ついに錬金術がレーザー光の爆発とともに到来

このアイデアは、純粋でシンプルな魔法のように聞こえます。光線を作り出すことで、物質を消滅させたり、本来持つべきではない特性を与えたり、あるいは全く別の物質の完璧な模倣物に変えたりできるのです。まさに21世紀の錬金術であり、原理的には鉛を金に似せるだけでなく、ありふれた物質を超伝導体に変えることも可能です。

数十年かけて開発された一般的なアプローチは、調整された光パルスを用いて原子や分子の電子雲を再構成することです。今夏初め、ニューオーリンズのチューレーン大学の研究チームとその協力者たちは、このアイデアを拡張しました。彼らは、パルス戦略を固体やバルク材料に適用する方法を解明し、化学組成と構造によって特性が決定されるという従来の法則を書き換えました。チューレーン大学のジェラルド・マッコール氏は、量子制御を用いることで「ほぼあらゆるものを何にでも似せることができる」と述べています。

一方、他の研究者たちはすでに光パルスを使用して、通常はそのような挙動をしない材料に超伝導（抵抗なく電気を伝導する能力）を生じさせています。

しかし、この技術の真の可能性は、驚異的な模倣を可能にすることではなく、別の種類の変化を誘発することにあるのかもしれません。光線を用いて、因数分解などの難問を解くのに十分な強力な光コンピュータを作れるかもしれません。化学物質を一時的に、そして選択的に透明にすることで、複雑な混合物の分析を支援できるかもしれません。理論的な可能性は、私たちの想像力によってのみ制限されるように思われます。実際には、光と物質の相互作用をどれだけ理解し、制御できるかによって限界が決まるのかもしれません。

パルスのための計画

1960年代初頭のレーザー発明後、多くの研究者は、これらの装置を用いて分子を操作できることにすぐに気づきました。分子の電子雲はレーザー光の電磁場を感知し、それに反応するからです。この電磁場の中では、すべての波が同調して（つまりコヒーレントに）振動します。しかし、何かを真に制御するには、その軌道が変化する時間スケールで刺激したり誘導したりする必要があります。この時間スケールは、分子にとっては非常に速く、電子にとってはさらに速いものです。当初、レーザーパルスを短くすることは不可能で、十分な速さで刺激を連続的に与えることができませんでした。

しかし、1980年代後半から1990年代初頭にかけて、パルス幅は数フェムト秒（フェムト秒は10の^-15乗秒）まで短縮され、原子の運動の時間枠に近づきました。これにより、レーザーは原子の運動を選択的に刺激し、調べることができるようになりました。しかし、実際にそのような運動を制御するには、1990年代初頭にプリンストン大学の化学者ハーシェル・ラビッツとその同僚たちは、整形パルス、つまり分子の挙動を特定の経路に沿って導く可能性のある複雑な波形が必要であると指摘しました。幸運なことに、このパルス整形技術は当時、光通信向けに開発されていました。

しかし、課題は膨大です。例えばグライダーのようなマクロな物体の軌道を制御するには、変更しようとしている軌道を知る必要があります。量子力学系の場合、それに相当するのは、量子波動関数が時間とともにどのように変化するかを知ることであり、これはハミルトニアンと呼ばれる数学関数によって決定されます。そして、ここに問題があります。水素原子のような最も単純な系を除けば、ハミルトニアンは複雑になりすぎて、研究者が波動関数のダイナミクスを正確に計算することが不可能になってしまうのです。

必要な制御パルスを事前に計算するために必要な知識がなければ、唯一の選択肢は試行錯誤しかないように思えました。つまり、いくつかの初期制御パルスを試し、同じ実験を何度も繰り返して反復するのです。これは、グライダーのパイロットが操縦桿をランダムに動かして着陸の仕方を学習し、うまくいくことを確認してから徐々にその動きを改良していくようなものです。

量子システムでは、グライダーよりもはるかに複雑です（危険性は低いかもしれませんが）。パルスを整形するには、より多くの周波数を加える必要があります。課題は、どの周波数の組み合わせが必要かを見極めることです。「ピアノに似ていますが、鍵盤が約128個しかないので、さらに複雑です」とラビッツ氏は言います。（現在、パルス整形には1000個程度の周波数成分が関係しているかもしれません。）

現在、マコール氏は、チューレーン大学のデニス・ボンダー氏とその同僚と協力し、必要な脈拍数を事前に計算するための理論的スキームを説明している。

量子力学では、物質の特定の性質（例えば電気伝導性、光の透過率や反射率など）は、観測可能な量の平均値、つまり「期待値」に対応します。物質の波動関数が分かっていて、どのような光パルスを使用しているかが分かっていれば、得られる結果（期待値）を予測できます。

ボンダールのチームは問題を逆転させる。まず、達成したい結果（期待値）から始めて、それを生み出す光パルスを計算する。そのためには、系の波動関数、あるいはそれと同等のハミルトニアンも知る必要があるが、これは一般的には分からない。しかし、十分に良い近似値、つまり現実の波動関数の重要な特徴を十分捉える「おもちゃの」波動関数を特定できれば、それで問題ない。

このようにして、研究者たちは、制御すべき電子がほんの数個しかない小さな分子集合から、電子の海のような巨大でかさばる固体へと、この手法を拡張する方法を解明した。「私たちはシステムを電子の雲と見なし、その雲を変形させ始めます」とボンダール氏は述べた。制御パルスは電子が辿るべき軌跡のようなものを作り出すため、この手法はトラッキング制御と呼ばれている。

プリンストン大学ラビッツ研究グループに所属し、ボンダール研究チームと共同研究を行っている理論化学者クリスチャン・アレンツ氏は、このアプローチにより、物質の特性を操作するための適切な制御場を見つけるのがはるかに容易になると説明した。これまで、制御場の設計は段階的な反復的な改善を必要としていたが、この追跡アプローチは「多体系を制御するための新たな道筋」を確立するとアレンツ氏は述べた。「この研究は、将来の制御手法に大きな刺激を与えると信じています」。

ソリッドの形状を変更するには

量子コヒーレント制御に関する初期の研究の多くは、（文字通り）個々の分子に明確な変化を誘発することに焦点を当てていました。例えば、特定の化学結合に選択的にエネルギーを注入して破壊点まで振動させ、それによって化学反応の進行を制御するといったことが挙げられます。しかし、物質中の多数の電子を一度にコヒーレントに操作することは、より困難な課題です。

固体中で原子が集まると、隣り合う原子の最外殻電子殻が重なり合い、物質全体に広がる「バンド」を形成します。電子的および光学的特性は、これらのバンドの特性に依存します。例えば金属では、最もエネルギーの高い電子が、完全に満たされていないバンドを占有しているため、電子は原子格子全体を移動することができ、物質は電気を伝導します。一方、絶縁体では、電子が占有する最もエネルギーの高いバンドが完全に満たされているため、これらの電子が移動できる「空間」がありません。電子は原子上に局在したままであり、物質は電気を伝導しません。

より特異な電子的挙動は、群衆の中の人々の動きのように、電子の運動を相互依存的（つまり相関的）にする量子力学的効果から生じることがあります。例えば、従来の超伝導体では、最高エネルギーの電子が相関対（クーパー対）を形成し、たとえ2つの電子がある程度離れていても同期して動きます。これは、人混みの中で人が追いかけるようなものです。これらのクーパー対はすべて同じように振る舞い、止められない運動量を与え、超伝導体が抵抗なく電気を伝導することを可能にします。まるで電子が原子核の格子構造をもはや意識しなくなったかのようです。

しかし、どのような材料がそのような特性をもたらすのでしょうか？通常、それらを見つけるには、様々な元素の組み合わせの海を漁る必要があります。これは非常に時間がかかり、労力もかかります。新しい超伝導材料の開発に膨大な時間と労力が費やされていることがそれを物語っています。

しかし、光パルスを用いて電子の分布を変化させることで、ほぼあらゆる物質において望ましい特性を発揮できると想像してみてください。この見方では、電子バンド構造は物質自体によって固定されたものではなく、バンドはパテのようなものであり、望む形に成形できるものとなります。適切な制御パルスを見つければ、例えば可動電子の配列をクーパー対に結合させ、鉄や銅といったありふれた物質から、通常では不可能な条件下で超伝導体を作り出すことができるかもしれません。

整形されたレーザーパルスを用いて物質の特性を特定・制御するというこの概念は、既に成果を上げています。例えば、研究者たちはこれを用いて、物質の絶縁体と金属の挙動を切り替えたり、磁性を制御したり、超伝導を誘発したりしています。基本的な考え方は、光パルスがエネルギーバンド間で電子を再分配し、系のある相と別の相（例えば金属と絶縁体）の間のバランスを崩すというものです。このようにして、研究者たちは通常必要とされる極寒の温度よりも数十度高い温度で超伝導を実現しています。

しかし、初期の期待にもかかわらず、研究者たちは実験作業はまだ始まったばかりだと警告している。「この研究を拡張固体の領域、特に強い（電子）相関効果が存在する領域へと移行させることは、まだ始まったばかりです」と、ボンダールのチームと共同研究を行っているキングス・カレッジ・ロンドンの理論物理学者ジョージ・ブースは述べている。アレンツは、単純な物質モデルに対する彼らの計算が「他の現象や系にどの程度一般化できるか」はまだ分からないと警告した。

そして、この戦略がどれほど成功したとしても、これらの変化した特性は制御パルスを印加している間しか持続しません。再形成された電子構造は、引っ張らなければ伸びた状態を保てないゴムのように、自発的にその位置に留まることはありません。しかし、電子機器などの用途では、これは問題にならないかもしれません。必要な特性を、必要な瞬間にのみ材料に「書き込む」ことができるかもしれないのです。

すべては可能だ

このアプローチは表面的な模倣に過ぎないと反論する人もいるかもしれない。錬金術師が、別の金属に表面処理を施して化学反応を誘発し、金色の光沢を出したことで「金を作った」と主張したのと同じだ。しかし、それは真の意味での金ではなかった。

ボンダール氏はこれに異論を唱える。「光誘起変換は実のところ、非常に基本的なものだ」と彼は言う。ある種のアルカリ金属原子（ナトリウムなど）を別のアルカリ金属原子（ルビジウムなど）に光学的に模倣させるには、制御ビームを用いて原子の双極子モーメントを操作する必要がある。双極子モーメントとは、各原子の電荷が空間的に不均一に分布している状態であり、光の電場との相互作用を決定する。「双極子モーメントは、化学的性質など、他のものにも影響を与えます」とボンダール氏は言う。この変換は単なる外観以上の深いところまで及ぶ。

しかし、これはレーザー錬金術師を目指す人々が、あらゆる物質を何にでも変化させることができるという意味ではない。ドイツ・ハンブルクにあるマックス・プランク物質構造・ダイナミクス研究所の物理学者、ミヒャエル・フェルスト氏は、特定の条件下で物質に既に存在する可能性のある挙動を誘発することしか実現可能ではないと考えている。「物質の反応が全く存在しない場合、それを模倣することはできません」と彼は言う。「平衡特性の中に、例えば異なる温度や圧力、あるいは磁場といった条件下で、物質が既に求めている特性を保持している何かが必ずあるはずです。」

つまり、鉛を金に変えるのではなく、研究者たちは鉛であり、常に鉛であり続けるものから、金のような特定の反応を目覚めさせようとしているのです。つまり、フォアスト氏が実験的に研究してきた光誘起超伝導は、超伝導をゼロから作り出すのではなく、通常では不可能な高温で超伝導を可能にすることなのです。「私たちのコヒーレント制御パルスは、それを目覚めさせるだけです」と彼は言いました。フォアスト氏の共同研究者であるマックス・プランク研究所のミシェル・ブッツィ氏も同意見です。「駆動力を使えば非常に複雑な状態に到達できますが、ある物質を全く異なるものに変えることができるとまでは言いません。」

もしそうだとしたら、光誘起変換は実際にはどこまで進むのでしょうか？そのような超伝導体で本当にクーパー対が作られるのでしょうか？それはまだ完全には解明されていません。バッツィ氏は、今回の実験では「クーパー対を最初から作り出すのではなく、同期させている」と考えています。つまり、クーパー対が協調して作用することで超伝導状態を作り出すのです。「しかし、この点については完全に確信しているわけではありません」と彼は言います。

ベルリン自由大学のクリスティアーネ・コッホ氏は、多粒子系の量子制御法を研究しており、物質を表面的に特定の反応を模倣するのではなく、根本的に変化させるには、電子雲の非常に深いところまで掘り下げる必要があると考えている。そのためには、非常に強力な制御ビームが必要となり、電磁場の強度が、固有の電子構造を形成する内部力に匹敵するようになる。「もしかしたら可能かもしれないが、容易ではないだろう」とコッホ氏は述べた。

難しい問題を軽視する

量子コヒーレント制御の潜在的な用途の中には、模倣ではなく、光と物質を「設計された」方法で結合させる方法に頼るものがあります。そのような用途の一つが光コンピューティングです。ボンダー氏によると、光線は原理的にコンピューティングのための優れた情報伝達媒体であり、特に多くの波長を同時に用いることで大量の情報を詰め込むことができるという利点があります。しかし根本的な問題は、2本以上の光線を相互に通信させることが難しいことです。電子とは異なり、「光は光と相互作用することを嫌う」とボンダー氏は言います。

ボンダールの追跡制御方式は、この結合がどのように実現されるかを示しています。原理的には原子1個ほどの大きさの物質を制御ビームで操作します。次に、入力データを含む2つ目のビームが物質と相互作用します。この相互作用によってデータが変換され、計算が実行されます。「これは単一原子コンピューティングへの道を開くものです」とボンダールは述べています。

さらに驚くべきことに、この光学的アプローチを用いることで、因数分解などの難問を、従来の電子計算機よりもはるかに高速に解くことができる可能性がある。ボンダール氏とマコール氏は、量子計算機向けに最初に提案されたショアのアルゴリズムと呼ばれる量子因数分解アルゴリズムを、実質的には古典光学のみを用いて実装できるはずだと考えている。「古典コンピューティングを歴史のゴミ箱に捨てるのは時期尚早です」とボンダール氏は述べた。

マコール氏はまた、追跡制御を利用して複雑な化学物質の混合物を分析したいと考えている。これは、例えば創薬でしばしば直面する問題だ。同氏によると、異なる化学物質の大きな混合物があるとしよう。各成分のスペクトル、つまり異なる周波数の光をどのように吸収して特徴的なシグネチャーを作り出すかがわかれば、混合物に含まれる化合物を判別できる。「しかし、スペクトルは互いに似ていることが多いため、成分が多い場合は非常に難しくなります」とマコール氏は言う。追跡制御によって、研究者は「それぞれの化学種の光学応答を一度に1つずつオフにする」ことができ、選択的に見えなくすることができると彼は述べた。マコール氏は、原理的にはこれによって異なる化学物質間の識別を桁違いに高められることを実証した。

追跡制御によって可能になるかもしれない光学錬金術の偉業に、不可視性が加わる。少なくとも理論上は、適切な光の下で見れば、何もかもが見た目通りではないことを示している。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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