チップが捉えた、量子振動の1フォノンからゼロへの跳躍

ギターの弦は、振動が次第に弱まり、やがて止まるように見える。ところが極低温の微小な機械構造では、振動のエネルギーは段階的な値をとりうる。最小の段階をフォノンという。空気中を伝わる音波ではなく、物質の集団振動におけるエネルギーの単位だ。

スタンフォード大学とSLAC国立加速器研究所のAmir H. Safavi-Naeiniが率いるTakuma Makihara、Erik Szakielらは、その段階を観測する装置を作った。Science誌の論文では、研究できるだけ長く振動を維持するナノ機械共振器を超伝導量子ビットに結合した。

量子ビットは検出器として働き、その信号は共振器のエネルギーに応じて変わる。この分散結合なら、個々のエネルギー準位を明確に区別しにくい構造の位置を直接測らずに済む。実験は、あらかじめ用意した1フォノン状態から始まった。

研究チームは量子ビットで、フォノン数が偶数か奇数かを示すパリティを繰り返し調べた。パリティだけでは正確な個数は分からない。既知の初期状態の準備、条件付き読み出しの連続、解析モデルを組み合わせ、n=1（1フォノン）からn=0（基底状態）への遷移に整合する軌跡を推定した。

得られた軌跡は急な遷移を示した。Science誌の論文は、条件付き読み出しを経て準備・予告信号により選別された単一フォノン状態について、忠実度85％と報告する。この値は選んだ状態が1フォノン状態にどれほど近いかを表し、検出器の分類確信度でも量子コンピューターの効率でもない。Sara Zaskeがスタンフォード大学向けに記した記事によると、機械的な寿命は約2ミリ秒で、数百回の読み出しに十分だった。

MakiharaらがZenodoで公開したデータセットには、事後選別された8,447本の軌跡が含まれ、それぞれに294回のパリティ検査がある。これは実験の全試行数ではない。この方法は量子非破壊測定の一種で、観測対象である振動エネルギーをより長く保つよう設計した読み出しだが、影響が完全にゼロという意味ではない。

現段階では実験的実証である。装置は極低温環境のチップ上で動作し、著者らは実用可能な量子メモリーや誤り訂正を実証していない。この系で離散的な遷移を観測したことは証拠に支えられる。機械振動に情報を蓄えるセンサーやシステムには、温度、規模、雑音制御の追加検証が必要だ。 Folha de S.Pauloの記者Ramana Rechは、カンピーナス大学（Unicamp）のPierre-Louis de Assisとフルミネンセ連邦大学（UFF）のJosé Augusto Oliveira Hugueninに手法の実現性と熱的限界を取材したが、両氏の見解は追試ではない。