国際初！中国の科学者が大きな進歩を遂げた

量子シミュレーション実験において大きな進歩がありました。中国科学院は６日、北京で記者会見を開いた。記者会見で記者らは、中国科学技術大学の潘建偉院士のチームが「ボトムアップ」量子シミュレーション法を用いて、光子の部分量子異常ホール状態を世界で初めて実現したことを知った。これは量子物理学と量子情報科学の分野における重要な進歩です。関連する研究結果はサイエンス誌にオンラインで掲載されました。

結果図

画像出典：中国科学院公式サイト

ホール効果とは、磁場内に置かれた物質に電流が流れると、電子がローレンツ力の影響を受け、物質内部に電流と磁場の方向に対して垂直な電圧が発生する現象を指します。この効果は 1879 年にアメリカの科学者ホールによって発見され、電磁気センシングの分野で広く利用されてきました。異常ホール効果とは、外部磁場が存在しない状態で関連する効果が観察されることを指します。

量子ホール効果に関する従来の研究では、「トップダウン」アプローチが使用されています。これは通常、研究者が既存の材料から始めて、これらの材料の固有の構造と特性を使用して量子ホール状態を実現することを意味します。この方法では、極低温環境、高純度の二次元材料、強力な磁場などの特定の条件が必要です。これらの条件を満たすことは難しいことが多く、実験の制御と操作が制限されます。

対照的に、人工的に構築された量子システムは明確な構造を持ち、柔軟性と制御性を備えており、複雑な量子状態を「ボトムアップ」で研究するための新しいパラダイムです。 「このアプローチの利点は、柔軟性と制御性が向上することです。研究者は各コンポーネントを正確に制御できるため、量子システムをよりよく理解し、操作できるようになります。」論文の共同著者で中国科学技術大学の教授である陸朝陽氏は、この種の技術は量子シミュレーションと呼ばれ、「第2の量子革命」の重要な部分であると述べた。近い将来、古典的にはシミュレートが難しい量子システムをシミュレートし、「量子コンピューティングの優位性」を実現するために使用されることが期待されています。

「わかりやすく言えば、量子ホール効果を家に例えると、『トップダウン』アプローチは既存の家を改築・改装するようなもので、『ボトムアップ』アプローチはレンガとタイルから始めて設計図通りに家を完全に再建するようなものだ」と呂朝陽氏は比喩的に語った。

今回、研究チームは独自に開発した新型超伝導量子ビットプラズモニウムを用いて光子間の非線形相互作用の実現に成功し、さらに光子に作用する等価磁場を構築して人工ゲージ場を構築し、光子の分数量子異常ホール状態を世界で初めて実現した。

ノーベル物理学賞受賞者のフランク・ウィルチェク氏はこの研究を高く評価した。 「この『ボトムアップ』の道筋は『非常に有望なアイデア』だ」と彼は語った。 「これは、エニオンベースの量子情報処理にとって大きな前進となる素晴らしい実験です。」

陸成関記者と呉長峰記者

出典：科技日報