Refrigeration of a 1D gas of microwave photons

量子物理学の世界では、科学者たちは光を閉じ込め制御するために、超伝導金属を用いた極小の回路をしばしば構築します。これらの回路は、自然界では不可能な方法でフォトンの相互作用を引き起こすことができる、ミニチュアの実験室として機能します。これらの相互作用を研究するために、研究者たちは光が極めて低温であり、理想的には最低エネルギー状態にあることを必要とします。通常、これは回路全体を絶対零度に近い温度まで冷却する巨大な冷蔵庫の中に配置することによって達成されます。しかし、この標準的な手法には重大な欠陥があります。回路が冷たくなればなるほど、その中の光は単に消失してしまうのです。フォトンの消失は、システムを空っぽにしてしまい、研究者が研究できない状態にしてしまいます。これは、複雑な量子材料をシミュレートしたり、新しい理論をテストしたりしようとする人々にとって、ジレンマを生み出します。なぜなら、彼らは「冷たく」かつ「光で満たされた」システムを必要としているからです。

ミュンヘン工科大学の研究チームは、この問題を解決するための巧妙な方法を提案しました。彼らは、フォトンの流れを消滅させることなく冷却する方法を設計しました。システム全体を凍らせて光を失わせる代わりに、エネルギーの「一方通行の道」として機能する特定のメカニズムを設計したのです。伝送路の一端を特殊な損失のあるコンポーネントに接続することで、高エネルギーのフォトンの強制的により低いエネルギーレベルへと落下させるプロセスを作り出しました。落下する際、フォトンの余剰エネルギーは別の「廃棄」チャネルへと放出され、そこから環境へと急速に散逸します。決定的なのは、このプロセスがフォトンの破壊を伴わないことです。単にフォトンの状態をより穏やかなものへと移動させるだけであり、これにより、光のガスは冷蔵庫自体が提供できる温度よりもはるかに低い温度に到達しながら、フォトンの総数を維持することができます。

研究者たちは、多くの異なる周波数の光をサポートする長い一次元ワイヤーを用いて、このセットアップをモデル化しました。その一端には、ジョセフソン素子として知られる超伝導ループからなる非線形デバイスが取り付けられています。このデバイスは外部信号によって駆動され、高周波モードのフォトンの一つが、低周波モードのフォトンと廃棄チャネル内の第三のフォトンへと自発的に変換できる特定の相互作用を生み出します。廃棄チャネルは非常に「漏れやすい」ように設計されており、受け取ったエネルギーを即座に周囲の環境へと排出します。これにより、フォトンの絶え間ない循環が生まれ、フォトンのエネルギーが常に高エネルギーから低エネルギーへと移動し、実質的にガスを冷却します。チームは、この設計された冷却プロセスが、システムが熱くなろうとしたり、環境にフォトンの損失が生じたりする自然な傾向と競合することを発見しました。これら二つの力を注意深く調整することで、光がシステム内に留まりつつ、デバイスを保持している冷蔵庫よりもはるかに低い温度に落ち着く定常状態を予測しました。

彼らの分析における最も驚くべき発見の一つは、この冷却が標準的な物理学を覆すような方法で光の挙動を変化させることです。通常の平衡状態のシステムでは、一次元の光のガスを冷却すると、通常はフォトンの消失を招きます。しかし、この設計されたシナリオでは、システムの総エネルギーは環境の温度に固定されている一方で、フォトンの数は冷却メカニズムによって保存されています。この不一致により、システムは異なる挙動を強いられます。つまり、光が冷却されるにつれて、粒子あたりのエネルギーが低下することを補うために、フォトンの総数が実際に増加するのです。研究者たちは、現実的な実験設定において、これが数百個のマイクロ波フォトンのガスを数ミリケルビン以下の温度で準備することを可能にすると計算しました。これは、通常20ミリケルビン程度である、これらの実験で使用される希釈冷凍機のベース温度よりも大幅に低い温度です。

この研究はまた、通常の平衡状態では起こらない、新しいタイプの相転移をも明らかにしました。冷却がより効果的になると、フォトンの集積が始まり、最低エネルギー状態に凝縮します。標準的な一次元システムでは、このような集積は全く予想されません。しかし、研究者たちのセットアップはフォトンの数を保存しながらエネルギーを下げるため、システムはこの凝縮状態へと強制的に導かれます。チームはコンピュータ・シミュレーションを用いて、この転移が鋭く明確であり、大部分のフォトンの多くが基底状態に集まり、高エネルギーモードが比較的空の状態になることを示しました。この挙動は、粒子が単一の量子実体として振る舞う状態であるボース＝アインシュタイン凝縮の形成を模倣していますが、これは受動的な冷却のみでは達成不可能な条件下で発生します。

アイデアが単なる理論にとどまらないことを確実にするため、研究者たちはこのデバイスを構築するために必要な具体的な回路の詳細を検討しました。彼らは、必要な非線形相互作用を作り出すために、SNAILと呼ばれる特定の種類の超伝導ループを使用する方法を記述しました。このループに精密にタイミングを合わせた外部磁束を印加することで、特定の周波数差のモードに対して相互作用を共鳴させることができます。彼らの計算によれば、実験室で予想される不完全性やノイズが存在する場合でも、システムは安定したままです。彼らは、回路材料による残留効果が性能を制限する可能性があることも指摘しましたが、コアとなるメカニズムは現在の技術で実証できるほど堅牢です。この研究は、このアプローチが量子シミュレーションのための強力なツールとなり、これまでアクセス不可能であった領域での複雑な多体系の研究を可能にすることを示唆しています。

この研究の意義は、単に光を冷却することにとどまりません。システムの粒子数を変えることなくシステムを冷却するリザーバー（貯蔵庫）を設計することが可能であることを示すことで、研究者たちは量子状態を制御するための新しい道を切り開きました。これは、量子重力の理論をテストしたり、エキゾチックな材料をシミュレートしたりするために必要な、安定した低温の物質状態の創出を可能にします。フォトンのガスに対して、高い粒子密度を維持しながらサブミリケルビン温度に到達できる能力は、この分野における長年のボトルネックを解決するものです。研究者たちは、彼らの結果が現在は詳細な理論モデルとシミュレーションに基づいているものの、デバイスを構築するために必要なコンポーネントはすでに現代の超伝導回路として存在していることを強調しています。これにより、理論から実験への移行は、新しい物理学を必要とするものではなく、エンジニアリングの問題となり、量子技術を進展させるための明確かつ達成可能な道筋を提供しています。