ドラえもんのポータルはすぐそこですか? Appleは2022年のノーベル賞を受賞した量子もつれを理解するのに役立ちます

北京時間2022年10月4日午後7時45分、2022年のノーベル物理学賞がストックホルムで正式に発表されました。フランスの科学者アラン・アスペクト、アメリカの科学者ジョン・F・クラウザー、オーストリアの科学者アントン・ツァイリンガーもこの栄誉を分かち合った。ノーベル賞の公式受賞理由は、「もつれ合った光子の実験を行い、ベルの不等式の無効性を証明し、量子情報科学の先駆者となった」ことだ。

（画像出典：ノーベル賞公式サイト）

今年ノーベル賞を受賞した3人の科学者は、量子もつれの実現可能性を理論的に証明し、量子通信分野の創始者です。彼らの成果により、量子通信の実現や量子コンピュータの構築が可能となり、将来的には人類の既存の技術体系を根底から覆す可能性がある大きな成果となる。 ３人の科学者は２０１０年に「小さなノーベル賞」として知られる「ウルフ賞」を受賞し、１０年以上にわたりノーベル物理学賞の人気候補となっていた。

集積回路や青色 LED など、量子技術を活用した他の多くの具体的な成果とは異なり、量子科学自体は非常に抽象的です。これは、一般の人々にとって、量子通信の理解が目に見えず、理解できない混乱状態に陥りやすい理由でもあります。ここで、著者は自分自身に小さな目標を設定しました。この記事には難しい専門用語は含まれず、日常生活からの簡単な例を使用して、量子科学と量子通信をすべての人に知覚的に理解してもらうようにします。

ぜひお越しいただき、人類の最先端の科学技術のひとつについて少し学んでみませんか。

量子もつれの想像図（画像出典：ノーベル賞公式サイト）

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私の領土、私のルール

量子の世界へようこそ

量子科学に関する研究は、100年以上の発展を経て、それ自体が豊かな枝葉を持つ巨大な体系を形成し、その正しさも継続的に検証されています。しかし、量子科学の多くの法則は、マクロな世界における私たちの日常的な経験とはまったく異なることを認めなければなりません。修士課程で関連コースを勉強していたとき、信じられない気持ちになり、信じたくない気持ちになることがよくありました。以下の内容を誰もが理解しやすいように、まずは比喩を使って量子の世界の素晴らしさを反映できる例をいくつか挙げてみましょう。

例を挙げる前に、いくつかの「設定」を思い出してみましょう。物理学の研究対象自体の次元が微視的領域に入ると、量子論がさまざまな自然法則を制御することになります。ミクロな量子の世界では、「住人」の第一の特徴は量子化です。質量やエネルギーなどのいくつかの物理量は、量子特性を反映して、マクロの世界では連続的な変化から不連続な変化へと変化します。

不正確な例を挙げると、マクロの世界ではリンゴには大きいものも小さいものもあり、リンゴのサイズは継続的に変化します。たとえば、リンゴを 100 個収穫した場合、その大きさは 0.1 kg から 1 kg の間になります。しかし、ミクロの世界ではリンゴの大きさは連続的に変化するのではなく、ある基本的なリンゴの大きさの整数倍に相当します。他の大きさの極小のリンゴは存在しません。

量子力学の世界では、多くの物理量はある基本値の整数倍である（画像出典：著者自作）

量子の世界では、あらゆる種類の微小な粒子が常にさまざまな運動をしており、つまりその状態は常に変化しています。これは私たちの日常の経験とあまり矛盾しません。結局のところ、動きは永遠であり、静止は相対的です。しかし、量子の世界では、粒子の動きは当然ランダムです。測定を行わなければ、どの瞬間においても、微粒子がどこに移動したかは誰にもわかりません。

リンゴを例に挙げてみましょう。マクロの世界では、リンゴは熟すと地面に落ちます。リンゴがリンゴの木から離れた瞬間から計算を開始すると仮定すると、ニュートンの法則に基づいて、リンゴが地面に落ちる前の任意の時点でのリンゴの位置と速度を計算できます。しかし、ミクロの世界に行ってみると、次の瞬間にリンゴがどこに現れるかはわかりません。私たちにできるのは、確率を示し、それがおおよそどこにあるかを示すことだけです。

量子の世界に関するもう一つの不思議なことは、私たちの観察が微小な粒子の状態に影響を与えることです。マクロの世界では、リンゴは、私たちが見つめているかどうかに関係なく、短時間では常に緑色のリンゴか赤色のリンゴのどちらかの固定された色になります。目を閉じても閉じなくてもリンゴの色は変わりません。では、ミクロの世界におけるリンゴはどうでしょうか?私たちが観察する前、微視的なリンゴの状態はランダムです。赤または緑になる可能性があります。目を開けて観察すると、微細なリンゴの状態は固定され、緑色または赤色に見えます。

量子力学の創始者たちの肖像（第 5 回ソルベー会議、1927 年）

(画像出典: パブリックドメイン)

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量子もつれ: 粒子間の「テレパシー」

量子の世界におけるいくつかの基本原理について話した後、量子もつれと量子通信の概念を見てみましょう。

量子もつれは量子の世界における非常に不思議な現象です。一対の（またはそれ以上の）微小粒子が絡み合った状態になると、それらは互いに影響を及ぼし合うようになります。一方の粒子の状態が変化すると、もう一方の粒子の状態も瞬時に変化します。最も驚くべきことは、この絡み合いがマクロ的な意味での糸玉の絡み合いのようなものではなく、非常に長い距離にわたって実現できることです。

例を見てみましょう。 2 つの極小のリンゴが絡み合った状態にある場合、片方が緑色に変わると、もう一方は瞬時に赤色に変わります。たとえ一方が金星にあり、もう一方が火星にあったとしても、この状態の変化は時間と空間を越えて一瞬のうちに起こります。

量子もつれは非常に不思議なもので、その概念が提案されるとすぐに、テレポーテーションや量子通信など、多くの科学的空想の理論的基礎となりました。瞬間移​​動とは、ドラえもんのポータルのことで、人や物を一瞬で遠くの場所にテレポートさせることができるものです。量子もつれはテレポーテーションの意味を少し持っていますが、動くのは実体ではなく、状態、つまり微小粒子の特別な状態だけだと言わざるを得ません。したがって、テレポーテーションが可能かどうかは、量子もつれによって答えられる質問ではありません。

エンタングルメント光子対を準備する方法

（画像出典：Wikipedia、著者：ラオ・チェン）

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量子通信は科学的空想を現実にする

しかし、量子通信は確かに人類の現在の研究のホットスポットの 1 つとなっており、その理論的基礎は量子もつれです。 2 つの粒子がエンタングルメント状態にあるとき、それらの粒子がどれだけ離れていても、観測によって一方の状態が決定されると、もう一方の状態も固定されることを想像してください。つまり、実体は送信できないが、情報は送信できるということです。これが現代の通信が行っていることではないでしょうか?

実際の量子通信はもちろん非常に複雑ですが、類推を使用して量子通信の実装プロセスをできるだけ簡単に理解することができます。

まず、量子もつれ状態を満たす 2 つの小さなリンゴを微小な果樹園で栽培する必要があります。1 つは緑色で、もう 1 つは赤色で、一方の色が変わると、もう一方の色も同時に瞬時に変わります。次に、2 つの小さなリンゴのうち 1 つを火星に送り、もう 1 つは地球に残します。現時点では、情報伝達能力がないため、制御専用の小さなリンゴを導入する必要があります。

3つ目の小さなリンゴを地球上の小さなリンゴに近づけると、地球上の小さなリンゴの状態は、たとえば赤から緑に変わります。このとき、火星の小さなリンゴは、この変化を瞬時に感知し、緑から赤に変わります。このようにして、信号の送信が完了します。そして、地上にある 3 番目のリンゴを取り除くと、最初のリンゴは即座に赤に戻り、火星にある 2 番目のリンゴは即座に緑に変わります。バイナリ コンピュータでは、赤と緑の状態も 0 と 1 として定義できます。 3 番目のリンゴが十分に速く近づいて奪われれば、短時間で豊富な情報を伝えることができます。

一般人の観点からすると、量子もつれは本当に「奇妙」すぎると言わざるを得ません。ブラックホールさえも受け入れるのはそれほど難しいことではありません。しかし、それは確かに物質世界の基本法則です。ノーベル賞委員会が受賞を発表する際に述べたように、量子もつれは科学オタクの自己娯楽ではなく、科学的な空想でもありません。それは実際に私たち一人一人の周りに存在しています。

受賞が発表された際の公式PPTには、中国の墨子量子通信衛星が2018年に大陸間量子通信実験を完了した例も掲載されていたことは特筆に値する。これはこの分野における中国の成果の大きな証明であり、今後さらなる進歩を共に期待したい。

中国の墨子がノーベル賞公式PPTに登場

（画像出典：ノーベル賞公式サイト）

昨日の生理学・医学賞にしろ、今日の物理学賞にしろ、今年のノーベル賞は基礎研究をより重視するようだ。化学賞は誰が受賞するのでしょうか？待って見てみましょう。

制作：中国科学普及協会

著者: 張昊

プロデューサー: 中国科学博覧会

この記事は中国科学普及協会が作成し、張昊氏がプロデュースし、中国科学普及博覧会が監修しました。転載の際は出典を明記してください

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