Magnetic Memory and Hysteresis from Quantum Transitions: Theory and Experiments on Quantum Annealers

1世紀近くもの間、科学者たちは材料がいかにして過去を記憶するかを理解するために、単純なテストを用いてきました。鉄の破片に磁場をかけ、その後ゆっくりと反転させることで、彼らはラグ（遅れ）を観察します。つまり、外部からの力が変化したとき、材料は即座に磁気方向を反転させるわけではありません。代わりに、材料は抵抗を示し、反対方向の力がそのグリップを壊すのに十分な強さになるまで、元の向きを保持し続けます。ヒステリシスとして知られるこの現象は、磁石がデータを保存できる理由であり、特定の材料がメモリデバイスとして機能する理由でもあります。日常的な物理学の世界において、この挙動はよく理解されており、変化に抵抗する安定した磁気領域の存在に基づいています。しかし、古典物理学の根本的な規則によれば、1次元の磁気原子の列においては、そのような抵抗は不可能であるはずです。複雑で安定した構造を作るための余分な次元がないため、これらの列は印加された磁場に対して即座に、かつ完璧に反転し、記憶を全く持たないはずなのです。

これは現代物理学にとって不可解な状況を生み出しています。研究者たちは最近、複雑な最適化問題を解くために設計された強力な量子コンピュータを使用して、磁性材料のシミュレーションを開始しました。これらのマシンは絶対零度に近い温度で作動し、粒子が複数の状態に同時に存在したり、障壁をトンネル抜けたりできるという量子力学の奇妙な規則を利用しています。これらの量子システムは、停滞した状態から脱出し、最適な解を迅速に見つけ出すように設計されているため、ヒステリシスを引き起こすまさにそのメモリ効果を排除すると予想されていました。ところが、科学者がこれらのマシン上で実験を行ったところ、予想とは逆の結果が得られました。数千個の量子ビットからなる1次元の列においてさえ、システムは即座に反転することを拒みました。それは頑固な抵抗を示し、古典的な期待を裏切る明確な記憶、すなわちラグを示したのです。この発見は、量子力学が記憶を消去するのではなく、全く新しい種類の記憶を生み出すことができることを示唆しています。

新しい研究において、ロスアラモス国立研究所の研究チームは、この驚くべき挙動を理解するために取り組みました。彼らは、数千の超伝導量子ビットを含む特化した量子アニーラーである、3つの異なる世代のD-Wave量子アニーラーを使用しました。研究者たちは、これらのマシンが長い磁気スピンのリングとして機能するようにプログラムしました。これには、最大4,906個の個別のユニットを含むものもありました。その後、彼らは磁場の方向をゆっくりと変化させ、古典的なヒステリステスのテストを模倣しました。結果は衝撃的でした。古典物理学では抵抗が生じないと予測されている1次元のリングであっても、量子システムは明確な「保磁力（coercivity）」、つまり磁化を反転させるのがどれほど困難かを示す尺度を示しました。システムは単に反転したのではなく、躊躇し、それが過去の向きを記憶していることを証明するデータ上のループを作り出したのです。この記憶は、古典理論では禁止されているはずの領域においても持続していました。

これがどのようにして起こるのかを説明するために、チームは問題の異なる2つの見方を組み合わせた新しい理論的枠組みを開発しました。彼らは、システムが量子マシンと古典的なマシンのハイブリッドのように振る舞うことに気づきました。量子的な側面では、システムはエネルギー状態の間を急速かつ離散的にジャンプします。これは、粒子が壁をトンネル抜けようとする動きに似ています。古典的な側面では、これらのジャンプが発生すると、システムは異なる磁気配列の領域を隔てる「ドメイン壁（領域壁）」の集合体として振る舞います。研究者たちは、メモリ効果がこれら2つのプロセスの相互作用から生じることを発見しました。量子ジャンプは、最低エネルギー構成ではない励起状態を作り出し、ドメイン壁の動きが、システムがいかに速く安定した状態に緩和（リラックス）できるかを決定します。システムがこれらの励起状態にしばらくの間トラップされるため、即座に反転することができず、観察されたラグが生じるのです。

この研究は、この挙動がハードウェアの単なる不具合ではなく、真正の物理現象であることを確認しました。研究者たちは、磁場に対する一時的な負の応答や、磁化が定まる前に複雑なパターンで前後に反転する非単調な反転など、量子システムにしか起こり得ない特定のシグネチャーを観察しました。これらの特徴は、正確な量子遷移の計算と磁気境界の動きのモデリングを交互に行う手法を用いたコンピュータ・シミュレーションによっても再現されました。シミュレーションは量子アニーラーからの実験データとほぼ完璧に一致し、ヒステリシス・ループの形状や、磁場掃引の速度の変化に伴うメモリ効果の変化を捉えていました。

最も重要な発見の一つは、この量子メモリが、普通の材料に見られる熱的なメモリとは異なるということです。標準的な磁石では、熱が材料の反転を助けます。しかし、これらの量子実験では、熱的なゆらぎが無視できるほどシステムが冷たい状態であっても、メモリは持続します。代わりに、メモリは磁場の変化速度と、量子状態間の自然なエネルギーギャップとの間の競争によって駆動されます。磁場が変化する速度が速すぎると、システムはついていくことができず、高エネルギー状態に閉じ込められます。もし変化がゆっくりであれば、システムは緩和する時間を持つことができます。研究者たちは、量子的な力の強さと掃引速度を調整することで、メモリ効果の大きさを制御し、ヒステリシス・ループを意図的に縮小または拡大できることを見出しました。

チームはまた、システムのサイズがこの挙動にどのように影響するかについても調査しました。彼らは、わずか4個の量子ビットから、5,000個近いものまで、さまざまなサイズのリングをテストしました。最小のシステムでは量子効果が最も顕著でしたが、メモリ効果は最大のリングにおいても堅牢に維持されていました。これは、この現象が小規模な異常ではなく、量子システムが非平衡状態へと駆り立てられる際の根本的な特性であることを示唆しています。研究者たちは、2次元の格子においては挙動が異なり、古典的な磁石について知られている通り、より強い磁気秩序とスピンを反転させるための大きな磁場が必要であることを指摘しました。しかし、1次元のリングは依然として最も驚くべきものであり、古典物理学が生存を認めないレベルの抵抗を示しました。

この研究は、量子アニーラーが、非平衡ダイナミクス（システムが静止した状態にあるのではなく、押し引きされている時の振る舞いを扱う分野）を研究するための強力なツールであることを確立しました。これらのマシンがプログラム可能なメモリを示すことを実証したことで、研究者たちは、量子システムがいかに情報を処理し、履歴を保持するかを探求するための新しい道を切り開きました。プログラム可能なデバイスを用いてこれらの効果を観察・制御できることは、科学者が以前は不可能であった方法で、量子メモリや相転移に関する理論をテストできることを意味します。この研究は、量子磁性のすべての謎を解明したと主張するものではありませんが、量子遷移とドメイン壁の運動の混沌としたダンスから、いかにしてメモリが創発するかについての、明確で実験的に検証された姿を提供しています。

この研究の意義は、実験で使用された特定のマシンを超えて広がっています。研究者が開発したハイブリッドモデルは、量子計算と移動する境界の古典的記述を混合したものであり、複雑な磁性材料をシミュレートするための新しい方法を提供します。このアプローチは、科学者がより優れた磁気ストレージデバイスを設計したり、標準的なカテゴリーに当てはまらないエキゾチックな材料の挙動を理解したりするのに役立つ可能性があります。さらに重要なことに、これは量子コンピュータが単に計算が速いだけでなく、物理学の基本法則をテストし、操作することができるユニークな実験室であることを強調しています。1次元量子システムにおけるヒステリシスの観察は、自然界がしばしば私たちの最も基本的な仮定に挑戦する驚きを秘めていることを思い出させ、量子世界と古典世界の境界が、これまで考えられていたよりもはるかに多孔的であることを示しています。

研究者たちは、実験で観察されたメモリは真正な量子効果であり、システムが状態間を遷移し、緩和する特定の方法から生じていると結論付けました。彼らは、結果が単なる熱や古典的なノイズによるものである可能性を排除しました。なぜなら、それらの要因が無視できるはずの条件下でも、この挙動は持続したからです。むしろ、メモリは、変化する磁場に対してシステムが即座に適応できないこと、すなわち、量子遷移が発生し、その結果としての磁気ドメインが再編成されるために必要な有限の時間によって生じるラグの直接的な結果なのです。この研究は、量子力学がいかにして、古典的な材料の能力を模倣し、時にはそれを超える集団的挙動を生じさせ得るかを示す具体的な例を提供しています。これらの量子メモリ効果を理解し活用することで、私たちが理解し始めたばかりの原理に基づいて動作する、新しいタイプのコンピューティングやセンシング技術を開発できる可能性があることを示唆しています。