量子フラッシュモブ：遠く離れた「時間結晶」が半導体チップ上で自発的に同期する現象をドイツの物理学者が解明

グラグラ揺れる木の板の上に1ダースの機械式メトロノームを置き、それぞれバラバラに針を振らせておくと、やがて板の揺れを通じてすべての針が気味の悪いほど一糸乱れぬリズムへと同期します。では、その木の板を取り払い、絶対零度に近い微小な半導体チップの上で、量子力学の極限物質同士に同じ現象を起こさせたらどうなるでしょうか？

著名な学術誌『Nature Communications』に掲載された最新研究において、ドイツ・ドルトムント工科大学のアレックス・グライリヒ（Alex Greilich）教授率いる研究チームは、半導体チップ内に形成された複数の連続時間結晶（Continuous Time Crystals）が、自発的にテンポを合わせ、同一のリズムで時を刻み始める現象を実験で実証しました。量子スケールにおいては果てしない天堑とも言える最大40マイクロメートル（個々の発振器のサイズの1,000倍以上）も離れているにもかかわらず、結晶たちはまるで猛練習を重ねたダンスユニットのように完璧に足並みを揃えたのです。

現実の半導体チップには微細な構造ムラや局所磁場の不均一性が存在するため、チップ上の異なる場所にレーザーで作られた2つの時間結晶は、本来であれば微妙にズレた固有の周波数でカチカチと刻むはずでした。片方がハイテンポなジャズドラムなら、もう片方はのんびりした振り子時計のようなものです。

しかし、チームが2本の独立したレーザー光を照射して観測したところ、信じられない現象が起きました。2つの時間結晶が相互作用を始めると、互いの異なる周波数が引き寄せ合い、ある瞬間に「カチッ」と噛み合って、完全に同一の調和周波数へと一本化されたのです。

この実験は単に量子物理学者がレーザーをピカピカ光らせて楽しむための特技ではありません。自発的に同期する時間結晶ネットワークは、ノイズに極めて強い次世代量子プロセッサの内蔵クロックや、未知の量子シミュレータ、不揮発性スピントロニクス素子への応用が期待されています。どれほど風変わりな量子の世界であっても、完璧に揃ったシンクロダンスの魔力には抗えないようです。