超伝導磁束量子ビットを用いた巨視的実在性問題の実験的検証に成功

1．研究の背景

二重スリットを通過した電子は一個ずつでも干渉縞を^※5示します。電子は分割できないので、これは電子がどちらか一方のスリットを通過したわけではなく、右のスリットと左のスリットを通る電子の重ね合わせ状態が実現していることを意味しています。この時スリットの直後に電子がどちらのスリットを通ったのかが分かるような観測をすると、重ね合わせ状態だった電子の状態がどちらかの状態に確定し干渉縞は消失してしまいます。これは日常見る巨視的世界では常識と考えられている「観測する前から状態は決まっている」という実在性が量子力学で記述される微視的世界では正しくないことを意味しています。巨視的世界も量子力学に従うのであれば、巨視的世界でも実在性は破れることが期待されます。本研究のねらいは常識に反する巨視的世界での実在性の破れを検証することです（図1）。

2．研究の成果

今回、NTT物性科学基礎研究所は、アルミニウム超伝導回路から成る超伝導磁束量子ビット（図2）において実在性の破れの検証実験を行い、実験誤差標準偏差の84倍の精度で超伝導磁束量子ビットの電流状態の非実在性を実証しました。これによって量子力学が微視的なスケールのみならず電流状態という巨視的なスケールまで適用できることを明らかにしました。
　実験は超伝導磁束量子ビットを10ｍKの極低温に冷却して行いました。この温度領域では熱による状態励起が無いため、量子ビットを最低エネルギー状態（基底状態：－1）に用意することができます。－1状態に用意した超伝導磁束量子ビットに2回の状態操作を行なった後に量子状態を読み出します。2回の状態操作の間に観測を行う場合と行わない場合で結果を比較します。
　まず、1回目の状態操作によって－1と＋1の重ね合わせ状態を生成し実験を行います（メイン実験^※6）。実在性が成り立っているのであれば観測前に既に状態が決まっているので、観測の有無によらず読み出しの結果は変わらないことが期待されますが、量子重ね合わせによって実在性が破れている場合には観測によって状態が＋1または－1に定まります。この重ね合わせ状態が実現し非実在性が現れるとき観測の有無による差は最も大きくなることが期待されます（図3）。次に、観測が状態を乱さないことを確認するための実験を行います（コントロール実験^※7）。1回目の状態操作によって－1または＋1状態を用意し観測の有無で差を測ります。この差が十分小さいことにより状態が観測によって変わらないことが分かります。実験の結果、メイン実験での差がコントロール実験での差を大きく超えており（図4）、電流状態という巨視的な量での実在性の破れを実証しました（図5）。

3．技術のポイント

（1）レゲット・ガーグ不等式^※8と数学的に等価な測定法を提案

ある物理系で実在性の破れを確認するためには実在性が満たすレゲット・ガーグ不等式と呼ばれる条件がその物理系で破れることを示す必要があります。この不等式は実在性が成り立てば必ず満たされますが量子力学のように実在性が成り立たない系では満たされない場合があります。しかしながら実験で直接レゲット・ガーグ不等式の破れを示すためには量子性が保たれる時間内に3回の高精度な測定が必要などの厳しい条件があり実証が困難でした。NTT物性科学基礎研究所では、レゲット・ガーグ不等式と数学的に等価な測定方法を用いることでこれらの実験的困難を克服しました。

（2）超伝導磁束量子ビットと状態の観測

巨視的非実在性を調べるには巨視的な系で観測による状態の乱れが小さいことが必要となります。超伝導磁束量子ビットには＋1と－1に対応する2つの状態があり、それぞれ右回りと左回りに数百nAの超伝導循環電流が流れています。これは毎秒10¹²個の電子の流れに相当し、可動コイル型検流計でも検出可能な程の巨視的なものです（図2）。また、この超伝導磁束量子ビットの電流の状態を乱さずに観測するする必要がありますが、観測後の状態を保持する量子非破壊測定^※9は一般に困難なものでした。NTTでは超伝導磁束量子ビットにジョセフソン分岐増幅（JBA） ^※10を用いることで高速高精度での電流状態の量子的に非破壊な観測を実現しました（図6）。

4．今後の展開

今後は観測による状態の乱れを更に抑えた測定を行っていきます。また、超伝導磁束量子ビットの電流を大きくしたり、集団の超伝導磁束量子ビットを用いることで更に巨視的なスケールでの実在性の破れの検証を目指します。

論文掲載情報

George C. Knee, Kosuke Kakuyanagi, Mao-Chuang Yeh, Yuichiro Matsuzaki, Hiraku Toida,
Hiroshi Yamaguchi, Shiro Saito, Anthony J. Leggett and William J. Munro
"A strict experimental test of macroscopic realism in a superconducting flux qubit"
Nature Communications （2016）.

用語解説

^※1超伝導磁束量子ビット
複数のジョセフソン接合を含む超伝導ループで構成される超伝導回路で、適切な磁場バイアスをかけることで右回り電流状態と左回り電流状態の2つの状態を量子二準位系として扱うことができます。

^※2実在性
例えば「誰も見ていなくとも月は存在する」のように日常見る世界で当たり前にみえる、観測の有無によらず対象が存在するという性質です。

^※3量子力学
微視的な電子や原子などが波と粒子の両方の性質を持って振る舞う様子を説明できる物理法則。量子重ね合わせ状態などの奇妙な状態が現れます。

^※4非実在性
観測以前に状態が前もって決まっていなく観測によって状態が決まる性質です。例えば量子力学で現れる2つの状態の量子重ね合わせ状態は観測以前には状態が決まっていません。観測することによって初めて重ね合わさっている2つの状態のどちらかに状態が決まります。

^※5干渉縞
波の性質を持つ系で山や谷どうしが重なり強めあう部分と、山と谷が打ち消しあい弱めあう部分が交互に現れてできる縞模様です。

^※6メイン実験
1回目の状態操作で＋1と－1の重ね合わせ状態を作り、観測によって状態が＋1か－1に決まるかどうかを確認するための実験です。実在性が破れていて量子重ね合わせが実現していれば観測によって状態が決まるため観測の有無による差が現れることが期待されます。

^※7コントロール実験
1回目の状態操作で重ね合わせの無い純粋な＋1または－1状態を用意し、観測によってその状態が変化しないことを確かめるための実験です。重ね合わせ状態を観測した際の変化と区別するため、この実験での観測による状態の変化は十分小さい必要があります。

^※8レゲット・ガーグ不等式
複数の時刻での測定値の相関から得られる不等式。実在性が成り立つ系ではこの不等式が満たされますが、量子力学の世界ではこの不等式が破れる場合があります。

^※9量子非破壊測定
量子系において、基底状態や励起状態などの固有状態を用意して測定した時、その状態が測定後も保持されるような測定です。

^※10ジョセフソン分岐増幅（JBA）
ジョセフソン接合を含む非線形共振器をマイクロ波で駆動し非線形性による双安定状態を生じさせ、共振器に結合した被測定系のわずかな変化により異なる状態に収束することで変化を検出します。超伝導磁束量子ビットの状態を量子非破壊に読み出すことが可能です。

図1　巨視的非実在性について

図2　超伝道磁束量子ビット

図3　測定方法

図4　実験結果と精度

図5　電流状態での実在性の破れ

図6　超伝道磁束量子ビットの状態観測