January, 24, 2025, Lausanne--EPFLの科学者たちは、巨視的な機械振動子の量子集団的振る舞い達成に成功し、量子技術の新たな可能性を解き放った。
量子技術は、われわれの宇宙に対する理解を根本的に変えている。新しい技術の1つは、巨視的な機械式発振器、クォーツ時計、携帯電話、通信で使用されるレーザに不可欠なデバイスである。量子分野では、巨視的な発振器により、量子コンピューティング用の超高感度センサやコンポーネントが可能になり、様々な業界でのイノベーションの新たな可能性が開かれる。
量子レベルでの機械振動子の制御は、量子コンピューティングや超精密センシングの将来の技術を開発するために不可欠である。しかし、それらを集合的に制御することは、ほぼ完全な単位、つまり同一の単位を必要とするため、困難。
量子オプトメカニクスの研究のほとんどは、単一の振動子に集中しており、基底状態冷却や量子スクイーズなどの量子現象を実証している。しかし、これは、多くの発振器が1つとして機能する集団的な量子動作には当てはまらなかった。これらの集団ダイナミクスは、より強力な量子システムを作成するための鍵となるが、ほぼ同じ特性を持つ複数の振動子を非常に正確に制御する必要がある。
EPFLのTobias Kippenbergが率いる科学者たちは、6つの機械式振動子を集合状態で準備し、その量子挙動を観察し、振動子がグループとして作用するときにのみ発生する現象を測定することに成功した。Science誌に掲載されたこの研究は、量子技術にとって大きな前進であり、大規模な量子システムへの扉を開くものである。
「これは、超伝導プラットフォームの機械的周波数の乱れが極めて低く、0.1%という低いレベルに達することによって可能になる。この精度により、発振器は集合状態に入ることができた。そこでは、独立したコンポーネントではなく、統一されたシステムとして振る舞うことができる」と、この研究の筆頭著者Mahdi Chegnizadehは説明している。
量子効果の観察を可能にするために、研究チームは、発振器のエネルギーを量子基底状態(量子力学が許容する可能な限り低いエネルギー)に還元する技術であるサイドバンド冷却を使用した。
サイドバンド冷却は、発振器にレーザを照射し、レーザの光を発振器の固有振動数よりわずかに低く調整することで機能する。光のエネルギーは、振動システムと相互作用して、光からエネルギーを差し引く。このプロセスは、熱振動を減らし、システムを静けさに近づけるため、繊細な量子効果を観察するために重要である。
マイクロ波共振器と発振器の間の結合を増やすことにより、システムは個々のダイナミクスから集団的なダイナミクスに移行する。「さらに興味深いことに、コレクティブモードを量子基底状態で準備することで、量子コレクティブモーションの特徴である量子側波帯の非対称性を観察した。通常、量子運動は単一の物体に限定されるが、ここでは振動子のシステム全体に広がっている」と、研究の共著者Marco Scigliuzzoは話している。
また、冷却速度の向上と、「ダーク」メカニカルモード、つまりシステムの空洞と相互作用せず、より高いエネルギーを保持するモードの出現も観察された。
この知見は、機械システムにおける集団量子の振る舞いに関する理論を実験的に確認するものであり、量子状態の探索に新たな可能性を開くものである。また、機械システムにおける集団的な量子運動を制御する能力が、量子センシングの進歩や多部構成のエンタングルメントの生成につながる可能性があるため、量子技術の将来にも大きな影響を与える。