量子現実は奇妙に異なるか、崩壊するかのどちらかである

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現実はそうではない

量子状態がマクロレベルで崩壊するか、現実が非現実的になるかのどちらかです。

ユージン・ウィグナー。クレジット：デンバー・ポスト社（写真：デビッド・カップ/デンバー・ポスト、ゲッティイメージズ経由）

量子力学を詳細に考察すると、現実に関する深遠な疑問がいくつか浮かび上がります。これらの疑問はしばしば思考実験の形を取り、後に（通常はずっと後になってから）実際の実験へと繋がっていきます。その中で最も難解で深遠な思考実験の一つが、ユージン・ウィグナーが1960年代に提唱した「ウィグナーの友人」（ウィグナーの友人にはなりたくない、という意味）です。そして、ずっと後になって、ウィグナーと彼の友人は形式化され、拡張されました。その結果、矛盾が生じます。量子力学のレベルでは現実ははるかに奇妙で現実的ではないか、あるいは量子状態は大規模には存在し得ないかのどちらかです。

ウィグナーの友達にならないで

ウィグナーに友人がいない理由を理解するには、まず量子力学の詳細を掘り下げる必要があります。単一の電子のスピンを測定することを想像してみてください。スピンは空間的に向きを持っていますが、その向きを測定することはできません。代わりに、向きを選び、その向きに沿ってスピンを測定する必要があります。つまり、電子にスピンが垂直方向の上向きか下向きかを尋ねたとします。結果は（他の条件が同じであれば）、50%の確率で上向きか下向きになります。

スピンを測定し、上向きであることがわかったとしましょう。その後の測定でも、同様に上向きであることが確認されます。この測定によって、スピンの垂直成分（波動関数の崩壊と呼ばれるプロセス）が定義されました。しかし、スピンの水平成分については何も分かりません。水平成分は、左スピンと右スピンの重ね合わせ状態のままです。つまり、装置を回転させて左スピンと右スピンを測定すると、結果はランダムになります。つまり、電子は50%の確率で左スピンか右スピンのいずれかになります。

これは比較的簡単な実験なので、ウィグナーは友人のアリスを捕まえて密閉された実験室に入れます。アリスは重ね合わせ状態に準備された電子流のスピンを測定します。ウィグナーは実験室の外にいて、実験室全体の測定を行います。アリスは意識を失う前に、電子が上向きスピンであると判定します。しかし、ウィグナーはまだ測定を行っていないため、アリスは上向きスピンと下向きスピンの重ね合わせ状態にあると見ています。ウィグナーが測定を行うと、仮にアリスが実際には上向きスピンを測定していたのに、下向きスピンを測定したという結果になる可能性があります。

二つの「事実」は互いに矛盾しているが、どちらも現実に基づいている。ウィグナーはこの問題に対して、量子状態は観測者のレベルでは存在できない、つまり、量子状態が存在する前に重ね合わせ状態が崩壊しなければならないという解決策を考えた。

ウィグナーの延長

新たに公開された拡張版では、オリジナルのウィグナーの友人思考実験とジョン・ベルの思考実験が組み合わされています（ベルの思考実験は古くから存在し、現在では実験物理学で日常的に検証されています）。ベルの実験はウィグナーの友人実験よりも少し複雑で、重ね合わせとエンタングルメントの概念が組み合わされています。例えば、2つの電子がエンタングルメントされているとしましょう。これは、2つの電子が結合した量子状態、つまり2つの電子のみによって定義される状態にあることを意味します。例えば、エンタングルメントのプロセスによって、合計スピンがゼロの2つの電子が生成される場合があります。

つまり、電子は上下と上下の重ね合わせ状態にあるということです。もし片方の電子が上向きスピンしていると測定すると、もう片方は自動的に下向きスピンになります。ベルの実験は、正しく実行された場合、電子のスピンが事前に決定されていることは不可能であることを示しています。電子は重ね合わせ状態にある必要があり、測定時にはランダムに向きを選ぶ必要があります。

ベル実験は、粒子（通常は光子）の測定場所が非常に離れた状態で行われてきたため、実験の両端間で情報が光速を超えずに伝達されることは不可能でした。実際、過去20年間で、ベル実験における潜在的なギャップは体系的に埋められてきました。

拡張ウィグナーの友人実験では、二人の友人が別々の密閉された実験室で、エンタングルした粒子対を用いてベルの実験を行います。二人のウィグナー（スーパーオブザーバーとも呼ばれます）が実験室を測定し、結果を比較します。測定結果は、二人の観測者の波動関数の崩壊によってフィルタリングされた、エンタングルした粒子対間の相関関係を明らかにします。

それで、この現実とは何でしょうか?

ウィグナーとベルが現実について教えてくれることを理解するには、少し考えてみる必要がある。物理学者は一般的に、数学的に定義された一連の条件によって現実を記述する。例えば、因果律は、ある結果が起こる前に時間的に原因が存在するべきであると教える。局所性は、原因が光速で伝播することを教える。つまり、光子が原因の場所から結果の場所まで、結果が起こる前に移動できない場合、局所性（ひいては因果律）に反することになる。

ここで、測定などの事柄も考慮しなければなりません。研究者たちは観測事象の絶対性を定義しています。これは、私が観測しているものが現実であり、他の何にも依存しないことを意味します。彼らは超決定論は存在しない（私たちは自由に選択する）と仮定し、局所性は依然として作用しているとしています。研究者たちはこの3つの要素を「局所親和性」と呼んでいます。

研究者たちは、これらの命題の数学的定義を用いて、局所的親和性の限界を計算しました。適切な条件下では、拡張ウィグナーの友人実験において、これらの限界を破る相関が観測されることが示されました。彼らの実験室実験は、これらの限界の破れが実際に起こることを確認しました。局所的親和性は、宇宙の仕組みではありません。

局所親和性を否定するならば、いくつかの決断を下さなければなりません。以下の可能性のいくつかを受け入れなければなりません。観測者の測定は必ずしも実在するものではない、現実は局所的ではない、超決定論は実在する、あるいはマクロな観測者が関与する前のどこかで量子力学が機能しなくなる、といった可能性です。

はぁ？

最後の段落について補足すると、研究者が想定したウィグナーの友人は、実際にはマクロな観察者ではなく、本質的に量子的な物体である光子でした。量子状態にあるマクロな観察者を用いた完全な思考実験は、何らかの未知の物理法則によって単に禁じられている可能性もあるでしょう。一方で、量子コンピュータ上の人工知能が、依然として量子状態にあるマクロな観察者と見なせる可能性（研究者によると）は否定できないため、将来的にはこの検証を拡張できる可能性があります。

しかし、より重要な点は、現実は量子効果が大きくなりすぎる前に消滅するかどうかに左右される可能性があるということです。あるいは、私たちが考えているよりもはるかに自由な選択が限られているという可能性もあり、これは少々受け入れがたいことです。さらに、局所性、そしておそらく因果関係も否定しなければなりませんが、これは物理学者にとってさらに苦痛となるかもしれません。

Nature Physics, 2020, DOI: 10.1038/s41567-020-0990-x (DOIについて)

リスト画像: Denver Post Inc (写真提供: David Cupp/The Denver Post via Getty Images)

クリス・リーの写真

クリスはArs Technicaの科学セクションに寄稿しています。昼間は物理学者、夜はサイエンスライターとして活動し、量子物理学と光学を専門としています。オランダのアイントホーフェン在住。

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