ファデルのグループは、結晶に単一のフォノンとゼロのフォノンが重ね合わされた状態を作成しました。 「ある意味、水晶は静止していると同時に振動している状態にあるのです」とファデル氏は言う。 これを行うために、彼らはマイクロ波パルスを使用して、小さな超電導回路に高精度で制御できる力場を生成させます。 この力場は、結晶に接続された小さな材料片を押し、単一フォノンの振動を導入します。 これまでに量子の奇妙さを示す最大の物体として、これは量子世界と古典世界の間の境界についての物理学者の理解を押し進めた。
具体的には、この実験は「測定問題」として知られる量子力学の中心的な謎に触れています。 量子力学の最も一般的な解釈によれば、巨視的装置 (カメラやガイガーカウンターなどの比較的大きなもの) を使用して物体を重ね合わせて測定する行為は、重ね合わせを破壊します。 たとえば、二重スリット実験では、デバイスを使用して電子を検出すると、電子はその潜在的な波のすべての位置で観察されるのではなく、特定の 1 つの点で一見ランダムに固定されます。
しかし、他の物理学者は、崩壊モデルとして知られる、測定を伴わない量子力学の説明に役立つ代替案を提案している。 これらは、現在受け入れられている量子力学が近似理論であると仮定しています。 物体が大きくなるにつれて、まだ発見されていない現象が、物体が重ね合わせ状態で存在することを妨げます。そして、私たちが周囲の世界でそれらに遭遇することを妨げているのは、重ね合わせを測定する行為ではなく、このことなのです。 実験には関与していないノースウェスタン大学の物理学教授ティモシー・コバシー氏は、ファデル氏の実験は、量子重ね合わせをより大きな物体に適用することで、その未知の現象がどのようなものであるかを制約していると述べている。
結晶内の個々の振動を制御する利点は、単に量子論を研究するだけではなく、実際の応用も可能です。 研究者たちは、ファデルの結晶のような物体のフォノンを精密センサーとして利用する技術を開発しています。 たとえば、個々のフォノンを保持する物体は、非常に軽い物体の質量を測定できるとスタンフォード大学の物理学者アミール・サファヴィ・ナイニ氏は述べています。 非常に軽い力によって、これらの繊細な量子状態に変化が生じる可能性があります。 たとえば、タンパク質がファデルの結晶と同様の結晶に着地した場合、研究者は結晶の振動周波数の小さな変化を測定してタンパク質の質量を決定することができます。
さらに、研究者らは、量子振動を利用して量子コンピューターの情報を保存することに興味を持っています。量子コンピューターは、重ね合わせてエンコードされた情報を保存および操作します。 振動は比較的長く持続する傾向があるため、量子メモリの有望な候補になるとサファヴィ＝ナイニ氏は言う。 「音は真空中で伝わりません」と彼は言います。 「物体の表面または内部の振動が境界に達すると、そこで止まります。」 音のその特性は、量子コンピューターのプロトタイプで一般的に使用される光子よりも長く情報を保存する傾向がありますが、研究者はフォノンベースの技術を開発する必要があります。 (科学者たちは一般的に量子コンピューターの商用応用をまだ研究中ですが、多くの人は量子コンピューターの処理能力の向上が新しい材料や医薬品の設計に役立つ可能性があると考えています。)
ファデル氏は将来の研究で、さらに大きな物体でも同様の実験を行いたいと考えている。 彼はまた、重力が量子状態にどのような影響を与えるかを研究したいと考えています。 物理学者の重力理論は大きな物体の挙動を正確に記述しますが、量子力学は微小な物体を正確に記述します。 「量子コンピューターや量子センサーについて考えると、必然的に大規模なシステムになります。 したがって、より大きなサイズのシステムでは量子力学が破綻するかどうかを理解することが非常に重要です」とファデル氏は言います。
研究者が量子力学を深く掘り下げるにつれて、その奇妙さは思考実験から実践的な問題へと進化しました。 量子世界と古典世界の間の境界がどこにあるのかを理解することができれば、将来の科学機器やコンピューターの開発に影響を与えるでしょう。 「これらは基本的な、ほとんど哲学的な実験です」とファデル氏は言います。 「しかし、それらは将来のテクノロジーにとっても重要です。」