物理学者らが「あり得ない物質」を量子揺らぎで生成

ここでの緊張感は、現在のテクノロジーの脆弱性に起因しています。私たちは現在、性質が極めて不安定な材料を用いて量子コンピュータを構築しようとしています。浮遊する熱分子が量子ビット（qubit）にわずかでも接触すれば、システム全体が崩壊してしまいます。Powellとその学生である研究者Louis Buchalterは、こうしたエキゾチックで時間依存的な状態を作り出すことで、量子システムを大幅に安定させる方法を発見しました。物質を絶え間なくリズミカルに変化する状態に保てば、外部ノイズが入り込む隙がなくなるのです。

量子世界のためのストロボ効果

PowellとBuchalterが達成したことを理解するには、物質を固定的で動かないものと考えるのをやめなければなりません。量子レベルでは、すべてが振動しています。通常、これらの振動は予測可能な溝に収まります。「Floquet工学」とは、本質的にはエネルギーの「ストロボライト」（この場合は変動する磁場）を材料に照射し、それらの振動を強制的に新しくエキゾチックなパターンへと変化させるプロセスです。それは、砂の山に特定の振動を与えて、砂粒をただそこに置くのではなく、大聖堂の形に浮遊させるようなものです。

Cal Polyのチームは、「磁束スイッチングFloquet工学（Flux-Switching Floquet Engineering）」と呼ぶプロセスを使用しました。90年代半ばのSF映画のリブート版に出てきそうな名前ですが、そのメカニズムは高次元システムを反映した数学的な組織化の原理に基づいています。タイミングを合わせた磁場の変化でシステムを駆動させることにより、彼らは「トポロジカルに保護」された量子位相を解き放ちました。平易に言えば、物質の状態がその幾何学的構造によって固定されているということです。その存在形態自体が崩壊を防いでいるため、容易に壊すことはできません。

これはコンピューティングの未来にとって極めて重要なことです。実用的な量子コンピュータへの最大の障壁の一つは、エラーの原因となる環境干渉、「ノイズ」です。もしこれらの駆動されたエキゾチックな状態から量子ビットを構築できれば、単に高速化するだけでなく、堅牢なものを作ることができます。私たちはガラスでコンピュータを作る段階から、強化鋼で構築する段階へと移行しつつあります。しかし、その代償はエネルギーです。物質を存在させ続けるためには、システムを「駆動」し続けなければなりません。明滅を止めた瞬間、魔法は解け、物質は退屈で静的な本来の姿へと消えていくのです。

なぜこの結晶にはゴースト光子が含まれているのか？

量子スピン液体というのは、少し誤解を招く名称です。液体といっても濡れるわけではありません。ここでの「液体」は、結晶内の原子の磁気モーメント、すなわちスピンを指しています。冷蔵庫に貼るような通常の磁石では、これらのスピンはすべて同じ方向を向いているか、整然としたパターンに従います。一方、量子スピン液体では、絶対零度においてさえ、スピンは完全に混乱した状態にあります。それらは「フラストレーション（不満）」を抱えており、落ち着くべき快適な場所を決して見つけられません。常に動き回り、絡み合っているため、それらは「ゴースト」粒子を作り出します。これは光とまったく同じ挙動を示す励起状態であり、その材料の境界内でのみ存在します。

ルールに従わない物質を実際に利用できるか？

Cal Polyの明滅する物質と、Rice大学のゴースト光子に共通するのは、古典物理学を完全に拒絶しているという点です。私たちは、材料が「何であるか」ではなく、極限まで追い込まれたときに「何ができるか」を問う時代に突入しています。これはグラフェンにも当てはまります。研究者たちは最近、グラフェン中の電子が、まるで摩擦がほとんどない液体のように流れるのを観測しました。電子は個々のピンボールのように飛び回るべきだという物理学の基本法則に反する現象です。電子は蜂蜜のように動いています。もし蜂蜜が、決して詰まることなく光速でパイプを流れることができれば、の話ですが。

さらに「準結晶」もあります。40年間、私たちはパターンがあるように見えながら決して繰り返されることのないこれらの材料を理解するのに苦労してきました。それらは量子世界のモザイクであり、美しく、複雑で、不可能に思える存在です。ミシガン大学の科学者たちは、これらがどのように成長するかという暗号をついに解き明かし、秩序と混沌の境界線上に存在していることを明らかにしました。Floquet状態と同様に、準結晶は存在するはずのない中間領域を体現しており、食塩の結晶のような予測可能な世界と、気体のような完全なランダムさの世界を橋渡ししています。

産業への影響は計り知れませんが、現実的である必要があります。来年すぐにFloquet技術を搭載したスマートフォンが登場するわけではありません。Ian Powell自身も、これが最も直接的に関連するのは量子シミュレーションや研究分野であることを認めています。Cal Polyのラボから深センの製造工場までの道のりは長く、失敗した実験が積み重なることでしょう。しかし、概念的な壁は打ち破られました。特定の技術に必要な材料が見つからない場合、単に磁場を使って振動させるだけでその材料を生み出せる可能性があると私たちは知ったのです。

テクノロジーの未来は、タイミングよく振動するだけのことなのか？

もしあなたがバスの中でこの記事を読んでいるなら、おそらくシリコン、銅、プラスチックで作られたデバイスを持っているはずです。これらは1世紀以上前から理解されてきた材料です。次の飛躍は、これらの材料の改良版ではありません。それはまるで魔法のように感じられる何かでしょう。私たちは、ハードウェアが時間依存的な磁場によって「駆動」され、エネルギーがゴースト粒子を介して結晶の中を移動し、コンピュータが電源を切れば物理的には存在しなくなる物質の状態から構築される世界を見据えています。

宇宙の基本的な構成要素について学べば学ぶほど、私たちがこれまでいかにわずかなものしか使ってこなかったかに気づかされるというのは、ある種の皮肉です。私たちはこれまで、ピアノの鍵盤を3つだけ使って演奏してきました。Floquet工学と3Dスピン液体の発見は、誰かがついに蓋を開けて、残りの85個の鍵盤を見せてくれたようなものです。それは厄介で複雑で、私たちが不変だと思っていたルールのほとんどを破るものです。しかし、Louis Buchalterが研究室での時間を終えて指摘したように、研究は決して単純なプロセスではありません。それは忍耐であり、磁場を見つめ、誰が予想したよりも速くスイッチを切ったら何が起きるだろうかと思いを巡らせる意欲なのです。

次の10年の物理学は、周期表の最後で新しい元素を発見することではありません。それらの元素の隙間で作り出せる、奇妙で、明滅し、フラストレーションを抱えた、摩擦のない状態についての学問になるでしょう。私たちはもはや物理世界の観察者ではありません。私たちはその編集者であり、磁気パルスを一回打つごとに、リアルタイムで物質のコードを書き換えているのです。物理法則は変わっていませんが、それを回避する私たちの能力は間違いなく向上しました。「あるもの」と「あり得るもの」の間の隙間で、次の技術革命が今、振動によって生命を吹き込まれようとしています。