科学においては、測定なしには何も達成も理解もできません。今日では、量子センシングの進歩により、科学者は原子の振動、個々の光子の特性、重力波に関連する変動など、かつては想像もできなかったものを測定できます。
「スピンスクイージング」と呼ばれる量子力学のトリックは、世界で最も精密な量子センサーの能力を大幅に向上させる可能性を秘めていることが広く認識されているが、実現が非常に難しいことで知られている。新たな研究で、ハーバード大学の物理学者たちは、スピンスクイージングをより手の届く範囲にまで近づけた方法について説明している。
量子もつれの一種であるスピン圧縮は、粒子の集団が変動する方法を制限します。これにより、他の補完的な信号の測定精度を犠牲にして、特定の観測可能な信号のより正確な測定が可能になります。風船を圧縮すると幅は狭まるものの、高さは増すのと同じようなものです。
「量子力学は、非常に小さな信号を測定する能力を高めることができます」と ノーマン・ヤオ物理学教授であり、 ネイチャー・フィジックス誌にスピンスクイージングに関する新しい論文が掲載されました「私たちは、これまで考えられていたよりもはるかに幅広い種類のシステムで、このような量子強化計測が可能であることを示しました。」
風船の比喩では、円は量子測定に固有の不確実性を表すと、論文の共著者でグリフィン大学院文学部元学生のマクスウェル・ブロック氏は説明した。「この不確実性を圧縮して風船を楕円形に近づけることで、測定の感度を再形成することができます」とブロック氏は述べた。「これは、量子力学なしでは不可能なほど正確な測定ができることを意味します。」
スピンスクイージングは量子もつれの一種で、より正確な測定を可能にします (中央)。これまでは、全対全相互作用システム (左) でのみ発生することが知られていましたが、ハーバード大学の研究者は、平面磁石を形成する局所相互作用システムでより一般的にスピンスクイージングが発生する可能性があることを示しました (右)。
クレジット: イェ・ビンティアン
スピンスクイージングの類似物は、例えば、 感度を高める LIGO実験におけるノーベル賞受賞の重力波検出器の。
ハーバード大学のチームの研究は画期的な成果に基づいている 1993年の論文 原子間の「全対全」の相互作用によってもたらされるスピン圧縮されたエンタングルメント状態の可能性を初めて説明した。このような相互作用は、各参加者が同時に他のすべての参加者と対話する大規模な Zoom 会議に似ている。原子間では、この種の接続により、スピン圧縮状態を誘発するために必要な量子力学的相関関係の構築が容易に可能になる。しかし、自然界では、原子は通常、伝言ゲームのような方法で相互作用し、一度に少数の近隣の原子とのみ通信します。
「長年、真に量子的に強化されたスピンスクイージングは、全対全の相互作用によってのみ実現できると考えられてきました」と、論文の共同筆頭著者であり、かつてグリフィン大学院文学科学部の学生でもあったビンティアン・イェ氏は言う。「しかし、私たちが示したのは、それが実際にははるかに簡単だということです。」
研究者らは論文の中で、スピンスクイーズエンタングルメントを生成するための新しい戦略を概説している。彼らは直感的に、フランスの協力者とともにすぐに 確認済み 実験により、スピンスクイージングの材料は、自然界に多く見られる偏在的なタイプの磁性、つまり冷蔵庫の磁石をくっつける力でもある強磁性に存在することがわかった。彼らは、スピンスクイージングを実現するために全対全の相互作用は必要ではなく、むしろ、スピンが磁気状態に同期できるほど十分に結合している限り、スピンスクイージングを動的に生成することもできるはずだと仮定している。
研究者たちは、スピン圧縮の障壁を下げることで、量子科学者やエンジニアがバイオメディカルイメージングや原子時計などに有用な、よりポータブルなセンサーを作成するための新しい方法を刺激するだろうと楽観視している。
その精神で、ヤオは現在、ダイヤモンドの結晶構造の欠陥の一種である窒素空孔中心から作られた量子センサーでスピンスクイージングを生成する実験を主導している。 理想的な量子センサー。
この研究は、陸軍研究局、海軍研究局、エネルギー省、国防総省、国立科学財団から連邦政府の支援を受けました。