科学者の小さなブラックホールが宇宙を研究室に持ち込む

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イスラエルにある彼の研究室で、ジェフ・スタインハウアーは極小のブラックホールを作り上げている。これらの天体は取るに足らない小さな点に過ぎず、実際の死んだ星のようなスパゲッティのような吸引力はない。しかし、テクニオン研究大学の物理学者であるスタインハウアーは、数学的に正確なスケールで構築したと断言する。十分にズームインすると、真のブラックホールのドラマを再現したミニチュアの事象の地平線が見えるだろう。

これらの小さな塊はそれぞれ8,000個のルビジウム原子で構成されており、シュタインハウアーはこれを絶対零度近くまで冷却し、レーザーで照射した。原子全体の重さは、細菌1個の約1000分の1である。

実際のブラックホールでは、重力が非常に強いため、事象の地平線を越えると光さえも脱出できません。シュタインハウアーのレプリカ（技術的にはボーズ・アインシュタイン凝縮体）は、音波に関して同様の性質を持っています。この塊の境界を超えると、音波の振動さえも脱出できません。

この研究は、量子シミュレータと呼ばれる新しいタイプの科学実験の一例です。量子シミュレータとは、量子力学の法則に従う複雑な自然現象を小規模に再現するものです。マックス・プランク量子光学研究所の物理学者イグナシオ・シラック氏は、「これは、実際のジェット機の飛行を予測するために模型飛行機を作るのと同じような量子的な実験です」と述べています。

例えば、スタインハウアーは量子レプリカから、実際のブラックホールが発するはずの光波、いわゆるホーキング放射に類似した音波を放射していることを突き止めました。実際のブラックホールの研究は非常に難しく、ホーキング放射は非常に暗いため、研究者たちは宇宙空間でこの放射を観測したことはありませんでした。しかし、スタインハウアーのシミュレーションにおける音波は、この考えをある程度裏付けるものでした。

シカゴ大学の物理学者たちは、冷たい原子塊を用いた別の実験で、別の極限環境、つまり人が数十億Gまで加速するとどうなるかをシミュレートしました。理論上、これほどの速度で加速すると、ウンルー放射と呼ばれる光を発する物体が見えるはずです。

実験室で人をそこまで加速させることは不可能だ。まず、ほぼ瞬時に壁に衝突してしまうだろう。そこで研究者たちは、トレッドミル版のシナリオを作成した。物体は元の位置に留まるが、実験室が原子の塊を通り過ぎて加速しているという錯覚を演出するのだ。「まるでフライトシミュレーターの中にいるようなものです」とシカゴ大学の物理学者チェン・チンは言う。「ジェット機を操縦しているつもりでも、実際にはただの実験室にいるだけなのです。」

この感覚を作り出すために、研究者たちはレーザーと磁場を用いて、観測者が通り過ぎる際に理論上予測される形状に原子塊を成形する。この過程で、特殊なカメラを用いて、原子塊がウンルー放射の予測される挙動に似た粒子を放出する様子を観察する。

他の量子シミュレータは、より実用的な応用をターゲットとしています。例えば、新材料や医薬品を開発しようとする研究者は、最初のステップとして、潜在的な分子のコンピューターシミュレーションに頼ることがよくあります。しかし、これらのシミュレーションは膨大な計算能力を必要とし、精度もそれほど高くありません。Ciracなどの研究者は、様々な形状が特定の化学的性質にどのようにつながるかをより詳細に観察するための量子シミュレータ実験を提案しています。

これらの量子シミュレーターは、量子コンピュータと同じ技術とハードウェアに依存していますが、狭い用途向けにカスタマイズされています。これらはすべて、1980年代に、扱いにくい1と0よりも正確に現実をシミュレートできる量子力学的パーツで構成されたマシンについて説明した物理学者リチャード・ファインマンに理論的恩恵を受けています。「自然は古典的ではないので、自然のシミュレーションを作成する場合は、量子力学的に行う必要があります」と、彼は1981年の会議で述べました。Google、IBMなどの研究者も、いわゆる「汎用」量子コンピュータを使用して複雑な分子やその他の量子オブジェクトのシミュレートを試みていますが、彼らのマシンはより汎用的で、より優れたデータ暗号化を提供し、人工知能アルゴリズムを高速化できることを意図しています。この幅広い機能を備えたマシンは、より限定的な用途の量子シミュレーターと比較して、構築がはるかに困難であることが判明しています。

量子シミュレータは現象の複製であり、現象そのものではないことを覚えておくことが重要です。シカゴ大学の物理学者ロバート・ウォルド氏は、シュタインハウアーの原子塊は天体のブラックホールと「水波と光波の関係」にあると述べています。水波と光波はどちらも波打つ山と谷で構成されており、多くの同じ数式に従います。2種類の波と同様に、ブラックホールとそのシミュレーションは異なる物質でできた異なる物体です。つまり、シミュレーションが模倣している現象について何を述べているのかが必ずしも明確ではないということです。

しかし、これらの奇妙なモデルはそれ自体興味深いものだとワルド氏は言う。ルビジウム原子やレーザーといった一見無関係な要素でブラックホールの特性を再現するのは、奇妙な偉業と言える。これらのシミュレーションが自然界のブラックホールについて何を示唆しているかはさておき、物理学者たちは量子的な要素をこれまでにない構造に組み込む方法を発見したのだ。

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