物理学の法則を破る「時間結晶」を15分以上も観察し続けることに成功、量子コンピューターの研究にも弾み

「時間結晶」とは、安定した物体が時間を通して変化しないという物理学の規則を破り、エネルギーの出入りがない基底状態でも運動を繰り返す物質の状態のことです。かつては「時間結晶は実現不可能」とも考えられてきましたが、近年では時間結晶の作成や時間結晶が振動する様子の撮影などが成功しています。新たにイギリスやフィンランドなどの研究チームが、「時間結晶を15分以上も観察し続ける」という実験に成功したと報告しました。

Nonlinear two-level dynamics of quantum time crystals | Nature Communications
https://doi.org/10.1038/s41467-022-30783-w

Time crystals “impossible” but obey quantum p | EurekAlert!
https://www.eurekalert.org/news-releases/954258

'Time crystals' work around laws of physics to offer new era of quantum computing | Space
https://www.space.com/time-crystals-quantum-computing

New time crystal experiment may open new horizons in quantum computing - The Jerusalem Post
https://www.jpost.com/science/article-709171

2012年にマサチューセッツ工科大学の物理学者フランク・ウィルチェック氏が提唱した概念である「時間結晶」は、安定した物体が時間を通して変化しないという物理学の法則「time-translation symmetry(時間並進対称性)」を破る存在です。

たとえば、安定した基底状態にある氷は変化することがなく、温度や圧力など外部の要因によって不安定になった時のみ変化します。しかし、時間結晶は安定した基底状態であっても変化し、外部とのエネルギーの出入りがないにもかかわらず、原子が振動したり回転したりする動きを永続的に維持することが可能です。

イギリス・ランカスター大学の物理学者であり今回の研究チームを率いたSamuli Autti氏は、「永久機関は不可能であると誰もが知っています。しかし、量子物理学では目を閉じている限り、永久運動が可能となります。この亀裂をこっそり抜けることで、私たちは時間結晶を作ることができます」と述べています。

Autti氏らの研究チームは、時間結晶に対するエネルギーの出入りをなくすため、ヘリウムの同位体であるヘリウム3をほぼ絶対零度の超低温に冷やした超流動体の中に時間結晶を作成しました。超流動体は粘性が0であるため、摩擦によって運動エネルギーが失われることなく時間結晶を観察できるとのこと。

そして研究チームは、超流動体の内部に相互作用する2つの時間結晶を作り出し、約1000秒(約17分)という記録的な時間にわたり観察し続けることに成功しました。これは時間結晶における原子振動からみると非常に長い時間といえます。

さらに、今回の実験では2つの時間結晶がリンクし、一方の振動をもう一方に移動させることもできたとのこと。フィンランド・アールト大学の研究者であるJere Mäkinen氏は、「実験中、私たちは2つの時間結晶の周波数を交差させることができました。両者の周波数がほぼ同じになると、それらは相互作用し、それぞれの振幅の一部がもう一方の結晶に移動します」と述べました。

複数の時間結晶をリンクさせることは量子コンピューターの構築にも役立つとされており、今回の研究結果は量子コンピューターの研究にも弾みとなります。なお、今回の実験では極端に冷たい超流動体を用いましたが、過去の研究では時間結晶が室温で存在できることも確認されており、室温で動作する量子コンピューター開発にも期待がかかっています。

なお、ハンブルク大学レーザー物理学研究所のチームは2022年6月9日に発表した論文で、「時間並進対称性を自発的に破る時間結晶の実現に初めて成功した」と報告しています。

Researchers observe continuous time crystal
https://phys.org/news/2022-06-crystal.html