量子もつれをふつうの言葉で語る

今週の書物/
ノーベル物理学賞(2022年)プレスリリース
スウェーデン王立科学アカデミー、2022年10月4日発表

粒子のもつれ

盆と正月がいっぺんに来たとは、こういうことを言うのか。10月4日午後7時前、ノーベル物理学賞の発表をストックホルムからのインターネット中継で見ていたときのことだ。

発表前、そわそわする気持ちを静めるように私はつぶやいた。「とってほしいのはアラン・アスペ、アントン・ツァイリンガー……」。数分後、スウェーデン王立科学アカデミーの事務総長らが着席、おもむろに読みあげた発表文に彼らの名前があった。私にとって意中の人二人の受賞がいっぺんに決まったのである――。

発表によると、今年の物理学賞はアラン・アスペ(フランス)、ジョン・F・クラウザー(米国)、アントン・ツァイリンガー(オーストリア)の3氏に贈られる。授賞理由には「量子もつれの関係にある光子の実験で、ベルの不等式の破れを確かめ、量子情報科学を切りひらいた」とある。(以下、敬称略)

ここに出てくる「量子もつれ」「ベルの不等式」については後述する。「量子情報科学」は20世紀末に台頭した物理学の新分野。そこで実証された量子力学核心部の不可解さは、量子コンピューターや量子暗号など最近よく耳にする技術の土台になっている。

私は1990年代半ば、ロンドンの駐在記者だったとき、量子情報科学の潮流に気づいた。1995年の春夏、欧州各地の大学や研究所で取材して、東京帰任後の10~12月に朝日新聞科学面(夕刊)の連載「量子の時代」で報告した。紙面にすべてを書ききれなかったので、後日『量子論の宿題は解けるか――31人の研究者に聞く最前線報告』(講談社ブルーバックス、1997年刊)も上梓した。31人のうちの二人がアスペとツァイリンガーである。

ご両人の思い出は尽きない。アスペは、古い実験機材が眠る物置まで見せてくれた。ツァイリンガーは、量子力学研究の大御所に引きあわせてくれた……。ただ当欄は今回、そういう話はしない。今週は、ノーベル物理学賞のプレスリリース(スウェーデン王立科学アカデミー作成)に的を絞り、その英語版をノーベル賞の公式サイト(*)からとりだして「書物」として読もうと思う。Pdf化されたものを印字するとA4判1枚。とても短い。

短いことには理由がある。細部に立ち入らず、要点のみを書いているからこうなるのだ。

今回の受賞研究は、いずれも光子、即ち光の粒を扱っている。実験で観測するのは、光子の偏光という性質だ。サングラスを選ぶときに話題にのぼる、あの偏光だ。このため、受賞研究の全貌を理解するには、偏光とは何か、それが偏光フィルターを通るとどうなるかを予備知識として学んでおくことが必要になる。逆を言えば、話が具体論に入ると、そこに躓きの石がたくさん待ち受けているのだ。科学を語るときには、こういうことがままある。

科学は、ひと握りの科学者だけのものではない。それがもたらす新しい世界像は私たちも均しく分かちあうべきだ。細部は捨てても、要点だけは押さえておきたい。今回の受賞研究に即して言えば、「偏光」がわからなくとも「量子もつれ」が何かは知っておきたい。

で、プレスリリースは「量子もつれ」をこう説明する。「量子もつれの関係にある粒子対は、それらが遠く離れていても、一方の粒子に起こることがもう一方の粒子に起こることを決定する」。別の箇所には、量子もつれの状態では「二つの粒子が分離していても単一のもの(a single unit)のように振る舞う」とする記述もある。こんな話を聞けば、物理学では大変なことが起こっているのだな、と思う人がふえるに違いない。

それがどれほど大変かは、プレスリリースを離れて私自身が補足説明しよう。旧来の物理学では、A地点の出来事がB地点の出来事に影響を及ぼすとき、A地点の情報がB地点に届く必要があった。このとき、伝達速度が光速を超えることはない。ところが量子力学によれば、A地点の粒子aとB地点の粒子bが量子もつれの関係にあるとき、a、bの観測結果が〈いっせいのせい〉で一気に決まる。これは、世界観がひっくり返る話ではないか。

授賞理由には、もう一つ「ベルの不等式」という専門用語があった。これは、ジョン・スチュアート・ベルという北アイルランド生まれの理論物理学者が1960年代に考えだした不等式だ。これを解説したくだりを要約すると、こうなる――。

量子もつれの粒子対にみられる「相関」(correlation)は、それらが身につけた「隠れた変数」に起因するのではないか、という懐疑が長くくすぶっていた。隠れた変数は、粒子の観測結果がどうなるかをあらかじめ指示するなにものかだ。ベルの不等式は、粒子同士の相関が隠れた変数によるものなら、実験で示される相関度には上限値があることを示した。一方、量子力学はこの上限値を超えるような強い相関の存在を予言していた。

隠れた変数説は、〈いっせいのせい〉には台本があるという見方。この立場をとれば、量子力学が言う量子もつれは幻想だということになる。正しいのは隠れた変数説か量子力学か。ベルの不等式はそれを実験で検証するお膳立てをしてくれたのである。

受賞が決まった3人が登場するのは、ここからだ。量子もつれの光子対をつくり、2光子を逆方向に飛ばして相関を調べる実験に最初に挑んだのはクラウザーだった。実験は量子力学を支持したが、隠れた変数説を完全には否定できなかった。「抜け穴」があったのだ。

その抜け穴をできる限り小さくしようと実験装置に工夫を凝らしたのが、アスペである。それは、量子もつれの光子対を光源から放った後、瞬時に測定システムの設定を切りかえて当初の設定が観測結果に影響を及ぼさないようにしたものだった。

ツァイリンガーも、ベルの不等式の破れを実験で調べているが、このプレスリリースでは主に量子テレポーテーションの開拓者として位置づけられている。これは粒子の量子状態を遠方の別の粒子にそっくり転送する試みで、量子もつれの応用例といえる。

このプレスリリースにはこんな記述がある。「言葉では言い表せない量子力学の効果(the ineffable effects of quantum mechanics)に応用の道が見えてきた。今や量子コンピューター、量子ネットワーク、量子暗号に守られた通信など広大な研究分野が存在する」

量子コンピューターや量子暗号は最近、成長戦略や経済安全保障の文脈でもてはやされている。ということは、物理学者でない私たちも無関心でいられない。変な使われ方をしないか、見張っていく必要もあるからだ。そのためには、量子力学とは何かをざっくり知っておかなくてはならない。「量子もつれ」が「言葉では言い表せない」ものでも、その本質はやはり言葉で語るべきなのだ。この点で、今回のプレスリリースは貴重な参考文献になる。
*ノーベル賞の公式サイトはhttps://www.nobelprize.org/
(執筆撮影・尾関章)
=2022年10月7日公開、同月9日最終更新、通算647回
■引用はことわりがない限り、冒頭に掲げた書物からのものです。
■本文の時制や人物の年齢、肩書などは公開時点のものとします。
■公開後の更新は最小限にとどめます。

4 Replies to “量子もつれをふつうの言葉で語る”

  1. 尾関さん

    まずはおめでとうございます。
    ノーベル賞受賞者とその研究にいち早く注目し、随分と前に取材していたとは流石です。

    受賞の対象となった「量子もつれ」ですが当然のことですがよく分かりませんね。
    ただ、解説を追うと「もつれ」よりも「同期」といった卑近な言葉に置き換えたほうが分かった気分になります(同期とは違ってもつれている両者の間に影響し合う要素が無いところがミソなのでしょうけれど)。

    その「量子もつれ」ですが、2つの光子の実験によって実証されたとのことですが、この現象は自然界でも普通に起きているのでしょうか?
    例えば尾関さんの脳内のある量子と私の脳内のある量子とがもつれあっているとか。

  2. 虫さん
    《例えば尾関さんの脳内のある量子と私の脳内のある量子とがもつれあっているとか》
    この仮説の当否は即断できませんが、人間も「量子もつれ」と無縁ではないようです。
    当欄2021年11月12日付で『量子力学の奥深くに隠されているもの――コペンハーゲン解釈から多世界理論へ』(ショーン・キャロル著、塩原通緒訳、青土社)を論じたとき、この本が描きだした「観測」行為の本質を私は次のように要約しました。
    「観測とは、観測する側と観測される側が量子もつれを起こすことだ」
    観測主体の「私」が観測結果のそれぞれとつながり、一つひとつの観測結果と結ばれた「私」の分身が重ね合わせの状態になる。こうして「私」は多世界に分かれることになる――キャロルの世界像を素描すると、こんな感じになります。
    多世界理論版の量子もつれですね。

  3. 尾関さん

    多世界理論版の量子もつれは一段と面白くなりますね。

    光源から光子対を放ったアスペ。その後、量子もつれを観測した瞬間、アスペは量子もつれを起こした量子対と量子もつれを起こして別の世界に移る。

    ところが、量子もつれが起こらなかった(実験が失敗した)世界のアスペもおり、晴れてノーベル賞を受賞したアスペは観測に成功したアスペ。失敗したアスペは元の世界で研究生活から離れ、ノーベル賞を受賞した自分がいるのも知らずにどこかで静かに余生を過ごしている。

    こんなことになるのでしょうか?想像が広がって行きます。ご回答ありがとうございました。

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