ミュンヘン工科大学、プリンストン大学、そしてGoogle Quantum AIの国際共同研究チームが、物理学の教科書を書き換える可能性を秘めた画期的な成果を達成した。Googleの強力な量子プロセッサを用いて、これまで理論の海に漂う幻でしかなかった「Floquet（フロケ）位相秩序状態」と呼ばれるエキゾチックな物質の相を、世界で初めて実験的に生成・観測することに成功したのだ。この成果は、科学誌『Nature』に2025年9月10日付で掲載された。
これは、熱や圧力が支配する静的な「平衡状態」の世界では決して存在し得ない、全く新しい物質の姿である。周期的に揺さぶられることで初めてその特異な性質を発現するこの物質相は、量子力学の未踏の領域「非平衡系」への扉を大きく開くものだ。一体、科学者たちは何を発見し、それは私たちの未来にどのような影響を与えるのだろうか？
揺さぶられることで生まれる新世界 ―「非平衡」が拓く物理学のフロンティア
この発見の重要性を理解するために、まずはいくつかの基本的な概念から始めよう。
そもそも「物質の相」とは？：氷と水からの出発
私たちにとって最も身近な「物質の相」は、水が固体（氷）、液体（水）、気体（水蒸気）という3つの状態をとる「相転移」だろう。温度や圧力といった環境条件によって、物質がその性質をがらりと変える。これが「相」の基本的な考え方だ。物理学の世界では、磁石が特定の温度で磁力を失う（常磁性相への転移）など、より多様な相が存在する。
これらの相は基本的に、物質が外部からエネルギーを与えられず、落ち着いた安定状態にある「熱平衡状態」で定義されてきた。いわば、静的な世界の物理学である。
静的な世界「平衡状態」と、動的な世界「非平衡状態」
しかし、自然界は常に静的で安定しているわけではない。外部からエネルギーが加えられ、常に変化し続ける動的な状態、それが「非平衡状態」だ。生命活動そのものが非平衡状態の典型例であり、レーザー光や乱流などもこのカテゴリに含まれる。
近年、物理学者たちはこの非平衡状態において、平衡状態では決して現れないような新しい物質の相が存在するのではないかと考えてきた。外部からの刺激によって、物質が隠された全く新しい秩序を形成する可能性があるからだ。
魔法の呪文「Floquet（フロケ）」：周期的駆動がもたらす奇跡
今回の研究の核心である「Floquet（フロケ）理論」は、まさにこの非平衡状態を探るための強力な羅針盤となる。Floquet理論が扱うのは、システムに対して周期的にエネルギーを与える（駆動する）状況だ。
これは、ブランコを周期的にこぐことで振幅が大きくなる様子や、特定のリズムで弦を弾くと美しい定在波が生まれる様子に似ている。量子システムを特定のリズムで「揺さぶる」ことで、元の状態では考えられなかったような、安定した新しい秩序状態、すなわち「Floquet相」が創発されることがあるのだ。
今回の研究チームが狙ったのは、このFloquet相の中でも特に奇妙で強固な性質を持つ「Floquet位相（トポロジカル）秩序状態」であった。トポロジカルな性質とは、物質の一部分を少しかき乱したり、変形させたりしても、全体としての本質的な性質が壊れない「強さ（ロバスト性）」を意味する。コーヒーカップの取っ手を保ったまま粘土のように変形させればドーナツになるように、穴の数といった本質的な特徴は局所的な変化に影響されない。この強固な性質を、周期的な駆動によって動的に実現しようというのである。
Googleの量子プロセッサが捉えた「幻の物質相」の正体
理論物理学者たちは、この「Floquet位相秩序状態」がどのような振る舞いを示すかを予測していた。しかし、その状態は極めて複雑な量子多体系であり、観測はおろか、古典コンピュータでその振る舞いをシミュレーションすることさえ絶望的に困難だった。
ここで登場するのが、Google Quantum AIが開発した超伝導量子プロセッサ「Willow」である。最大58個の量子ビット（qubit）を自在に操るこのマシンは、計算機であると同時に、これまでアクセスできなかった量子現象を再現・観測するための「人工的な量子実験室」として機能する。
設計図は「Floquet Kitaevモデル」：量子ビットで編むハニカム格子
研究チームは、量子プロセッサ上に、理論的なモデルである「Floquet Kitaevモデル」を実装した。これは、ハニカム（蜂の巣）状に配置されたスピン（量子ビット）が、X、Y、Zの3つの異なる方向に周期的に相互作用するというものだ。チームは、この複雑な時間発展を、量子ビットに対する精密なマイクロ波パルスの連続（量子ゲート操作）によって極めて高い精度で実現した。
そして、ストロボのように周期的にシステムの状態を観測することで、Flokey理論が予測する特異な現象が、量子ビットの振る舞いとして現れるかを調査したのである。
観測された二つの決定的証拠
実験の結果は驚くべきものだった。理論が予測していた「Floquet位相秩序状態」の二つの決定的な証拠が、見事に観測されたのだ。
その1：情報の高速道路「キラルエッジモード」
一つ目は、「キラルエッジモード」の存在だ。これは、実装されたハニカム格子の「縁（エッジ）」の部分にだけ、情報やエネルギーが一方向にしか流れない特殊な経路が出現する現象である。まるで、障害物や逆流を許さない一方通行の高速道路のようだ。
この性質はトポロジカルな保護によるものであり、経路の途中に多少の不純物や欠陥があっても、流れが妨げられることはない。研究チームは、エッジ上の量子ビットの状態が、時間とともに一方向に伝播していく様子を直接「映像化」することに成功した。これは、情報の損失を極めて低く抑えられる可能性を秘めており、将来の量子通信や計算において重要な役割を果たすかもしれない。
その2：粒子が変身する「アニオンの動的変換」
二つ目の、そしてより驚くべき証拠は、2次元の世界にしか存在しないエキゾチックな準粒子「アニオン（Anyon）」の動的な振る舞いだ。
私たちの3次元世界では、粒子は「フェルミ粒子」（電子など）と「ボース粒子」（光子など）の2種類に分類される。しかし2次元の世界では、これらとは全く異なる統計的性質を持つ第3の粒子、アニオンが存在できることが知られている。
Floquet Kitaevモデルでは、「eアニオン」と「mアニオン」と呼ばれる2種類のアニオンが出現すると予測されていた。そして、このFloquet位相秩序状態の最大の特徴は、システムを1周期駆動するごとに、eアニオンがmアニオンに、mアニオンがeアニオンに「変身（transmutation）」するという現象だ。そして、2周期後には元の状態に戻る。
研究チームは、量子ビットに巧みな操作を加えてアニオンを生成し、それが駆動周期ごとに別の種類のアニオンへと変身していく様子を、新たに開発した「干渉計アルゴリズム」を用いて明確に捉えることに成功した。これは、物質の構成要素が時間とともに周期的にその性質を変えるという、まさに非平衡状態ならではのダイナミクスである。この振る舞いは、時間軸上で結晶のような周期性を持つ「時間結晶」の概念にも通じる、「アニオン的時間結晶」とでも言うべき驚異的な現象だ。
古典コンピュータには不可能：なぜ量子プロセッサが必要だったのか
なぜこの発見に、Googleの量子プロセッサが不可欠だったのだろうか。
指数関数的に増大する「もつれ」の壁
その答えは「量子もつれ（エンタングルメント）」にある。Floquet位相秩序状態は、多数の量子ビットが複雑に絡み合った「高度にもつれた状態」だ。量子ビットの数が増えるにつれて、その状態を記述するために必要な情報の量は指数関数的に爆発する。58個の量子ビットがもつれ合った状態を正確にシミュレーションすることは、地球上のすべてのスーパーコンピュータを束ねても不可能だ。古典コンピュータでは、この複雑性の壁を乗り越えることができない。
計算機から「実験室」へ：量子シミュレーションという新潮流
一方、量子プロセッサは、量子力学の法則そのものに従って動作する。そのため、複雑な量子状態を数学的に「計算」するのではなく、物理現象として「再現（シミュレーション）」することができる。量子ビットを相互作用させ、その時間変化を直接観測することで、古典コンピュータでは決して覗き見ることのできない量子の世界の真の姿を明らかにできるのだ。
今回の成果は、量子コンピュータが単なる高速計算機ではなく、未知の物理法則を探求するための「パワフルな実験プラットフォーム」であることを改めて証明したのである。
この発見は、私たちの世界をどう変えるのか？
この基礎研究の成果が、すぐに私たちの日常生活を変えるわけではない。しかし、そのインパクトは物理学の根幹を揺るがし、未来のテクノロジーへの道を照らすものだ。
基礎物理学へのインパクト：未知の現象への羅針盤
最大の意義は、これまで理論の中にしか存在しなかった全く新しい物質の相を実験的に実証したことだ。これは、物理学における「非平衡量子物質」という広大な未踏分野の探査が、本格的に始まったことを告げる物だ。今後、さまざまな理論モデルを量子プロセッサ上で検証することで、私たちの物質観を根底から覆すような新発見が相次ぐかもしれない。
未来の量子コンピュータへの布石：ノイズに強い「トポロジカル」な性質
「トポロジカル」という性質は、量子コンピュータ研究者にとって非常に魅力的だ。現在の量子コンピュータが直面する最大の課題は、外部環境からのノイズによって量子ビットの状態が容易に壊れてしまうことである。
しかし、トポロジカルな状態では、情報は個々の量子ビットではなく、システム全体のグローバルな性質として符号化される。そのため、一部の量子ビットがノイズの影響を受けても、情報全体が破壊されにくいという強固な耐性が期待される。今回の実験で観測されたキラルエッジモードやアニオンは、まさにその性質の現れであり、将来の誤り耐性量子コンピュータ（フォールトトレラント量子コンピュータ）の設計に重要なヒントを与える可能性がある。
なぜ「パラレルユニバース」と結びつけられるのか？量子計算の深遠な解釈
一部の報道では、今回の成果が「パラレルユニバース（多世界解釈）」を示唆するものとして取り上げられている。これは、量子コンピュータの驚異的な計算能力の源泉を、計算が多数の並行世界で同時に行われている結果と解釈する考え方に基づくものだ。
今回の実験が多世界解釈を直接証明するものではない。しかし、古典的な直感では到底理解できない、高度にもつれ合った量子状態を実験室で自在に生成し、観測できたという事実は、量子力学の奇妙で深遠な世界観が、単なる思考実験ではなく、現実のものであることを改めて突きつけている。量子プロセッサが探る世界の深淵は、私たちの宇宙観そのものに問いを投げかけているのかもしれない。
未踏の荒野はまだ広がる
今回の成功は輝かしい第一歩であるが、挑戦はまだ始まったばかりだ。実験では、量子ビットのノイズやデコヒーレンス（量子的な性質の喪失）により、観測できる時間は限られていた。今後、よりノイズの少ない、高性能な量子プロセッサの開発が進むことで、これらのエキゾチックな物質相がより長時間、安定して存在できるのかを検証していく必要がある。
ミュンヘン工科大学の博士課程学生であり、本研究の筆頭著者であるMelissa Will氏は、「高度にもつれた非平衡相は、古典コンピュータでシミュレートすることが極めて困難です。私たちの結果は、量子プロセッサが単なる計算デバイスではなく、全く新しい物質の状態を発見し、探求するための強力な実験プラットフォームであることを示しています」と語る。
科学者たちは今、地図のない海に乗り出す探検家のように、量子プロセッサという新たな船を手に、非平衡量子物質という広大な大海原へと漕ぎ出した。熱力学の法則という旧世界の常識が通用しないこの新世界で、彼らが次にどのような「新大陸」を発見するのか、世界中の注目が集まっている。
論文
参考文献
- Technical University of Munich: Exotic Phase of Matter realized on a Quantum Processor
