Googleの量子コンピュータで作られた異世界の「タイムクリスタル」は、物理学を永遠に変えるかもしれない。

2021年9月14日

Googleの量子コンピューター内で作られた、この世のものとは思えない「タイムクリスタル」が物理学を永遠に変える可能性がある

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この結晶は、エネルギーを失うことなく、永遠に状態を繰り返すことができます。

グーグルのSycamoreチップの中で作られたタイムクリスタルは、量子クライオスタットの中で冷やされている。(画像提供：Eric Lucero/Google, Inc.)

グーグルと共同で研究を行っている研究者たちが、この巨大企業の量子コンピュータを使って、物質のまったく新しい段階であるタイムクリスタルを作り出したかもしれない。

エネルギーを失うことなく2つの状態の間を永遠に循環する能力を持つタイムクリスタルは、物理学の最も重要な法則の1つである熱力学の第2法則をかわしている。この奇妙なタイムクリスタルは、常に流動的な状態にあるにもかかわらず、ランダム性への溶解に抵抗し、安定した状態を保っている。

プレプリントデータベース「arXiv」に7月28日に投稿された研究論文によると、科学者たちは、グーグルの量子プロセッサー「Sycamore」のコアに内蔵された量子ビット（従来のコンピューターのビットの量子コンピューティング版）を使って、およそ100秒間のタイムクリスタルを作り出すことができたという。

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この奇妙な新しい物質相の存在と、それが明らかにする全く新しい物理的振る舞いの領域は、物理学者にとって信じられないほどエキサイティングなものです。特に、タイムクリスタルの存在が最初に予測されたのはわずか9年前のことだからです。

「これは大きな驚きでした」と、今回の研究には関与していないイギリスのバーミンガム大学の物理学者カート・フォン・キーザーリンクは、Live Scienceに語りました。「30年前、20年前、あるいは10年前でさえ、誰かに尋ねたら、彼らはこれを予想しなかったでしょう。」

タイムクリスタルが物理学者にとって魅力的なのは、それらが本質的に物理学の中で最も確固たる法則の1つである熱力学の第二法則を回避しているからです。それは、エントロピー（システムの乱雑さの大まかな類似物）が常に増加するというものです。何かをより秩序だったものにしたければ、より多くのエネルギーを注ぎ込む必要があります。

無秩序への傾きは、様々な現象を説明します。 例えば、材料を混ぜるのは簡単なのに分離するのは難しいのはなぜなのか、イヤホンのコードがズボンのポケットで絡まってしまうのはなぜなのか、といった現象です。この無秩序への傾きは、時間の矢印の方向も決定します。 過去は常に現在よりも秩序が整っており、例えば、動画を逆再生すると、このエントロピーの流れが逆転しているため、奇妙に見えてしまうのです。

熱力学の第二法則によれば、すべてのシステムは、エネルギーがシステム全体に均等に分配される、より無秩序な状態に向かって進化する。(画像引用元：Universal History Archive/Universal Images Group via Getty Images)

タイムクリスタルはこの法則に従いません。タイムクリスタルは、ゆっくりと熱平衡に近づき、エネルギーや温度が周囲に均等に分布するように「熱化」するのではなく、平衡状態よりも上の2つのエネルギー状態の間にはまり込み、その間を無限に行ったり来たりする。

この行動がいかに深く異常であるかを説明するために、フォン・キーザーリンクは、100万回揺さぶる前のコインで満たされた密閉された箱を思い浮かべてほしいと言った。コインがお互いに跳ね返ると、「ますます混沌とし、あらゆる種類の構成を模索するようになります」。そして、揺れが収まり、箱を開けると、コインはおよそ半分が上向き、半分が下向きのランダムな構成になっています。最初にどのようにコインを並べたかにかかわらず、このようなランダムな半面・半面・半面の終点を見ることができるのです。

GoogleのSycamoreの「箱」の中では、コインと同じように量子プロセッサーの量子ビットを見ることができます。コインが「頭」か「尻尾」のどちらかであるのと同じように、量子ビットも「1」か「0」のどちらかであり、2つの状態のシステムでは2つの可能性があります。フォン・キーザーリンクによると、タイムクリスタルの奇妙な点は、いくら振っても、つまりある状態から別の状態に叩いても、タイムクリスタルの量子ビットを最もエネルギーの低い状態、つまりランダムな構成に移すことができないことである。

「von Keyserlingk氏は、「ただ、反転しているだけです。「最終的にはランダムな状態にはならず、ただ詰まったような状態になります。最初にどのように見えたかを記憶していて、時間が経つとそのパターンを繰り返すようなものです」。

その意味で、タイムクリスタルは、揺れ続ける振り子のようなものだと思います。

「物理的に振り子を宇宙から完全に隔離して、摩擦や空気抵抗がない状態にしても、結局は止まってしまいます。それは熱力学の第2法則によるものです」と、2015年に新しい相の理論的な可能性を最初に発見した科学者の一人である、英国ラフバラ大学の物理学者アキレアス・ラザリデスはLive Science誌に語っています。「エネルギーは最初、振り子の重心に集中していますが、棒の内部には原子の振動方法など、内部の自由度がすべてあり、最終的にはそこに移動します」。

実際、大規模な物体がタイムクリスタルのように振る舞うことは、馬鹿げていると言わざるを得ません。なぜならば、タイムクリスタルが存在するための唯一のルールは、非常に小さな世界を支配する不気味で超現実的なルール、すなわち量子力学だからです。

量子力学の世界では、物体は点状の粒子であると同時に小さな波のように振る舞い、空間の任意の領域における波の大きさは、その場所で粒子が見つかる確率を表しています。しかし、ランダム性（結晶構造のランダムな欠陥や量子ビット間の相互作用強度のプログラムされたランダム性など）によって、粒子の確率波はごく小さな領域を除いてどこでも相殺されてしまいます。粒子はその場に根を下ろし、移動も状態の変化も周囲との熱交換もできず、局在化してしまう。

研究者たちは、この局在化プロセスを実験の基礎として用いました。実験では、量子ビットに20本の超伝導アルミニウムを用い、それぞれの量子ビットを2つの可能な状態のいずれかにプログラムした。研究者たちは、この実験を何万回も繰り返し、さまざまな地点で停止して量子ビットの状態を記録した。実験を何万回も繰り返し、いろいろなところで止めては量子ビットの状態を記録した。その結果、量子ビットの集まりは、たった2つの構成の間を行ったり来たりしていること、そしてマイクロ波の熱を吸収していないことがわかった。

さらに、このタイムクリスタルが物質の相であることを示す重要な手がかりも得られた。相と呼ばれるためには、通常、揺らぎに対して非常に安定していなければならない。固体は周囲の温度が多少変化しても溶けないし、液体も多少の変動で急に蒸発したり凍ったりすることはない。同じように、量子ビットの状態を反転させるためのマイクロ波ビームを、完全な反転に必要な正確な180度に近いがわずかにずれているように調整しても、量子ビットはもう一方の状態に反転してしまう。

ラザリデスは、「正確な180度でなければスクランブルがかかるというわけではありません」と述べている。「僅かなミスを犯しても、魔法のように（タイムクリスタルは）常に少しだけ内側に傾くのです」。

相転移のもう一つの特徴は、物理的な対称性の破れです。これは、物理法則が時間や空間のどの時点でも同じであるという考え方です。液体である水の分子は、空間のどの点でも、どの方向でも、同じ物理法則に従っている。しかし、水を十分に冷やして氷に変えると、水の分子は、結晶構造（格子）に沿って規則的な点を選んで配列するようになる。突然、水の分子は空間内の好きな場所を占めるようになり、他の場所は空っぽになります。つまり、水の空間的な対称性が自然に崩れたのです。

氷が空間的な対称性を破って空間内の結晶になるのと同じように、タイムクリスタルも時間的な対称性を破って時間内の結晶になります。タイムクリスタル相に変化する前の最初の段階では、量子ビットの列は、時間のすべての瞬間の間で連続的な対称性を経験します。しかし、マイクロ波ビームの周期的なサイクルは、量子ビットが経験する一定の条件を離散的なパケットに切り刻む（ビームによって課される対称性を離散的な時間変換対称性にする）。そして、ビームの波長の2倍の周期で前後に反転させることで、量子ビットはレーザーによって課せられた離散的な時間移動の対称性を破ることができる。このようなことができるのは、私たちが知る限り初めての物体です。

このような奇妙な現象のおかげで、タイムクリスタルは新しい物理学の宝庫となっています。また、シカモアでは他の実験装置よりも制御性が高いため、さらなる研究のための理想的なプラットフォームとなるでしょう。しかし、改良の余地がないわけではありません。他の量子システムと同様に、グーグルの量子コンピューターも、量子ビットがデコヒーレンスと呼ばれるプロセスを経て、最終的に量子局在効果が破壊され、タイムクリスタルが破壊されるのを防ぐために、環境から完全に隔離する必要がある。研究者たちは、プロセッサーをよりよく隔離し、デコヒーレンスの影響を軽減する方法を研究していますが、この効果を永久になくすことはできないでしょう」と述べています。

しかし、グーグルの実験は、タイムクリスタルを研究するための最良の方法であることは間違いないだろう。ダイヤモンド、ヘリウム3の超流動体、マグノンと呼ばれる準粒子、ボーズ-アインシュタイン凝縮など、他の方法でタイムクリスタルと思われるものを作ることに成功したプロジェクトは数多くあるが、ほとんどの場合、これらのセットアップで生成された結晶は、詳細な研究を行うにはあまりにも早く消滅してしまうのだ。

この結晶の理論的な新しさは、ある意味では諸刃の剣であり、物理学者たちは現在、この結晶の明確な応用例を見つけるのに苦労している。しかし、von Keyserlingkは、この結晶を高精度のセンサーとして使えるのではないかと提案している。他にも、この結晶を使って、より優れた記憶装置を作ったり、より高速な処理能力を持つ量子コンピューターを開発したりすることも提案されている。

しかし、別の意味で、タイムクリスタルの最大の用途は、すでにここにあるのかもしれない。それは、量子力学の限界を探ることです。

「自然界に現れるものを研究するだけでなく、実際に設計して、量子力学でできること、できないことを調べることができるのです」とラザリデスは言う。「もし自然界で何かを見つけられなくても、それが存在しないということではありません。

この記事はLive Scienceに掲載されました。


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