[論文レビュー] Entanglement between superconducting qubits and a tardigrade

Kyung-Jun Lee, Y. P. Tan+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2021

Tardigrade Biology and Ecology被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、10 mKおよび6×10⁻⁶ mbarの条件下で420時間にわたって生存した、トロッコ状態（チュン状態）にある缓行動物と超伝導キュービットとの間でももつもつが確認された。実験では、三重にエンタングルされた系の量子状態トモグラフィーにおいて82%の忠実度が達成され、多細胞真核生物が極限の量子冷却下でも生物学的生体機能を維持しながらキュービットと量子エンタングルメントを保つ可能性が証明された。

ABSTRACT

Quantum and biological systems are seldom discussed together as they seemingly demand opposing conditions. Life is complex, "hot and wet" whereas quantum objects are small, cold and well controlled. Here, we overcome this barrier with a tardigrade -- a microscopic multicellular organism known to tolerate extreme physiochemical conditions via a latent state of life known as cryptobiosis. We observe coupling between the animal in cryptobiosis and a superconducting quantum bit and prepare a highly entangled state between this combined system and another qubit. The tardigrade itself is shown to be entangled with the remaining subsystems. The animal is then observed to return to its active form after 420 hours at sub 10 mK temperatures and pressure of $6 imes 10^{-6}$ mbar, setting a new record for the conditions that a complex form of life can survive.

研究の動機と目的

• 極限条件下における量子コherーと生物的生体機能の共存を探索すること。
• 複雑な多細胞生物が、生物学的機能を失うことなく量子エンタングルメントを維持できるかを検証すること。
• 長年にわたり、量子系と生体物質は環境によるデコherenceのため相容れないという仮定を覆すこと。
• 緩行動物のトロッコ状態が超伝導キュービットと安定した結合を可能にする、ハイブリッド量子-生物学的システムを確立すること。
• 長時間にわたる超低温度・超高真空環境への露出後でも、生物学的機能が保持されることを実証し、生体を用いた量子実験の可能性を示すこと。

提案手法

• 緩行動物をトロッコ状態にした状態で超伝導トランスモンキュービット上に配置し、キュービットの共鳴周波数に顕著なシフトが観測された。これは、キュービットと生物系との結合を確認するものである。
• SWIPHTパルスプロトコルを用いて実装された制御NOTゲートにより、キュービットAとキュービットBの間でエンタングルメントを生成した。
• キュービットAとキュービットB-緩行動物系の4次元部分空間に対して、16通りの1キュービットゲートの組み合わせを用いて、量子状態トモグラフィーを実施した。
• 密度行列の再構成を物理的整合性を保つために最尤推定法を適用した。
• 一般化されたTavis-Cummingsハミルトニアンを用いて、キュービット-緩行動物相互作用をモデル化した。周波数のずれに依存した結合定数を含むことで、解析的取り扱いが可能となった。
• エンタングルメントはネガティビティに基づくtangleを用いて測定され、相互作用強度θが増加するにつれて、真の三重エンタングルメントが単調に増加した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多細胞真核生物がトロッコ状態にある場合、超伝導キュービットと結合した際にも量子コherーを維持できるか？
• RQ2 極限の冷却条件下において、生体と巨視的量子系との間で高忠実度のエンタングルメントを達成できるか？
• RQ3 10 mK未満の温度と超高真空に長時間さらされた後も、緩行動物は生物学的生体機能を保持できるか？
• RQ4 生体とキュービットとの間で、生物学的機能を損なわずに量子エンタングルメントを観測できるか？
• RQ5 緩行動物のトロッコ状態が、長期間にわたる安定した量子結合を可能にする程度はどの程度か？

主な発見

• キュービット-緩行動物系に顕著な周波数シフトが観測され、超伝導キュービットと生物系との間で結合が確認された。
• 三重にエンタングルされた状態が実験的に準備され、量子状態トモグラフィーにより理想のベル状態と82%の忠実度を達成した。
• tangleに基づくネガティビティを用いた分析により、緩行動物が有限の相互作用強度を持つ限り、両キュービットとエンタングルされていることが確認された。
• 緩行動物は10 mKおよび6×10⁻⁶ mbarの環境で420時間生存し、複雑生物における極限環境への耐性の記録を更新した。
• 冷却環境からの回収後、緩行動物は正常な代謝状態に回復し、実験後の生物学的機能が確認された。
• π-tangleで測定された真の三重エンタングルメントは、結合強度θが増加するにつれて単調に増加し、強固な量子相関が存在することが示された。