超低温原子量子シミュレーターの構築: 魔法で魔法を打ち負かす!

制作：中国科学普及協会

著者: ルアン・チュンヤン (清華大学物理学科)

プロデューサー: 中国科学博覧会

「現代科学技術における画期的な成果、大きな進歩となることが期待されます！」 「実験的な傑作であり、待望の成果です！」

ネイチャー誌の査読者をこのように驚かせるような科学研究結果とはどのようなものでしょうか？

この成果は、中国科学技術大学の優秀な科学者グループによるもので、「天元」と呼ばれる量子シミュレータの開発に成功しました。この量子シミュレーターは、科学者を長い間悩ませてきた複雑な問題、つまり「フェルミオン-ハバードモデル」のシミュレーションを処理できるという点で注目に値します。

天源量子シミュレーターには最大 80 万個の光格子点があり、そのシミュレーション能力は日常生活で使用されている従来のコンピューターをはるかに上回っています。さらに興味深いのは、「反強磁性相転移」と呼ばれる重要な物理現象の初めての実験的検証を達成したことです。これは量子科学の新しい時代に入ったことを示しています。

この作品の意味は、私たちの現在の想像をはるかに超えています。これは、科学者に低温での特殊な物理的挙動を調査するための新しいツールを提供するだけでなく、高温超伝導などの複雑な現象をより深く理解するのにも役立ちます。これは科学研究の新たな展望を開くだけでなく、将来の技術革新のための強固な基盤を築くことにもなります。

関連する研究結果は、「3次元フェルミオン-ハバードモデルにおける反強磁性相転移」というタイトルでネイチャー誌に掲載されました（画像出典：参考文献1）

「フェルミオン-ハバードモデル」：シンプルだが単純ではない物理モデル

なぜ鉄は小さな磁石を引きつけるのに、木は引きつけないのか疑問に思ったことはありませんか?科学者たちはこの問題についてある程度理解を深めていますが、磁気の謎はまだ完全には解明されていません。

科学者は一般的に、磁性の秘密は物質内の電子間の相互作用にあると信じています。電子が原子の舞台上で複雑なダンスを披露し、そのあらゆる動きが全体の踊りの調和に影響を与える様子を想像してみてください。しかし現実の世界では、このダンスはあまりにも複雑で、伝統的な方法では完全に再現することはできません。

磁気の謎の模式図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

答えは電子の相互作用にあることはわかっていましたが、謎を解くには複雑な計算の中に隠されていると思われる鍵が必要でした。

複雑ではありますが、諦めることはできません。電子の不思議な世界では、電子間の相互作用によって物質の基本的な特性が決まるだけでなく、高温超伝導や量子相転移などの驚くべき物理現象も生じます。これらの現象を調べるために、「フェルミオン-ハバードモデル」を導入しました。

1963 年、物理学者ジョン ハバードは格子内の電子の挙動を記述するモデルを提案しました。ここで「格子」とは、原子が特定のパターンに従って配置される空間構造を指します。このモデルは複雑ではありません。これは、電子の挙動を、隣接する格子間での電子のジャンプと、同じ格子点内の電子間の反発力という 2 つのタイプに単純化したものです。このモデルは単純であるにもかかわらず、高温超伝導の理解を含め、多くの複雑な現象を説明することができます。

2次元における「フェルミオン-ハバードモデル」の模式図

(画像出典: Wikipedia)

しかし、このモデルを正確に解くことは、地図なしで広大な森を横断するようなものです。格子点の数が増えると計算の難度が飛躍的に高まり、最も強力なスーパーコンピュータでも対応が困難になります。

しかし、それは私たちが無力であるという意味ではありません。 40 年以上前、物理学者リチャード・ファインマンは、量子システムを直接使用してこれらの複雑な量子現象をシミュレートしたらどうかという大胆なアイデアを提唱しました。このようにして、私たちはそれらの難しい数値計算を回避し、量子の世界の謎を直接探究することができます。

超低温原子量子シミュレーターの構築: 魔法で魔法を打ち負かす!

科学者が電子の挙動を研究するにつれ、従来の計算方法の限界にぶつかります。これらの課題を克服するために、彼らはリチャード・ファインマンの先進的なアドバイスを採用し、まったく新しいツールである量子シミュレーターの構築を開始しました。この量子シミュレーターは格子内の電子の挙動を正確にシミュレートすることができ、「フェルミオン-ハバードモデル」をより深く理解するのに役立ちます。

多くの人工量子システムの中で、3 次元光格子内の極低温原子は、その純度と制御性によりシミュレーションに最適です。 「3 次元光格子」は、光で編まれた完璧な空間グリッドのようなもので、各ポイントが正確に制御されたノードであると想像してください。 「極低温原子」とは、レーザー冷却技術によってこれらの光格子内にほぼ静止した原子のことです。

光格子にロードされた原子の配置の概略図。

（画像出典：参考1）

量子シミュレータを構築するプロセスは、次の 3 つのステップに簡略化できます。

1) 3 つの直交レーザー ビームを使用して、電子の「ステージ」を提供するために空間内に完全な小さなボックスを描くのと同じように、均一に分散された 3 次元光格子を作成します。

2) 原子を絶対零度近くまで冷却し、光学格子内に巧みに配置して「パフォーマンス」を開始する準備を整えます。

3) ステージ上の「不思議な物理現象」である反強磁性相転移を観察し、モデルの正確さを検証します。

「反強磁性相転移」は複雑に聞こえるかもしれませんが、その本質は次のとおりです。低温では、物質内の電子スピンは反対方向を向く傾向があり、安定した状態を形成します。しかし、温度が上昇すると、この秩序だった配列は崩れ、それに応じて磁性も変化します。

「フェルミオン-ハバードモデル」は長年提案されてきましたが、実験で反強磁性相転移を直接観察することは依然として大きな課題です。シミュレーションの精度を確保するには、量子シミュレーション システムの温度を極めて低いレベルまで下げる必要があります。

量子シミュレーションシステムの温度を一定温度以下に下げることができれば、科学者は反強磁性スピン変動のプロセスをシミュレーションできるようになり、高温超伝導メカニズムの理論を検証するだけでなく、この現象を理解するための重要なステップにもなります。

量子シミュレーションにおける大きな進歩

磁気の謎を探ることは、一歩一歩が未知と挑戦に満ちたエベレスト登山に似ています。 「反強磁性相転移」のような非常に専門的に聞こえる概念でさえ、実験で検証されたことはありません。言うまでもなく、ドープされた状態でのこの相転移をシミュレートすることは、従来のスーパーコンピューターではほぼ不可能な作業です。

しかし、中国科学技術大学の潘建偉氏、陳友瑶氏、姚星燦氏、鄧有進氏を含む科学者たちは、この課題に勇敢に立ち向かいました。彼らは高度な技術を巧みに組み合わせて、極低温原子の量子シミュレーターを構築しました。

彼らが構築した量子シミュレーターは、数十個の格子点から驚異的な 80 万個の格子点へと飛躍しました。これは質的な飛躍です。通常、実験で構築された光格子システムには、不均一な地面に家を建てるのと同じように、ポテンシャル井戸が不均一であるという問題が常に存在します。しかし、「ボックス型光ポテンシャル井戸」技術は、光格子システムに「整形手術」を施すようなもので、各ポテンシャル井戸を規則的にし、電子にとって完璧なステージを提供します。

極低温原子は卵のような3次元光格子に充填される

（写真提供：veerフォトギャラリー）

「フラットトップ光格子」技術により、実験プロセスがさらに最適化されます。レーザーを微調整することで、凹凸のある地面に平らなカーペットを敷いたのと同じように、光格子の中央領域をより均一にし、原子が均等に分布するための空間を提供します。

これを基に、研究チームはポテンシャル井戸内の強度ノイズをさらに低減し、極低温原子のロードプロセスを最適化しました。それは、寒い冬の日に原子に暖かく静かな家を提供し、最適な条件で実験を実行できるようにするようなものです。

ついに、科学者たちは理想的な極低温原子量子シミュレーターの構築に成功しました。このシミュレーターでは、科学者たちはあらゆるパラメータを正確に制御することができ、ついに待望の現象である反強磁性相転移を観察することができました。これは理論の検証であるだけでなく、高温超伝導の物理的メカニズムの探究における重要な進歩でもあります。

この研究は、「フェルミオン・ハバード模型」の反強磁性相転移（ドープ状態での状況を含む）を世界で初めて検証することに成功しただけでなく、高温超伝導の物理的メカニズムを理解するための強固な実験的基礎を提供しました。

この研究は、科学の長い旅路に灯をともす灯台のようなもので、私たちの進むべき道を照らし、自然をより深く理解するための探求に新たな希望と方向性をもたらします。

量子2.0の時代への大きな一歩

この画期的な研究成果は、科学界にとって輝かしい勝利であるだけでなく、量子コンピューティングの分野における重要な前進を意味します。それは、量子システムが単なる理論上の驚異ではないことを世界に証明しました。彼らは、従来のコンピュータを凌駕し、現実世界の複雑な問題を解決する能力を実証しました。

科学者に理想的な研究プラットフォームを提供し、凝縮物質物理学におけるより困難な問題をより深く探求することを可能にします。それはまるで未知の世界への扉を開き、電子間の強い相関相互作用の謎を垣間見ることができるようなものです。

天源極低温原子量子シミュレータの概略図

（写真提供：中国科学技術大学ニュース）

極冷原子量子シミュレータの性能が向上し続けると、将来的には反強磁性相転移を検証するためのツールになるだけでなく、さまざまな異常な物理現象を探索するための強力なツールにもなると信じる理由があります。これにより、高温超伝導や量子相転移などの物理現象の謎を解明し、電子間の相互作用をより深く理解できるようになります。

この研究の成功は、既存の科学理論の検証であるだけでなく、将来の科学的探究に対する大胆な予測でもあります。これは、量子コンピューティングが将来さらに重要な役割を果たし、科学的問題の解決と技術の進歩を促進する重要な力となり、量子の世界の無限の可能性を実感できるようになることを示しています。

参考文献

[1] Shao HJ、Wang YX、Zhu DZ、他。 3次元フェルミオンハバードモデルにおける反強磁性相転移[J]。ネイチャー、2024年：1-6。

[2] Gaunt AL、Schmidutz TF、Gotlibovych I、et al.均一ポテンシャル中の原子のボーズ・アインシュタイン凝縮[J]。フィジカルレビューレターズ、2013、110(20):200406。