「量子もつれ」で空っぽの空間からエネルギーを抽出→瞬間移動→後で使えるよう保存に成功　米研究者が発表：Innovative Tech

Innovative Tech：

このコーナーでは、2014年から先端テクノロジーの研究を論文単位で記事にしているWebメディア「Seamless」（シームレス）を主宰する山下裕毅氏が執筆。新規性の高い科学論文を山下氏がピックアップし、解説する。

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　米パデュー大学と米ノースカロライナ州立大学に所属する研究者らが発表した論文「Extracting and Storing Energy From a Quasi-Vacuum on a Quantum Computer」は、量子力学の性質を利用して、一見空っぽに見える空間からエネルギーを抽出し、瞬間移動させ、さらには貯蔵する方法を実証した研究報告である。

量子力学を利用して、空っぽに見える空間からエネルギーを抽出→瞬間移動→貯蔵する方法

　量子力学の世界では、完全に空の空間は存在しない。どんなに何もない場所でも、量子場の微小な揺らぎ（真空の量子揺らぎ）が常に存在する。これは、ハイゼンベルクの不確定性原理に基づく現象で、エネルギーと時間の関係から生じる。

　研究チームは、この量子揺らぎと量子もつれ（2つの粒子がどれだけ離れていても相関関係を保つ現象のこと）の性質を組み合わせて、抽出、転送、貯蔵の3つでエネルギーを操作することに成功した。

　エネルギーの抽出では、まず量子もつれ状態にある2つの量子ビット（キュービット）を用意する。これらは初期状態では最低エネルギー状態にある。一方のキュービットを測定すると、その測定行為によってエネルギーがその場に注入され、量子状態が変化する。もう一方のキュービットのエネルギーはその時点では変化しないが、測定結果の情報を用いることで、そのキュービットからエネルギーを取り出すことが可能になる。

　エネルギーの転送では、量子エネルギーテレポーテーション（QET）プロトコルを使用する。これは量子もつれの性質と古典的な通信を組み合わせたもので、一方のキュービットの測定結果に基づいて他方のキュービットに操作を加えることで、エネルギーを転送（テレポート）する。

　エネルギーの貯蔵では、転送されたエネルギーは非常に微弱で不安定なため、すぐに環境に逃げてしまう。そこで研究チームは、このエネルギーを第3のキュービットに転送して貯蔵する方法を開発した。これにより、抽出したエネルギーを後の利用のために保持できるようになった。

アリスとボブは、もつれ状態の3つの量子ビットを準備する　アリスが量子ビットAを測定し、結果をボブに伝える　ボブはこの情報を使って、量子ビットCがエネルギーを受け取れるよう準備する　次に、ボブは量子ビットBからエネルギーを抽出し、それを量子ビットCに移す　抽出したエネルギーは量子ビットCに格納され、後で使えるよう保存される

　この研究は、米IBMの量子コンピュータと量子回路シミュレーターの両方を用いて実証されており、理論と実験の両面から検証が進んでいる。まだ実験段階だが、将来的には量子コンピュータの性能向上や、他のさまざまな分野での応用が期待される。

Source and Image Credits: Xie, Songbo, Manas Sajjan, and Sabre Kais. “Extracting and Storing Energy From a Quasi-Vacuum on a Quantum Computer.” arXiv preprint arXiv:2409.03973（2024）.