Selective Control and Imaging of Higgs and Goldstone Modes with a Quantum Simulator

物理的な世界において、多くの系は最終的にそれを使用しない隠れた対称性のポテンシャルを保持しています。例えば磁石を考えると、物理法則はあらゆる方向を平等に扱っていますが、磁石は自発的に特定の北と南を選び出し、その完璧なバランスを破ります。この現象は「自発的対称性の破れ」として知られており、磁石の仕組みから粒子が質量を持つ理由に至るまで、あらゆることが解明される基礎となる原理です。システムがこの対称性を破るとき、それは単に新しい状態に落ち着くだけではなく、物質内を移動する波紋、すなわち集団的な振動を生じさせます。超流動体（摩擦なく流れる流体）の世界では、これらの波紋には2つの異なる性質があります。一方は、池を渡る波のように密度の変化に伴って前後へ揺れ動くタイプであり、もう一方は、全体の密度を変えることなく、呼吸する肺のように膨張・収縮して強度が脈打つタイプです。前者はよく理解されている波動ですが、後者であるシステムの強度そのもののより捉えにくい振動は、分離して研究することが極めて困難であることで知られてきました。

研究チームは今、量子シミュレーターを用いた制御された実験室環境において、これら2つの明確に異なる振動を隔離し、可視化することに成功しました。人工原子による二次元格子を用いて構築されたこの量子シミュレーターを用いることで、彼らは自然界の大規模な系では不可能な精度で、これらのモードを励起し、その挙動を観察することができました。実験は、各地点に平均してちょうど1つの粒子が存在するように配置された人工原子の特定の状態で焦点を当てました。この状態において、システムは超流動体のように振る舞います。研究者たちは、隣接する原子間の結合を注意深く調整することで、グリッド全体に強度のパルスを与え、あの捉えどころのない「呼吸」のような振動を作り出すことができることを見出しました。逆に、局所的な押し引きのパターンを与えることで、密度波を生成することも可能でした。決定的なことに、彼らは自分たちの小さな有限の系においては、「呼吸」の振動はすぐに消散しないことを発見しました。代わりに、それは鋭くクリアな信号として長時間残り続けましたが、これは無限かつマクロな世界で起こることとは対照的な挙動です。

彼らは、人工原子として機能する超伝導回路の一種であるトランスモン量子ビットのラティスを構成することでこれを達成しました。彼らはこれらの回路に対し、粒子のホッピング（跳躍）に関する理論的枠組みであるボース＝ハバード模型に従うようプログラムしました。このセットアップでは、隣接するサイト間の相互作用の強さや、特定のサイトに粒子が留まる際のエネルギーコストを調整することができます。チームは、グリッドが平均して正確に1粒子あたり1つのサイトで満たされている領域で作業を行いました。これは超流動性が現れる条件となります。何が起きているのかを見るために、彼らは物理学者が通常超流動体を記述するために用いる抽象的な「秩序パラメータ」を直接測定したのではありません。代わりに、それぞれのサイトにある粒子の数を直接観察しました。すると、システムが「呼吸」モードで振動しているとき、2つの粒子を同時に持つサイトの数が空いているサイトの数と同調して増減しており、全粒子数は一定に保たれていることが分かりました。このように、合計粒子数を変えずに、2個の粒子を持つ状態とゼロの状態の間で振動することは、振幅モードの特徴なのです。

この特定の振動を引き起こすため、研究者たちはすべてのサイト間の接続に対して均一な変調を加えました。リンクに対するこのようなグローバルな押し引きによって、グリッド全体の内部構造が拡張および収縮しました。彼らは結果としての振動を、各サイトが2つの粒子を持っている割合——彼らが「ドブラロン分率」と呼ぶ量——を測定することで検出しました。データは、この分率における明白でリズムのある上昇と下降を示しており、システムが振幅モードで振動していることを裏付けました。別の実験セットでは、空間的に変化するポтенシャルを適用することにより、粒子を格子の間を波のように押し進めることで、密度波モードを励起しました。これにより、波が格子の中を通過する際に局所的な粒子の密度が上下しました。これら2つのモードはそれぞれ異なる種類の入力に反応し、互いに干渉しなかったことから、これらが異なる対称性を持つ別々の物理現象であることが確認されました。

本研究の鍵となる発見は、系のサイズがこれらの振動の寿命にどのように影響するかという点です。理論上の無限に大きなシステムでは、「呼吸」モードは急速に崩壊すると予想されています。それは、より低エネルギーの密度波のペアへと分裂することで行われ、このプロセスが信号をぼやけさせ、観測を困難にします。しかし、4×4から7×7のサイトで構成された彼らのメゾスコピックな系においては、この崩壊チャネルが遮断されていました。系が有限であったため、可能な低エネルギー状態は連続的な流れではなく、離散的なステップとなっていました。この離散性が、呼吸モードが容易に分解することを防ぎ、コヒーレントで長寿命な励起として存続させることを可能にしたのです。研究者たちは、サイト間の接続をランプ関数状に変調しながら、システムの進化を観察することでこれを確認しました。彼らは、ドブラロン分率が数百ナノ秒間にわたって振動する様子を目撃しましたが、これは大規模なシステムであれば信号が即座にかき消されてしまうような持続時間です。

また、チームは系が粒子が固定された状態から超流動状態へと移行するにつれて、これらの振動がどのように変化するかをマッピングしました。彼らはサイト間のホッピングの強さを変化させ、振動の周波数を測定しました。その結果、呼吸モードの周波数は、絶縁体相と超流動相の境界に対応する特定の一点で最小値に達することを発見しました。一方で、密度波モードは異なる挙動を示し、システムがより超流動的になるにつれてその周波数が低下しました。数値シミュレーションと比較することで、彼らは自分たちの実験結果が有限サイズの系に対する理論予測と一致していることを確認しました。シミュレーションによれば、系が大きくなるにつれて、呼吸モードの離散的なピークは融合し始め、最終的には期待通りの広範で不明瞭な特徴を形成します。

この研究は、有限の量子シマーレーターが、大規模な限界においてはしばしば覆い隠されてしまう物理現象を探査するための強力なツールとなり得ることを示しています。制御可能なほど小さく、かつコレクティブな行動を示すのに十分な大きさを持った系を用いることで、研究者たちはヒッグス型の振幅モードを孤立させ、それを鮮明に観察することができました。彼らは、系の有限なサイズが制限であるとされることが多い一方で、ここではむしろ励起を崩壊から守るスペクトルギャップを作り出すという独自の利点を提供していることを証明しました。秩序パラメータを直接測定せずとも、これらのモードを選択的に励起し検出し得ることへの能力は、対称性の破れのダイナミクスを研究する新たな道を切り開きます。今回の成果は、コントロールされた環境下での集団励起の振る舞いについて明確な実験的事実を提供し、微視的な量子力学と巨視的な物理法則との架け橋となっています。