文暁剛：量子ビットとは何か？丨驚異への扉

ビットは、0 と 1 の 2 つの値を持つものです。任意のオブジェクトが 2 つの異なる状態で存在する場合、これらの 2 つの異なる状態を使用してビットを実現できます。ビットは情報の基本単位であり、デジタル通信およびデジタルコンピュータの主役です。携帯電話、WeChat、WiFi、テレビなど、現在私たちが経験している情報革命はこれに依存しています。

量子ビットは量子情報の基本単位であり、量子通信や量子コンピューティングの主役です。その量子特性により、量子通信と量子コンピューティングが可能になります。量子ビットは世界に存在するあらゆるものの基本的な構成要素であると信じている人さえいます。しかし、量子ビットとは一体何なのでしょうか?何がそんなに魔法なのですか?

著者：温暁剛（MIT 終身教授およびグリーンチェア教授）

量子力学は非常に奇妙な理論であり、専門家でさえそれを理解しているとは言い難い。量子論の創始者の一人であるニールス・ボーアはかつてこう言いました。「量子論に困惑しない人は、量子論を理解していない。」偉大な物理学者ファインマンもこう言っています。「量子力学を理解している人は誰もいないと自信を持って言えると思います。」

量子の神秘的で魔法の世界

量子力学はなぜそんなに奇妙なのでしょうか?なぜなら、量子力学によれば、世界を理解するための基本的な概念である「存在」は、私たちが考えるほど単純ではないからです。物理学の研究対象は、世の中の様々な存在であることがわかっています。 「存在」とはいったい何なのでしょうか？私たちは皆、この単純な概念を知っているように感じます。しかし、私たちの心に内在する「存在」という概念は、実は古典的な概念なのです。この存在の古典的な概念は、マクロな世界の観察から要約され、抽象化されています。しかし、ミクロの世界を研究し観察してみると、この古典的な存在概念はミクロの世界の実験的観察と完全に矛盾していることがわかりました。私たちの世界において「存在」とは一体何を意味するのか、改めて考えなければなりません。コンセプトは何ですか？私たちの世界における本当の存在を記述するためには、量子存在という新しい概念を導入する必要があることがわかりました。これは量子力学がもたらした根本的な革命であり、私たちの世界観を完全に変えました。歴史上における物理学の革命の中で、量子革命は最も破壊的であり、最も信じ難いものであり、物理学者が最も受け入れたがらない革命でもある。それは実験によって強制的に排除されました。今日に至るまで、多くの物理学者は量子力学の基本理論に不快感と不満を感じています。

存在しない古典的存在と存在する量子的存在

古典的な存在が存在しないなら（つまり、私たちがよく知っている古典的な存在の概念が私たちの世界には当てはまらないなら）、存在する量子的な存在とは正確には何なのでしょうか？ミクロの世界のさまざまな実験的観察をまとめると、量子存在には次のような基本的な特性があることがわかります。

シュレーディンガーの猫を例に挙げてみましょう。生きている猫が許容される存在であり、死んだ猫も許容される存在であるならば、生きている猫 + 死んだ猫も許容される存在です。このような状態の猫を観察すると、生きている場合もあれば、死んでいる場合もあり、生きているのか死んでいるのかはわかりません。より抽象的に言えば、状態 Aが許容される存在であり、状態 Bが許容される存在である場合、 A でも B でもない状態が存在するはずであり、これを状態 A + 状態 Bと呼び、これも許容される存在です。これは量子重ね合わせの有名な原理です。それは量子力学におけるすべての「奇妙さ」の根源です。状態 A + 状態 Bの奇妙な存在は、状態 Aと状態 Bの重ね合わせ状態と呼ばれます。量子力学では、通常、状態 Aと状態 B を|A〉 と |B〉 と表記します。このように、状態 Aと状態 Bの重ね合わせ状態は、|A〉+|B〉 と表記されます。

生きている猫＋死んだ猫も存在が許されるのでしょうか？ ！どうしてこんなことが可能なのでしょうか?もしあなたが本当にこのナンセンスを信じているなら、あなたに尋ねたいのですが、生きている猫と死んだ猫の存在とは一体何なのでしょうか？それは生きている猫ですか、それとも死んだ猫ですか?これは本当に信じられないことだ。しかし、私たちの世界は本当に信じられないほど魔法のような世界なのです。死んでも生きてもいないシュレディンガーの猫

図1: 死んでも生きてもいないシュレーディンガーの猫の芸術的描写

上で述べた信じられないほどの量子的な存在は、私たちの世界における現実の存在です。私たちの心に内在する古典的な存在の概念は、私たちの世界の実際の存在を反映していません。この存在についての新たな理解は実験によって導き出されました。他のすべての物理理論と同様に、それらは実験的観察から抽出されます。どのような実験が量子存在についてのこの新しい理解を導き出したのかを以下で説明しましょう。

連続的な古典量と離散的な量子量

私たちの実験は電子ビームを使った実験です。電子は回転できる小さなボールのようなものだということはわかっています。電子の状態は、位置と速度だけでなく、回転状態によっても説明されます。電子の回転状態は方向矢印で表すことができます。矢印の長さは回転速度に対応し、矢印の方向は回転軸の方向に対応します。電子の回転を表すこの矢印は、電子のスピンと呼ばれます。電子がランダムな方向に回転できる電子ビームがある場合、スピンはさまざまな方向を指す一連の矢印に対応します。

図 2: 電子のスピンは矢印で表すことができます。最初のスピンには正の垂直成分と正の横方向成分があります。 2 番目のスピンには、負の垂直成分と正の横方向成分があります。ビーム内の異なる電子は異なるスピンを持ち、異なる矢印で表すことができます。

スピンメーターと呼ばれる機器を使用して、水平方向、垂直方向、またはその他の方向のスピン成分を測定することができます。たとえば、電子ビームが垂直スピンメーターを通過すると、電子ビームの移動方向が偏向し、偏向角度はスピンの垂直成分に比例します。スピンの垂直成分は電子の特性です。後の説明の便宜上、この垂直成分の特性を電子の「色」と呼びます。垂直スピンメーターは「カラー」メーターとも呼ばれます。

電子ビームが横方向スピンメーターを通過するとき、電子ビームの偏向を利用してスピンの横方向成分を測定することもできます。同様に、横方向成分のこの特性を電子の「硬さ」と呼びます。横方向スピンメーターは「硬度」メーターとも呼ばれます。

「色」測定器で電子ビームを測定すると何が得られますか?電子スピンの古典的なイメージによれば、スピンの垂直成分は正または負、大きいまたは小さい可能性があることがわかります。したがって、電子の「色」（スピンの垂直成分）を測定すると、図 3 に示すように連続的な分布が得られることが予想されます。

図 3: スピンの垂直成分 (「色」) を測定するための従来の期待値は連続分布です。

しかし、物理学者が実際にこれらの電子のスピンを測定すると、電子ビームが単純に 2 つに分割されることが分かります (図 4 を参照)。これは、電子には赤と青と呼ばれる 2 つの「色」しかないことを意味します (つまり、スピンの垂直成分には、スピンアップとスピンダウンに対応する正と負の 2 つの固定値しかありません)。

この結果はまるで青天の霹靂であり、物理学者たちを驚愕させた。私たちは、電子のスピン軸は連続的に任意の方向を指すことができ、電子のスピンの垂直成分も範囲内で連続的に値を取ることができる（つまり、虹のように連続した「色」スペクトルがあるはずである）と常に信じてきました。しかし、実験結果はこの単純で不可能と思われる予想を覆しました。実験によれば、スピンの垂直成分はいくつかの離散的な値しか取れないことがわかります。この古典的なイメージでは連続的に予想される量が、現実には離散的な値しか取れないという現象を量子現象と呼びます。これは私たちの世界の量子的な性質を反映しており、量子力学という名前の由来となっています。

図 4: 「色」(スピン数の垂直成分) を測定した実際の結果: 赤と青の 2 つの個別の値のみが表示されます。 「硬さ」（スピン数の横方向成分）を測定した実際の結果は、ソフトとハードという 2 つの個別の値のみであるということです。

4 つの州か、それとも 2 つの州か?

古典的なイメージによれば、電子の回転は、スピンのさまざまな方向に対応する無限の状態を持つことができます。しかし実際には、電子ビームが「色」測定器を通過すると、単に 2 つのビームに分割されます。これは、電子には赤と青の 2 つの状態しかないことを示しているようです。実際、「色」測定機器は電子の「色」（スピンの垂直成分）のみを測定し、電子の「色」には 2 つの値しかないことを示しているだけです。しかし、電子には「硬さ」（スピン横方向成分）という性質もあり、「硬さ」の値によって電子の状態も異なります。

「硬さ」という性質を調べるために、電子の「硬さ」を測定することができます（図4参照）。これは、従来の予想とはまったく異なります。これらの電子の「硬さ」（スピン横方向成分）を測定すると、電子ビームも 2 つのビームにのみ分割されていることがわかりました (図 4 を参照)。これは、電子にはソフトとハードと呼ばれる 2 つの「硬さ」しかないことを意味します (つまり、スピンの横方向成分にも、左スピンと右スピンに対応する正と負の 2 つの固定値しかありません)。

この方法では、「色」は 2 つの値を取ることができ、「硬さ」は 2 つの値を取ることができます。そうすると、電子は（少なくとも）4 つの状態を持つことになります。 「色」と「硬さ」の 2 つの可能な値に応じて、次の記号を使用してこれらの 4 つのスピン状態をマークできます: |赤ソフト〉、|青ソフト〉、|赤ハード〉、|青ハード〉 (図 5 を参照)。

図 5: 電子スピンの 4 つの状態をグラフで表したもの。 （これは間違った画像です。）

まず電子の「色」を測定し、次に電子の「硬さ」を測定すると、これら 2 つの特性を測定して、|赤ソフト〉、|青ソフト〉、|赤ハード〉、|青ハード〉 の 4 種類の電子を完全に分離できます (図 6 を参照)。

図 6: 電子の「色」を測定した後、電子の「硬さ」を測定します。これにより、電子ビームが 4 つのビームに分割され、電子には (少なくとも) 4 つの異なる状態があるかのように見えます。

しかし、この単純な推論は間違っています。 「色」と「硬さ」を測定した後に、この赤色電子と軟電子のビームの「色」を再度測定すると、当然、赤色電子のみが得られるはずです（図 7 を参照）。

図 7: 最初に電子の「色」を測定し、次に電子の「硬さ」を測定し、最後に再び電子の「色」を測定します。私たちはこの結果を予想していました。

しかし、実際にこの実験を行ってみると、予想外に赤い電子と青い電子が得られました（図8参照）。これは驚くべき結果です。赤色電子とソフト電子の「色」を測定すると、青色が見える確率は 50% です。 (もちろん、赤が見える可能性は 50% です)。同様に、青色とソフト電子ビーム |bluesoft〉 の「色」を再度測定すると、実際には赤と青が見えます (図 8 を参照)。これは、|redsoft〉 の観測結果とまったく同じです。実験をすればするほど、混乱してしまいます。

図 8: 最初に電子の「色」を測定し、次に電子の「硬さ」を測定し、最後に再び電子の「色」を測定します。これが実際に私たちが手に入れたものです。

この問題を明らかにするために、さらに実験をしてみましょう。さらに実験を進めたところ、2 つの電子ビーム (|赤色ソフト> と |青色ソフト>) で同じ測定を行うと、常にまったく同じ結果が得られることが分かりました。 2 つの状態 (|red-soft> と |blue-soft>) は完全に区別できません。これらは同じ状態であると考えるべきです: |red soft〉=|blue soft〉。

図 8 をよく見ると、赤い電子の「硬さ」を測定すると、柔らかい電子と硬い電子が得られることがわかります。しかし、ソフト電子の色を再度測定してみると、このソフト電子は元々赤い電子であったことを忘れてしまい、不確かな色の電子になっていることがわかりました。したがって、図 8 のこの電子は実際には明確な色を持たないため、この電子を「赤色ソフト」と呼ぶのは不適切です。同様に、青い電子の「硬さ」を測定すると、柔らかい電子と硬い電子も得られます。しかし、この柔らかい電子は、もともと青い電子であったことも忘れてしまい、不確かな色の電子になってしまいます。青い電子から得られるソフト電子は、赤い電子から得られるソフト電子と全く同じであり、区別がつきません。元の色情報は完全に失われます。したがって、図 8 のラベル付けは間違っています。下の図 9 に示すように再描画する必要があります。

図 9: 最初に電子の「色」を測定し、次に電子の「硬さ」を測定し、最後に再び電子の「色」を測定します。これが実際に得られるものであり、正しいマークアップです。

より一般的に言えば、電子が「硬度」メーターに入るときにどのような状態にあるかに関係なく、「硬度」メーターによって分離されたソフト状態は常に同じ状態であり、分離されたハード状態も常に同じ状態です。同様に、電子が「色」測定器に入ったときにどのような状態であったとしても、「色」測定器によって分離された赤い状態は常に同じ状態であり、分離された青い状態も常に同じ状態です。

電子スピンの測定と研究により、量子の世界における不確定性原理が明らかになります。 「色」（スピンの垂直成分）と「硬さ」（スピンの横方向成分）は相容れない性質を持っています。電子が明確な「硬さ」を持っている場合、明確な「色」は持ちません。明確な「色」があれば、明確な「硬さ」はありません。 「硬さ」の測定は電子の「色」に影響し、「色」の測定は電子の「硬さ」に影響します（図9参照）。

もちろん「色」自体も互換性があります。つまり、「色」を測定してから再度「色」を測定すると、同じ色が得られます。色を複数回測定しても、電子の色は変化しません (図 10 を参照)。

図 10: 色を複数回測定しても電子の色は変化しません。

図 6 の実験では、電子ビームを 4 つのビームに分割します。電子には異なる「色」と異なる「硬さ」を持つ 4 つの状態があることを説明したいと思います。しかし、上記のさらなる実験に基づくと、図 6 の 4 つの電子ビームのうち 2 つが同じ状態を表していることがわかります。他の 2 つのビームは別の同一の状態を表します。したがって、最終的には 2 つの異なる状態のみが得られます。したがって、図 6 は測定値をあまり正確に表したものではありません。より正確な説明は図11に示されています。

4つの状態を2つの状態にまとめる：量子重ね合わせ

図 11: 電子の「色」を測定した後、次にその「硬さ」を測定します。これにより電子ビームが 4 つのビームに分割されますが、それらは 2 つの異なる状態を表すだけです。

図 11 では、電子のスピン状態を示すために、4 つの記号 (|赤〉、|青〉、|ソフト〉、|ハード〉 を使用しました。これは電子が 4 つの状態を持つことを意味しますか?ここでは、古典的な図では、オブジェクトの状態の概念が相互に排他的な性質を持っていることを説明したいと思います。つまり、システムに A と B という 2 つの状態がある場合、システムが状態 A にあるときは、状態 B には絶対にないことを意味します。システムが状態 B にある場合、それは間違いなく状態 A ではありません。

図 10 に示す実験観察により、赤い電子の色を測定すると、赤は得られますが、青は得られないことがわかります。青い電子の色を測定すると、青は得られますが、赤は得られません。これは、2 つの状態 |red〉 と |blue〉 が相互に反発する性質を持っていることを示しています。つまり、赤い電子は必ずしも青い電子ではありません。青い電子は絶対に赤い電子ではありません。同様に、2 つの状態 |soft〉 と |hard〉 も相互に反発する性質を持っています。ソフト電子は必ずしもハード電子ではありません。硬い電子は絶対に柔らかい電子ではありません。ここではナンセンスな話をしているようです。

ただし、|red> 状態と |soft> 状態は相互に排他的という特性を持っていません。図 9 に示すように、赤い電子の硬さを測定すると、柔らかく感じることがあります。これは、|red> 状態と |soft> 状態が相互に排他的ではないことを示しています。時々難しいと感じることもあり、これは |red> 状態と |hard> 状態が相互に排他的ではないことを示しています。同様に、|blue> 状態と |soft> および |hard> 状態は相互に排他的な特性を持ちません。この相互に排他的でない状態の存在は量子の世界における新しい現象であり、古典理論には存在しない概念です。これは量子論の奇妙さの起源でもあります。

図 11 から、|red〉 状態には |soft〉 状態と |hard〉 状態の両方が含まれていることがわかります。したがって、赤い電子の硬さを測定すると、柔らかい電子と硬い電子であることがわかります。しかし、明らかに赤い電子はソフト電子でもハード電子でもありません。したがって、赤い電子は柔らかくも硬くもない電子であると言えます。これは微視的なシュレーディンガーの猫です。数学的には、|red〉 の状態を次のように記録します: |red〉= |soft〉+ |hard〉。これは量子論における重ね合わせの概念です。|red> 状態は |soft> 状態と |hard> 状態の重ね合わせです。図9はこの概念を強制的に実現した実験です。

図 12: 赤色電子ビームから生成されたソフト電子とハード電子を再結合すると、赤色電子が戻ります。同様に、青色電子ビームから得られたソフト電子とハード電子を再結合すると、青色電子が戻ります。

量子重ね合わせは単なる抽象的な数学的概念ではなく、実験室で実現できる実用的な操作でもあります (図 12 を参照)。上で、赤色電子ビームは「硬度」測定器を通過することによって、軟らかい電子ビームと硬い電子ビームに分割できると述べました。鏡を使ってこのソフト電子ビームとハード電子ビームを再結合すると、実際に再び赤い電子ビームを得ることができます。これはSFではありません。これは実際に実験室で観察された結果です。これは神秘的で魔法のような量子の世界であり、赤の状態を次のように表すのはそのためです: |赤〉= |ソフト〉+ |ハード〉。

図 11 から、|blue〉 状態もソフトでもハードでもない状態であることがわかります。また、|blue〉 の状態を次のように記録します: |blue〉 = |soft〉 + |hard〉。しかし、|red〉 と |blue〉 はまったく同じです。これは受け入れられません。なぜなら、|red〉 と |blue〉 は明らかに完全に異なり、相互に排他的な状態だからです。 |赤〉と|青〉を区別するために、|青〉の状態を次のように記録します: |青〉 = |ソフト〉 - |ハード〉。したがって、|blue〉 状態は、|soft〉 状態と |hard〉 状態の異なる重ね合わせであり、重ね合わせ係数は負の符号を持ちます。

上記では、スピンの 2 つの状態 (|up〉 と |down〉) を表すために、|red〉 と |blue〉 を使用しました。スピンの 2 つの状態 (|left〉 と |right〉) を表すために、|soft〉 と |hard〉 を使用します。以下でスピンの言語に戻ります。このように、|赤〉= |ソフト〉+|ハード〉と|青〉= |ソフト〉- |ハード〉の関係は、|上〉= |左〉+ |右〉と|下〉= |左〉- |右〉になります。これは、|up〉 状態が左と右の両方の状態であり、左でも右でもない状態であることを示しています。 |down〉状態は、左でも右でもあるが、左でも右でもない状態でもあります。これら 2 つの関係により、|left〉 = 2(|up〉 + |down〉) ~ |up〉 + |down〉 および |right〉 = 2(|up〉 - |down〉) ~ |up〉 - |down〉 が得られます (ここでは、係数 2 は無視されます。次のセクションを参照してください)。したがって、|left> 状態は、上でも下でもあるが、上でも下でもない状態です。これはシュレーディンガーの猫の状態でもあります。スピン状態に関する私たちの量子的な見方は、空間の 90 度の回転対称性を満たしています。

量子ビットとは何ですか?

古典物理学では、最も単純なシステムはビットです。ビットには 0 と 1 の 2 つの状態しかありません。たとえば、0 と 1 の 2 つの状態は、前述の 2 つのスピン状態 |up〉 と |down〉 と見なすことができます。量子重ね合わせの原理によれば、任意の 2 つの状態の重ね合わせも可能な状態です。したがって、量子ビットには、|0〉 と |1〉 の 2 つの状態だけでなく、それらの重ね合わせも存在します。

重ね合わせ係数はなぜ複素数でなければならないのでしょうか?これもまた非常に深い問いです。スピンの方向は3次元であることがわかっています。方向は上、下、左、右の4つだけではありません。方向も前と後ろの2つあります。スピン|フォワード状態は、上でも下でもなく、上と下の両方の状態であり、左でも右でもない、左と右の両方の状態でもあります。 |front〉 状態を |front〉 = |up〉 + |down〉 と記述します。しかし、それは正しくありません。 |up〉+|down〉 が |left〉 状態を表すために使用されているためです。複素数 i を導入することによってのみ、|previous〉 状態を |up〉|down〉 の重ね合わせ状態として表現できることがわかりました: |previous〉 = |up〉 + i|down〉。同様に、スピンが逆方向の |after〉 状態は、|up〉|down〉 の別の重ね合わせ状態です: |after〉 = |up〉 - i|down〉。このように、|前>の状態は、上でも下でもなく、上と下の両方の状態であり、また、左でも右でもない、左と右の両方の状態でもあります。 |後者の状態は、上でも下でもなく、上と下の両方である状態であり、また、左でも右でもない、左と右の両方である状態でもあります。したがって、量子の世界では、物質のさまざまな量子状態を特徴付けるために複素数を使用する必要があります。

ここで、c は任意の複素数です。したがって、量子ビットのさまざまな状態は球上の点に対応します。これは量子ビット状態のブロッホ球表現です（図13）。古典的なビットの 2 つの状態である 1 と 0 は、北極と南極に対応しますが、量子ビットは、球上の他の点によって表されるこれら 2 つの状態の任意の重ね合わせになります。これらの点は、0でも1でもない、0と1の両方である幻想的な状態を表しています。量子の世界では、推論の基本的なツールである論理さえも見直す必要があるようです。

図 13: ブロッホ球: 量子ビットの異なる量子状態は、球上の点に 1 対 1 で対応します。電子の 2 つのスピン状態を使用して量子ビットを実現できます。スピンアップは 0 状態に対応し、スピンダウンは 1 状態に対応します。すると、スピンアップとスピンダウンの重ね合わせ状態、つまり球上の他の点は、スピンがその方向を向いている量子状態に対応します。たとえば、|↑〉- |↓〉は水平x方向を指すスピン状態|→〉ですが、|↑〉- |↓〉は水平反x方向を指すスピン状態|←〉です。スピンアップ状態 |↑〉 は、2 つの状態 |→〉 と |←〉 の重ね合わせとして見ることもできます: |↑〉= |→〉+ |←〉。

1 と 0 の 2 つの状態をスピンが上向きと下向きの 2 つの状態と見なすと、ブロッホ球表現はスピンが異なる方向を向いている量子状態を表します。スピンに関する量子的記述は、空間内のどの角度でも回転対称性を満たします。

上記では、電子のスピンが 2 つの (相互に排他的な) 状態を持ち、それが量子ビットを実現することを説明しました。実際、光子にもスピンがあり、光子のスピンにも 2 つの (相互に排他的な) 状態があり、これを利用して量子ビットを実現することもできます。実際、量子通信は光子のスピン、つまり量子ビットを使用して実現されます。

光には偏光があることはわかっています。光の偏光はさまざまな方向を持ち、光子のスピンのさまざまな状態を表します (図 14 を参照)。これらの無限の偏光方向は、光子のスピンが無限の異なる状態を持つことができることを意味します。しかし、電子スピンと同様に、これらの無限状態のほとんどは相互に排他的ではありません。垂直偏波と横偏波など、相互に排他的な状態は最大で 2 つあります。垂直偏光は 0 を表し、水平偏光は 1 を表します。このような光子のスピン (偏光状態) が量子ビットです。光子は左に傾いた偏光を持つこともできます。これは、水平でも垂直でもない偏光状態に対応し、|0〉+ |1〉 と表されます。光子は右に傾いた偏光を持つこともできます。これは、水平でも垂直でもない別の偏光状態に対応し、|0〉- |1〉で表されます。これら 4 つの状態にある光子を使用するタイプの量子暗号化通信があります。

図 14: 光子は、垂直偏光、水平偏光、左傾斜偏光、右傾斜偏光など、さまざまな偏光状態を持つことができます。

シュレーディンガーの猫

0 でも 1 でもなく、0 と 1 の両方である量子ビットの奇妙な状態は、有名な「生きている猫、死んだ猫のパラドックス」の原因です。密閉された箱の中に猫、毒の入った瓶、ハンマー、量子ビット検出器が入っているところを想像してください (図 4)。検出器に量子ビットを与え、それを測定するように要求します。量子ビットが状態 1 にある場合、ハンマーが落ちて毒が放出され、猫が死んでしまいます。量子ビットが 0 状態であれば、ハンマーは落ちず、猫は生き続けます。量子ビットが 0 と 1 の重ね合わせ状態にある場合、一定時間が経過すると、猫は死んでいるのでしょうか、それとも生きているのでしょうか?量子論によれば、この猫は死んでも生きてもいない状態、そして死んでも生きている状態にあるはずです。この状態の猫はシュレーディンガーの猫と呼ばれます（図15）。

図15: かわいい猫をシュレーディンガーの猫に変える方法

シュレーディンガーの猫を理解すれば、量子通信も理解できるようになります。 0 と 1 という相互に排他的な 2 つの状態のみを使用して情報を送信する場合、私たちが行っているのは古典的な通信です。 0 状態と 1 状態、さらに 0 かつ 1 であり、0 でも 1 でもない 2 つの状態 |0〉+ |1〉 と |0〉- |1〉、これら 4 つの相互に排他的でない量子状態を使用して情報を送信すると、量子通信の一形態が実行されます。今後、この形式の量子通信についてさらに詳しく説明する記事を掲載する予定です。

この記事では、量子の存在と量子重ね合わせの原理について、できるだけ実験に近い角度から説明します。この新しい量子概念が実験によってどのように生み出されたのかを読者に感じてもらいたい。この実験的な観点は、非常に抽象的な数学的記述であるカテゴリー理論に非常に近いものとなっています。実際、圏論は抽象的な数学言語ではなく、実験に非常に近い言語です。これは物理学を学ぶ学生にとって習得する価値のある言語です。さらに、私は個人的に既存の量子論に非常に不満を持っており、それが私たちの世界を説明する究極的に正しい理論ではないと感じています。量子力学を超える理論を開発するには、おそらくカテゴリー学習が重要な役割を果たすでしょう。

特別なヒント

1. 「Fanpu」WeChatパブリックアカウントのメニューの下部にある「特集コラム」に移動して、さまざまなトピックに関する人気の科学記事シリーズを読んでください。

2. 「Fanpu」では月別に記事を検索する機能を提供しています。公式アカウントをフォローし、「1903」などの4桁の年+月を返信すると、2019年3月の記事インデックスなどが表示されます。

著作権に関する声明: 個人がこの記事を転送することは歓迎しますが、いかなる形式のメディアや組織も許可なくこの記事を転載または抜粋することは許可されていません。転載許可については、「Fanpu」WeChatパブリックアカウントの舞台裏までお問い合わせください。