極低温の原子気体を用いて物質の新しい量子状態を作り出すことに成功～量子シミュレーター実現への道をひらく～

用語解説

レーザー冷却などの実験技術を用いることで、真空容器内の気体を絶対温度でナノケルビン（ナノは10億分の1）の温度にまで冷却することが可能になっています。これは地球上で実現される最も低い温度で、このような温度領域をここでは極低温と呼びます。

真空容器の中に閉じ込められた原子の気体を総称して原子気体と呼びます。図1中央の緑色の点はレーザー冷却されたイッテルビウムの原子気体が緑色の光を発している様子を写真に撮ったものです。

量子力学によって記述される状態のことで、一般的には温度の影響が無視できるような低温で実現されます。

物質などで起きる複雑な量子力学的な現象を、人為的に作成した単純で制御しやすい別のシステムを使ってシミュレーションすることを量子シミュレーションと呼びます。この目的のために作成された別のシステムが量子シミュレーターです。

Natureシリーズの物理学領域の専門誌であり、物理学の全領域において重要となる最新の研究結果が掲載されます。

レーザー光で作成された周期的な構造をもつ人工の結晶のことです。図2に示されるように、原子を光格子の中に閉じ込めることで、あたかも電子が物質の中を動きまわるような状況を仮想的に作ることができます。

原子番号70の元素であり、希土類元素に属します。元素記号はYb。7種類の安定な同位体が存在します。

同じ原子番号をもつ元素で原子核の中に含まれる中性子の数が異なる原子のことです。

ここでは量子力学が対象とする電子や原子などの微視的な大きさの粒子を指します。

量子力学によって記述される粒子の一つであり、量子力学的な自由度を示すスピンの値が1、2、3、…と整数の値をとり、一つの量子状態に任意の数の粒子が存在できるという性質を持ちます。光子や質量数4のヘリウム原子などがボソンに属することが知られています。

スピンの値が1/2、3/2、5/2、…と半整数の値をとり、一つの量子状態に複数の粒子は存在できないという性質を持ちます。電子、陽子、中性子などがフェルミオンに属することが知られています。

原子同士が衝突することで原子間には相互作用が働きます。原子同士が避け合うような場合は相互作用が斥力的、逆に引き合うような場合は相互作用が引力的となります。今回の研究では、イッテルビウム原子の同位体を選択することで、ボソンとフェルミオン間にそれぞれ斥力と引力が働く場合を実現しました。

ボソンとフェルミオンが強く避け合うことによって、光格子の格子点上でボソンとフェルミオンがそれぞれ1個ずつランダムに配置された状態が実現します（図4左）。これを混合モット絶縁体状態と呼びます。

ボソンとフェルミオン間に働く強い引力によって、光格子の格子点上で複数のボソンとフェルミオンが合わさって一つの粒子のようになった状態が実現します（図4右）。これを複合粒子状態と呼びます。

ある種の物質では高温で乱れていた状態が温度を下げることによって秩序を持った状態（秩序状態）に変化することが知られています。これは純粋に量子力学的な現象で、今回見出された混合モット絶縁体もさらに冷却することにより、ボソンとフェルミオンが周期的に配列された秩序状態に変化していくと予想されます。

物質が原子、電子といった微視的なレベルで磁場に対して反応する性質のことです。

ある種の金属や合金、さらには化合物を低温に冷やした場合、電気抵抗がその物質固有の温度以下でゼロになる現象のことです。

量子力学的な状態である「量子ビット」に様々な演算をさせることにより情報処理を行うコンピュータのことです。演算途中の状態で「重ね合わせ」という量子特有の状態を扱えるため、素因数分解やデータベース検索などにおいては、現状のコンピュータとは桁違いの速さで処理が可能になります。