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量子の振る舞いを直接シミュレートするシステムを構築

September, 30, 2014, Princeton--プリンストン大学の研究チームは、物質の物理学についての根本的な問題に答えるために光の結晶化を始めた。
 研究チームは、光を照射して結晶を透過させるのではなく、光を結晶に変えようとしている。室温超伝導体のような新種の材料開発の一環として、フォトン(光子)をロックして位置を固定させた。
 研究成果から、多様な将来の材料のすばらしい可能性が得られている。しかし、研究者はその方法で、凝縮系物理学の根本的な問題の研究に対処しようとしている。
 電気工学准教授、Hakan TÜreci氏によると、研究チームの関心事は原子レベルのエネルギーの流れ制御し方向づけることにある。「目標は現在の物質をよりよく理解し、まだ作ることができない材料を加工し評価することだ」。
 研究チームは、サブアトミック粒子の振る舞いをシミュレートするデバイスを作製することで原子の振る舞いについての根本問題に答えようとした。そのようなツールは、今日の最先端のコンピュータでも答えられない原子や分子の問題に答える貴重な方法になり得る。
 現在のコンピュータは古典力学の法則で動作する。しかし、原子やフォトンの世界は量子力学の法則に従う。量子的法則と古典的法則の違いが、標準的なコンピュータの量子系についての効率的研究能力を限界づけている。
 別のアプローチとしてプリンストンの研究チームは、所望の量子振る舞いを直接シミュレートするシステムを構築。個々のマシーンは単一の作業に限られているが、研究チームは重要な問題に答えることができる。汎用量子コンピュータ実現に関わる、より困難な問題の一部は不問に付したままでよい。
 現存の材料についての問題に答えることに加えて、そのデバイスを用いて研究チームは、物理学者の想像の中にしか存在しない材料を模倣することによって物質の振る舞いについての根本問題を研究することができる。
 このマシーンを作製するために研究チームは、単一の「人工原子」として振る舞うように1000億個の原子を含む超伝導材料でできた構造を作製し、その人工原子をフォトンを含む超伝導ワイヤ付近に置いた。
 量子力学の法則により、ワイヤのフォトンは人工原子の特性の一部を引き継ぎ、ある程度それらを結びつける。通常、フォトンは相互作用しないが、この系ではフォトンが、いろんな意味で粒子のように相互作用を始める新たな振る舞いを作り出すことができる。
 「ここでは、2つのフォトンが強く相互作用するという意味で、光が粒子のように効果的に振る舞う状況を設定した。1つの動作モードでは、光は液体のように前後に飛び跳ねる、別のモードでは凍結する」とTÜreci氏は説明している。
 現在のデバイスは相対的に小さく、人工原子が超伝導ワイヤと対になる場所はわずか2つしかない。研究チームはデバイスと相互作用の数を拡大し、より複雑な系をシミュレートできるようにすることが可能であると説明している。単一分子のシミュレーションから材料全体のシミュレーションまで拡大できると言う。将来的には、数百のサイトを持つデバイスを作り、超流体やインシュレータなど、光の新しい相を観察したい、と研究チームは考えている。