Categories: 人生は旅！

「量子力学」の不思議を丸ごと煮詰めた結晶！

「量子力学」の不思議を丸ごと煮詰めた結晶とは？
２０２２年のノーベル物理学賞の内容を、そのイメージだけでも少し理解したいと思っていたら、JBpressで小谷太郎さんが素人にも分かり易く理解してもらいたいと努力をされていた。

その解説の標題は、
「量子もつれ」と「ベルの不等式」を犬の散歩でたとえると？
となっていたので、少しは分かるかもと思いチャレンジしてみることにした。
そんな試みの結果がこうである。

まずは、ミクロな物体の物理法則である「量子力学」には、私たちの常識や直感が通用しない。それがあらわれたのが「量子もつれ」であり、「ベルの不等式」である。「量子もつれ」を制すれば、ミクロの世界が支配できて、量子コンピューターも作り放題になるだろうと言われているそうだ。

しかし、この「量子力学」の物理法則は、それまでの物理学の常識に反している大変奇妙なもので、こんなおかしな主張は受け入れられないという人も大勢いた。アインシュタインもその一人であった。
「量子力学」の宇宙の法則は位置と速度を同時に定めることを禁じているのである。
「そんなの絶対おかしいよ！」
「本当は決まっているのに「量子力学」からその値が導けないのは、「量子力学」が不完全な証拠だ！もっとマシな理論があるはずだ！」
と、アインシュタインは反論したのだ。

そして、アインシュタインたちは、「量子力学による物理的実在の記述は完全と考えられるか」＝「EPR論文」を発表して、ほら「量子力学」はこんなにおかしい、と主張したのである。
「EPR論文」で、2個の粒子のペアをうまく作ると、片方の粒子Aの速度を測定すれば、もう一方の粒子Bの速度も分かるように調整できるのだと。
この「EPR論文」で示された粒子のペア状態は、今風の言い回しでは「量子もつれ（entanglement）」と呼ばれている。「量子もつれ」にある粒子のペアは、片方の物理量を測定すると、もう片方の物理量が分かるのだ。

＜ここまでのイメージは理解できたが、次からが大変になった。
それはこうである。＞

さて、「量子もつれ」状態は位置と速度以外の物理量を利用しても作ることができる。現在大人気の研究対象は「スピン」という物理量だ。
ここでは便宜上、ミクロな粒子の「スピン」を、「矢印のようにある方向を向いていて、測定装置にかけると、こちら向きか、あちら向きか、という２通りの測定値が得られる物理量」と説明しておく。

ただし実際には、ミクロな物体の持つ「スピン」という物理量は、これに相当するマクロな現象が存在しない。「スピン」の振る舞いは、見たり触れたりできる日常の物理現象と全然ちがうので、喩えやモデルやイメージで理解することがほとんどできない。

＜頭がこんがらがって来た！＞

＜しかし、無理もないようだ！＞

「量子力学」を大学で教わる学生は誰でもみんな、「スピン」という不可思議な概念を、頭をかきむしりながら数式をたどって理解しなければならないそうだ。

＜そこで、小谷太郎さんは素人の為に犬を使ってこんな風に説明してくれるのである！＞

「スピン」の量子もつれを説明するには、犬が２匹必要である。
タロとジロは「量子もつれ」状態にある犬だとしましょう。
　
タロとジロは遠く離れた別の場所で別の飼い主に飼われています。「量子もつれ」の業界では、ふたりの飼い主をアリスとボブと呼ぶ慣習があります。
測定者Aと測定者Bという意味です。
アリスがタロを東へ散歩に連れ出そうとすると、タロは素直に東に行く場合もあれば、西へ走って行く場合もあります。ボブがジロを北西へ連れ出そうとすると、ジロは北西、または正反対の南東にも走って行きます。

タロとジロは「量子もつれ」状態にあり、もしも同じ方向の散歩に連れ出そうとすると、２匹の反応はそろいます。

「スピン」の東西方向の成分と、南北方向の成分という、ふたつの物理量は、同時に正確に決めることができないのです。
どちらかを測定すると、もう一方が不確定になるのです。

タロとジロが（量子力学を使わず）どんなプランを立てても、この確率は７５%より高くできません。平均して４回に１回は違った向きに走り出します。これが「ベルの不等式」です。

一方、「量子もつれ」状態にあるタロとジロは、それよりも高い８７.５%の確率でだいたい同じ向きに走り出します。
違った向きに走るのは平均して８回に１回で、古典力学を使う場合の半分です。

大した違いに思えないかもしれませんが、実はこれは恐るべき違いです。
タロとジロは「ベルの不等式」を破り、古典力学では不可能な原理で情報を共有するのです。

少々不正確な表現ですが、２匹は光速を超えた速さでもう一方の散歩の向きを知るのです！

この２個の粒子の「量子もつれ」でも十分不思議なのですが、３個になるとまた飛躍的に不思議になります。
タロを東へ、ジロを北へと散歩に連れ出すと、２匹の「量子もつれ」は壊れますが、ここでサブロを散歩に連れ出すと、「量子もつれ」が復活するのです。

タロが東向きまたは西向きに走りだすさまは、量子コンピューターの素子である「量子ビット」の０と１とみなせるのです。
そして東向きや西向きのタロやジロやサブロを線形結合して作った状態は、量子コンピューターの内部で走り回って因数分解やフーリエ変換やデータベース検索を高速でやってのける能力があるのです（が、まだ実現していません）。
「量子力学」にアインシュタインが噛み付いたことから始まった「量子情報理論」は、なんだかこの世界の原理を明らかにし、今や量子コンピューターの夢まで見せてくれるのです。

というような解説の概説です！

うーんと唸り、正直分かったような分からないような気分です！

しかし、小谷太郎さんのこの御努力にはただただ感謝であります！