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Nov 01, 2023

古典的な類似時間の実験的実証

Scientific Reports volume 12、記事番号: 22580 (2022) この記事を引用 2568 アクセス 10 Altmetric Metrics の詳細 量子情報処理の基礎となる量子理論概念の 1 つ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 22580 (2022) この記事を引用

2568 アクセス

10 オルトメトリック

メトリクスの詳細

量子情報処理の基礎となる量子論の概念の一つに重ね合わせがあります。 今回我々は、エネルギー状態のコヒーレントな重ね合わせに対する古典的な類似物の存在についての実験的証拠を提供する。これは、外部駆動場と併せて粒子のヘルツ型非線形性によって可能になる。 粒子の非線形振動は線形振動モードに投影され、位相を通じて相互に依存し、コヒーレントな重ね合わせを形成します。 コヒーレント状態の振幅が 2 次元のヒルベルト空間に広がる状態ベクトルの成分を形成し、時間によってシステムがパラメトリックにヒルベルト空間に広がることが可能になることを示します。 したがって、状態の重ね合わせは、デコヒーレンスや波動関数の崩壊なしに、2 状態量子的な計算で利用できます。 最後に、可逆アダマール ゲートを純粋な基底状態に適用して、状態を重ね合わせにする実験的実現を示します。

量子情報科学 (QIS) と量子コンピューティング 1、2、3、4、5 に対する需要の高まりにより、このトピックとその手法をより詳細に分析することが求められています。 量子ビット (qubit) は、QIS の重要なコンポーネントであり、最も重要なことに、重ね合わせて存在できる 2 状態の量子力学的システムです。 最初の 2 つの所定の状態との特定の定量的関係を持つ、新しい別個の状態は、前の 2 つの状態の重ね合わせと呼ばれます。 状態の重ね合わせを提供することに加えて、エンタングルメントを通じてサブシステム間を相関させる能力が、量子ビットを情報処理に非常に強力にしているのです。 しかし、環境はこれらの状態の繊細なコヒーレンスを急速に破壊する能力があるため、最初に準備された量子重ね合わせ状態を作成して観察することは困難です。 その結果、絶対零度に近い温度まで冷却された粒子や一部の微小な物体は、そのような量子重ね合わせを示します9、10。 一方、トポロジカル量子コンピューティング (TPC) では、巨視的スケールでの粒子世界線のトポロジカル特性がすべて重要であり、より堅牢な量子ビットを構築するために、非アーベル形式の物質を使用して量子情報を保存します 11。 12. しかし、Nature 13 のフロロフ氏の解説によると、トポロジカル量子ビットを作成するのは非常に難しいため、マヨラナ粒子論争は TPC 分野の信頼を損なっているとのことです。その結果、他の巨視的状態の重ね合わせ、または巨視的重ね合わせ状態の研究が行われてきました。過去数十年にわたって積極的に追求され、トラップされたイオン 14、ボース・アインシュタイン凝縮 15、16、原子系 17 など、さまざまな系で実験的に実証されることに成功しました。 さらに、量子ビットを単色で駆動することによって、または機械振動子とスピン量子ビットの間の 2 フォノン相互作用を検出することによって 19、量子ビット発振器システムにおける巨視的な量子の重ね合わせも研究されています。 ごく最近、Wood et al. は、巨視的な重ね合わせを作成するためのプラットフォームと、量子力学の巨視的な境界を調査するために、直径 250 nm のダイヤモンドを重ね合わせの中に配置する計画を提案しました。

QIS および量子力学の応用と技術進歩に対するさらなる展望は、量子現象の音響類似体の確立によって提供されます 21。 注目すべき例の 1 つは線形弾性場で、量子力学のスピン状態に類似した古典調和波のコヒーレントな重ね合わせが理論的および実験的に生成されることが示されています 22。 それにもかかわらず、真の量子的な現象を観察するには、機械システムの非線形性が必要です。 負のウィグナー関数を使用した機械的非ガウス状態の作成は、その例の 1 つです。 散逸 23,24,25,26、二重井戸光機械ポテンシャルによる量子トンネリング 27,28、周期的量子ビット反転 29、量子干渉効果 30、光場の条件付き測定 31,32,33、および 2 つの間の変調された光子ホッピング相互作用が示唆されています。光学機械システムのキャビティ 34、35 は、巨視的な非ガウス重ね合わせ状態を生成する可能性があります。 これらの方法は、光学的自由度と機械的自由度の間の非線形相互作用に基づいています。 同じ方向で、参考文献３６では、駆動磁場の振幅を変化させることによるカー型非線形性によって、巨視的な重ね合わせ状態の実験的な生成が可能になった。 しかし、私たちの知る限り、非線形性を利用して状態の重ね合わせを作成する非線形の古典的弾性システムでは、これに匹敵する研究は行われていません。 非線形古典システムの弾性ビットは、周囲温度で安定し、デコヒーレンスのない状態の重ね合わせを作成できます。 さらに、これは確率の振幅ではなく実際の振幅を表すため、波動関数の崩壊がなければ直接測定できます。 これらの特性により、弾性ビットを実験的に実現することが可能になり、材料ベースの量子アナログを利用して量子情報技術の目的の一部を達成する革新的な新しい方法が提供されます。 本研究の目的は、非線形音響粒状媒質中で重ね合わせ状態の音響類似物を調製し、ブロッホ状態の重ね合わせを操作する可能性を実験的に実証することである。 より具体的には、2 つの球形粒子で構成される非線形システムを調和的に駆動することにより、非線形正規モードが時間依存の振幅を持つ線形正規モード正規直交ベースで表現できることを実験的に示します。 これらの振幅は、時間とともにパラメトリックに 2 次元 (2D) ヒルベルト空間にわたる状態ベクトルの成分を形成します。 したがって、それらは量子ビットのような時間依存のコヒーレントな状態の重ね合わせの類似物として機能します。 さらに、非線形システムに適用される外部ドライバーの周波数と振幅が弾性ブロッホ球をナビゲートする上で重要な要素であることを実験的に示します。 最も重要なことは、検討中のシステムが非線形であるため、時間があればブロック状態の重ね合わせをパラメトリックに探索できることが実験的に示されたことです。