「デコヒーレンス」
デコヒーレンスの定義
デコヒーレンスとは、量子系の量子特性（重ね合わせやエンタングルメントなど）が破壊または失われる過程を指します。これにより、システムはより古典的で予測可能な振る舞いを示すことになります。
デコヒーレンスは、量子系が周囲の環境と相互作用を起こす際に自然に発生する現象です。これは量子コンピューティングや量子情報処理の分野における大きな課題であり、繊細な量子状態を長期間にわたり維持および操作する能力を制限します。
デコヒーレンスの発生
量子系が環境と相互作用を起こす際、それはデコヒーレンスと呼ばれる過程を経ます。この相互作用は、空気分子、熱放射、電磁場などのさまざまな要因によって引き起こされる可能性があります。これらの外部影響は、システムの繊細な量子状態をかき乱し、その量子特性を失わせます。
デコヒーレンスの過程は、波動関数の収縮という概念で理解できます。量子力学の原理によれば、量子系は観測または測定されるまで複数の状態の重ね合わせに存在します。しかし、システムが環境と相互作用を起こすと、周囲の粒子とエンタングルメントを起こし、重ね合わせは単一の状態に収縮します。この収縮によりシステムの量子特性は失われ、古典的で予測可能な振る舞いへと変わります。
デコヒーレンスの種類
量子系において発生する可能性のあるデコヒーレンスにはいくつかの種類があります。以下がその例です:
位相デコヒーレンス: 量子系が環境との相互作用により位相情報を失うときに発生します。位相デコヒーレンスは特に量子コンピューティングにおいて重要であり、量子アルゴリズムは計算の高速化を達成するために量子状態の干渉に依存しています。
非平衡デコヒーレンス: この種類のデコヒーレンスは、量子系から環境へのエネルギーの連続的な喪失から生じます。エネルギーの放散過程は、光子やフォノンの放出などに代表され、システムの量子特性を時間とともに劣化させます。
測定誘発デコヒーレンス: 量子系が測定されるとき、それは測定装置や周囲の環境と相互作用を起こしデコヒーレンスが生じます。このデコヒーレンスは測定時の波動関数の収縮に関連しています。
デコヒーレンスの応用と影響
デコヒーレンスは量子コンピューティングや量子情報処理の分野において大きな課題となっています。それは量子状態を維持し操作する能力を制限し、複雑な量子計算を実行し古典システムに対する量子の優位を達成することが困難になります。
デコヒーレンスの影響は量子コンピューティングの領域を超えて広がります。例えば量子暗号では、デコヒーレンスが量子鍵配送システムのセキュリティを脅かす可能性があります。これらのシステムは量子状態を用いて暗号鍵を安全に交換しますが、伝送中にデコヒーレンスが発生すると、盗聴者が鍵にアクセスし通信のセキュリティが危うくなります。
デコヒーレンスの予防と軽減
デコヒーレンスの影響を防止したり軽減したりすることは、量子技術の進展にとって極めて重要です。ここでは、いくつかの対策を紹介します:
隔離技術: 量子系を外部の影響から守ることは、デコヒーレンスを減少させるための効果的な方法です。これには、超低温と高真空の環境を作り出し、空気分子や他の粒子との相互作用を最小限に抑えることが含まれます。さらに、電磁場や振動からシステムを隔離することで、デコヒーレンスを最小限に抑えることができます。
エラー訂正方法: エラー訂正技術は、量子システムにおけるデコヒーレンスの影響を軽減するのに役立ちます。これらの方法は、情報を量子状態に冗長に符号化することで、デコヒーレンスによるエラーの検出と訂正を可能にします。複数の物理的なキュービットに量子情報を分散させ、エラー訂正操作を行うことで、デコヒーレンスの影響を最小限に抑えることができます。
関連用語
- Quantum Supremacy: 量子コンピュータが古典的なコンピュータでは解けない問題を解決する能力。
- Quantum Cryptography: 量子力学の原理に基づく安全な通信で、量子鍵配送を利用して暗号鍵を交換します。