Fast and robust cat state preparation utilizing higher order nonlinearities in Rydberg ensembles

あなたは、人間の脳では決して到達できない方法で思考できる機械を構築しようとしていると想像してください。これを行うために、科学者たちは「量子コンピュータ」を構築しています。これは、極微の世界の奇妙なルールを利用して問題を解決するものです。しかし、これらのマシンは非常に壊れやすいものです。これらを実用的なものにするために、科学者たちは「シュレーディンガーの猫状態」と呼ばれる、特別でトリッキーな物質の状態を作り出す必要があります。これらは、箱の中の生と死が共存する猫（その有名な思考実験にちなんで名付けられました）の実際の猫ではありませんので、ご安心ください。量子力学の世界において、「猫状態」とは、システムが2つの全く異なる構成に同時に存在する重ね合わせ状態のことです。それは、回転しているコインが、どういうわけか、同時に表でもあり裏でもあるような状態に似ています。これらの状態は、強力な量子コンピューティングや超高感度センサーのための「秘伝のソース」なのです。

問題は、このような状態を作り出すことが、誰かがテーブルを揺らしている間に、鉛筆をその先端で立たせようとするくらい難しいことです。通常、科学者は、量子システムをこの特別な形へとねじ曲げるために、「非線形性」と呼ばれる特定の種類の力を使用します。ほとんどの研究所では、彼らは最も単純で一般的な種類の「ねじれ」（二次的な効果）に頼っています。しかし、自然界は混沌としています。ほぼすべてのシステムにおいて、より弱く、奇妙で、より複雑なねじれが同時に発生しています（これらは「高次」の効果と呼ばれます）。数十年にわたり、科学者たちはこれらの余分なねじれを、ラジオのノイズのような、無視したりフィルタリングしたりすべき「邪魔な背景ノイズ」として扱ってきました。なぜなら、それらは数学を難解にし、結果を予測不可能にするからです。

現在、ある研究チームが、高エネルギー状態に励起された超低温原子の雲、すなわち「リドベリ・アンサンブル」を含む非常に特定のセットアップについて調査を行いました。彼らは、そこで驚くべき発見をしました。これらの「邪魔な」複雑なねじれは、単なるノイズではないのです。それらは、単純な力と同じくらい強力な、巨大でパワフルな力になり得るのです。これらの高次の効果と戦う代わりに、チームはそれらを「スーパーブースト」として利用できることを示しました。これらの自然で複雑なねじれを、注意深く制御されたレーザーの押し（プッシュ）と組み合わせることで、彼らはかつてないほど速く、かつ確実に量子システムを「猫状態」へと叩き込む方法を見つけ出したのです。それは、ブロックしようとしていた風が、実は目的地に最短記録で到達するための完璧な帆であることに気づくようなものです。

研究の物語：ノイズをスーパーパワーに変える

この研究において、S. Zhao氏率いる著者らは、高いエネルギー状態に押し上げられ、巨大で敏感な風船のように振る舞う原子である「リドベリ原子」の集まりを調査しました。これらの原子は、互いに作用し合い、複雑な力の網を作り出します。研究者たちは、これらの原子がどのように動き、相互作用するかを記述するために、数学的モデル（「ハミルトニアン」）を構築することから始めました。彼らは、数学を詳しく見ていくと、システムには単一の単純な「ねじれ」方があるだけでなく、単純なものから非常に複雑な高次のものまで、積み重なった一連のねじれが存在することを発見しました。

通常、科学者がこれらの複雑な高次のねじれを目にしたとき、それらは影響を与えるには弱すぎるか、あるいは実験を台無しにするものだと想定します。しかし、著者らは、リドベリ・アンサンブルにおいては、これらの高次の効果が非常に強力になり得ること、特にシステムが特定の「共鳴」（原子が完璧な調和の中で振動する「スイートスポット」のようなもの）の近くに調整されている場合に、そのことが起こることを示しました。これらのスイートスポットでは、第三次のねじれ（より複雑なバージョンの力）が、二次的なねじれと同じくらい強力になることがあります。

チームは、これがバグではなく「機能（フィーチャー）」であることを証明しました。これらの複数のねじれを共に機能させることで、単純なねじれだけに頼るよりもはるかに速く、システムをシュレーディンガーの猫状態へと進化させられることを見出したのです。それは、重い車を押そうとするようなものです。もし一人の人間が押すだけ（単純なねじれ）なら、時間がかかります。しかし、もし複数の人々が異なる角度から、かつ正確なタイミングで押す（複数の高次のねじれ）ことができれば、車は瞬時に前進します。

しかし、落とし穴がありました。この「チームによる押し」を完璧に機能させるためには、原子を非常に特定の、繊細な力の構成に調整する必要がありました。もし調整がわずかでも狂えば、スピードアップの効果は消えてしまいます。さらに、この方法を用いるには、通常、システムが特定の「コヒーレント」な状態から始まる必要があり、これは完璧に準備するのが困難です。

これを解決するために、研究者たちは新しいトリックを導入しました。それは、制御可能な「線形ドライブ」です。これは、プロセス中のいつでも原子を優しく押すことができるリモコンのようなものです。洗練されたコンピュータ・アルゴリズム（「クロトフ法」と呼ばれます）を使用して、完璧な「押し」のパターンを導き出すことで、彼らは原子を完全な静止状態（真空状態）から、直接「猫状態」へと導くことができることを示しました。これにより、システムが完璧な状態で始まる必要がなくなり、原子の力を極限まで微調整する必要もなくなりました。アルゴリズムは、自然界に存在するメチャクチャで複雑な力に適応しながら、目的を達成することができるのです。

シミュレーションで示された結果は、素晴らしいものでした。このスマートな制御を加えると、猫状態を作成するのにかかる時間が大幅に短縮されました。原子がエネルギーを失ったり、ノイズによって混乱したりする（デコヒーレンス）といった現実世界の課題をシミュレートした場合でも、この手法は有効でした。高次のねじれが強ければ強いほど、システムはターゲットとなる状態へとより速く駆動され、これらの壊れやすい量子状態を通常破壊してしまうノイズを、事実上追い越していくことができます。

要約すると、この論文は新しい考え方を提案しています。単一の種類の力だけが存在する完璧でクリーンな量子マシンを作ろうとするのではなく、自然界の混沌とした複雑な現実を受け入れることができるのです。スマートな制御を用い、リドベリ原子に自然に発生する強力な高次の非線形性を活用することで、私たちはより速く、より堅牢に量子状態を作り出すことができます。著者らは、これらの「望まぬ」不完全性は、実は貴重なリソースであり、問題を強力なツールへと変貌させるものであると結論づけています。