Observation of disorder-free localization using a (2+1)D lattice gauge theory on a quantum processor
本論文は、量子プロセッサ上における(2+1)次元並進不変格子ゲージ理論における無秩序のない局在化の観測を実証し、ゲージセクターにわたる重ね合わせ状態を利用することで、無秩序構成のサンプリングにおいて多項式的な高速化を実現する新しいアルゴリズムを提案するものである。
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日常的な物質が構成する固体の世界において、電気や熱は通常、何かがその経路を遮るまで、パイプの中を流れる水のように自由に流れます。数十年の間、物理学者は、もし材料が完全に清潔で均一であれば、エネルギーはシステムが穏やかで予測可能な状態に落ち着くまで、均等に広がっていくことを理解していました。しかし、もし材料が乱れていたり、無秩序であったりする場合（ランダムな不純物で満たされている場合）、エネルギーはまるでパイプが破片で詰まったかのように、その場に留まり、閉じ込められてしまいます。この現象は「局在化」として知られており、エネルギーの流れを止めるためのよく知られた方法です。長い間、科学者たちは、もしシステム内の粒子が互いに相互作用する場合、この閉じ込める効果は最終的に崩壊し、材料がいかに乱れていてもエネルギーが再び流れるようになると信じてきました。しかし、最近の理論は、相互作用するシステムであっても、無秩序さが信じられないほど長い間エネルギーを捕らえ続け、システムを落ち着くことを拒むような状態を作り出す可能性があることを示唆しました。
Google Quantum AIの研究チームとその共同研究者たちは、今、この概念に対する驚くべきひねりを観察しました。彼らは、システムが完全に清潔で、無秩序が全く存在しない場合でも、エネルギーが閉じ込められ、広がることができない現象を発見しました。最近発表された研究によるこの発見は、「エネルギーの流れを止めるには乱れが必要である」という直感に異を唱えるものです。強力な量子コンピュータを使用することで、チームは、粒子と力が高度に構造化された方法で相互作用する特定の種類の格子をシミュレートしました。彼らは、この格子の中心に小さなエネルギーのバーストを導入したときに何が起こるかを観察しました。通常の清潔なシステムでは、そのエネルギーは外側へと波及し、格子全体に広がり、均等に分布するはずです。しかし、特定の条件下では、エネルギーは始まった場所のすぐ近くに留まり、拡散することを拒むことがわかりました。
実験は、量子粒子（の振る舞い）を模倣するために微小な回路を用いる量子プロセッサ、超伝導量子プロセッサ上で行われました。研究者たちは、線で結ばれた点のグリッドである「格子」のデジタルモデルを構築しました。この格子上に、彼らは2種類のコンポーネントを配置しました。エネルギーを運ぶ粒子として機能する「物質」量子ビットと、それらを結びつける力として機能する「ゲージ」量子ビットです。チームは、ランダムな変動や不純物のない、完全に均一で秩序ある状態としてシステムを準備しました。そして、静かな池に小石を投げ入れたときのように、格子の真ん中に小さな乱れを作り出しました。標準的な清潔なシステムでは、その小石からの波紋は外側へと伝わり、最終的には表面全体を洗うように広がります。
研究者が観察したのは、それとは異なるものでした。システムを「量子重ね合わせ」（システムが一度に多くの可能な構成の中に存在する状態）を含む特定の方法で準備したとき、エネルギーの乱れは広がりませんでした。代わりに、エネルギーは格子の中心付近に局在したままとなりました。エネルギーは閉じ込められたままであり、システムは乱れが始まった場所の記憶を、多くの進化サイクルを経た後でも保持していました。著者らが「無秩序レス局在（disorder-free localization）」と呼ぶこの挙動は、一次元のリングと二次元の格子譜の両方で見られました。この現象の鍵は、無秩序の欠如ではなく、むしろ無秩序の効果を模倣する特定の種類の手順としての「秩序」にありました。システムの内部対称性が、実際のランダム性は存在しないにもかかわらず、エネルギーを閉じ込める実効的な背景として機能するランダムな景観のようなものを作り出したのです。
なぜこのようなことが起きたのかを理解するために、研究者たちは異なる視点からシステムを分析しました。彼らは、自分たちが作り出した清潔で均一な状態が、実は多くの異なる「無秩序」構成の重ね合わせであることを理解しました。これらの隠れた構成の多くにおいて、背景のポテンシャルは乱れており、それはエネルギーを閉じ込めることが知られています。量子システムはこれらすべての可能性を同時に探索していたため、エネルギーは大部分の構成において閉じ込められ、結果としてエネルギーが移動できないという全体的な効果をもたらしました。これは、単に多くの異なる乱れた実験を平均化したシステムとは異なります。ここでは、単一の清潔な実験が、量子状態がどのように組み合わされたかによって、自然に閉じ込め効果を生み出したのです。
チームはまた、システムの内部接続が時間の経過とともにどのように変化するかを測定しました。彼らは、システムの「エンタングルメント・エントロピー」（部分同士がどれだけ結びついているかの尺度）が、典型的な無秩序システムよりも、この無秩序レスの閉じ込め状態においてはるかに速く成長することを発見しました。これは極めて重要な発見でした。なぜなら、この閉じ込められた状態が、科学者たちが長年研究してきた従来の「多体局在（many-body localized）」状態とは根本的に異なることを示したからです。従来の無秩序なシステムでは、部分間の接続は非常にゆっくりと成長します。この新しい無秩序レスの状態では、接続は急速に成長しており、これは、伝統的な意味での「完全に流れている」わけでも「完全に詰まっている」わけでもない、ユニークなタイプの量子挙動を示唆しています。
研究者たちは、81個の量子ビットを持つ二次元格子で同じ実験を行うことで、これらの知見を確認しました。一次元のリングと同様に、システムを重ね合わせ状態で準備した場合にはエネルギーの乱れは局在しましたが、単一の非重ね合わせ状態で準備した場合には自由に広がりました。結果は両方の次元で一貫しており、この現象が堅牢であり、特定のセットアップによる偶然の産物ではないことを示唆しています。チームは実験データをコンピュータシミュレーションと比較し、システムがより大きく複雑になっても、実際の量子プロセッサが理論的予測と密接に一致していることを確認しました。
この研究は、単に新しい状態の物質を観察することにとどまりません。それは、無秩序そのものを研究するための新しい方法を提示しています。通常、乱れたシステムがどのように振る舞うかを理解するには、科学者は不純物の異なるランダムな配置を用いて数千回のシミュレーションを実行し、その結果を平均化しなければなりません。これは計算コストが高く、困難な作業です。研究者たちは、量子重ね合わせを用いることで、単一の実験の中で実質的にすべての可能な無秩序構成をサンプリングできることを示しました。このアプローチは、複雑な材料の研究を大幅に加速させ、古典的なコンピュータでは現在到達できない稀な事象や極限条件の探索を可能にする可能性があります。
この研究は、物理システムの対称性と、エネルギーがどのように移動するかとの間の深い結びつきを浮き彫りにしています。エネルギーの流れを止めるために、乱れた環境は必要ではなく、適切な種類の「量子的秩序」さえあればよいことを示しています。この洞察は、物理学者が、量子コンピュータを安定させるために不可欠な要件である「情報の拡散や漏洩を防ぐことができる」新しい材料や量子デバイスを設計する上で役立つ可能性があります。無秩序なしでも局在が起こり得ることを示すことで、研究者たちは量子システムがどのように進化するかという研究における新しい章を開き、混沌の不在が、時にその存在と同じ効果を生み出すことを証明したのです。
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