン大学で博士号を取得しました。

研究の方向性としては、標準モデルを超える新しい物理学を発見するために原子の固有の電気双極子モーメントを測定することによって基本的な相互作用における対称性の破れを検出すること、原子物理学に基づく精密測定、中性原子に基づく量子情報、光ポンピングを使用して原子スピンの磁気分極を実現することなどがあります。

研究者らは、この長寿命のシュレーディンガーの猫状態の準備により、原子磁力計、量子エラー訂正、新しい物理学の探究への新たな道が開かれるだろうと述べている。

参考文献: [1] https://www.wired.com/story/s... [2] https://news.ustc.edu.cn/info... [3] https://arxiv.org/abs/2410.09...