シュレーディンガーの金持ちの猫が現実になったら何が起こるでしょうか?

シュレーディンガーの猫という有名なアイデアを現実のものにし、マクロな量子重ね合わせ状態を実現することで、ミクロの世界とマクロの世界の境界をより深く理解できるようになります。

著者 |イ・エル・サン（量子情報分野のポストドクター研究員）

量子重ね合わせや量子もつれなど、日常の経験を超越する量子特性は、ミクロの世界における実験によって繰り返し確認されてきました。人々の自然法則に対する理解を深めるとともに、量子情報技術の基盤にもなっています。しかし、なぜこれらの現象はマクロの世界では観察しにくいのでしょうか?

1935 年にシュレーディンガーが提唱した「シュレーディンガーの猫」は、同時に「死んでいる」と同時に「生きている」「量子猫」であり、量子特性をマクロな対象に拡張するときに生じる可能性のある混乱をよく反映しています。もちろん、現実には死んでいて生きている猫は存在しません。では、マクロな物質はどのようにして量子特性を発現するのでしょうか?量子力学はマクロな物質には適用できないと言う人もいますが、マクロな世界とミクロな世界の境界はどこにあるのでしょうか?これを理解する一つの方法は、量子重ね合わせ状態にあるマクロな物体を作り出そうとすることです。

マクロ的な重ね合わせをどのように実現するか?

実際、物理学者は、比較的マクロな物質の重ね合わせ状態を長い間準備することに成功してきました。伝統的な思考実験のシュレーディンガーの猫の状態を実現するには、古典的な性質を微視的な性質と絡み合わせる必要があります。実験のアイデアは、おおよそ次のとおりです。2 つの原子エネルギーレベル、2 つのスピン方向 (上と下として示される) などの 2 つの微視的量子特性が、シュレーディンガーの猫の思考実験における崩壊した原子と崩壊していない原子として使用されます。 2 つの異なるマクロな特性、たとえば物体の 2 つの異なる運動モード (a と b で示される) が、猫の生死として使用されます。 2 つの特性を組み合わせることで、次のような進化を実現できます。ミクロが上 (下) のとき、マクロが a (b) です。シュレーディンガー方程式によれば、微視的特性が上下の量子重ね合わせ状態として準備されている場合、進化は 2 つの枝で並行して進行するように見えます (この比喩的なメタファーは多世界解釈に似ていますが、進化がどのように発生するかは実際にはわかっていません)。最終的に、「上側 a」と「下側 b」の 2 つの一貫した重ね合わせ枝が形成されます。 2 つのブランチの干渉を観察すると、マクロな特性が実際に量子重ね合わせ状態にあることが確認できます。

初期の単一イオン移動シュレーディンガーの猫[1]から始まり、次第に「大きな」猫のシリーズが準備されました。ここでの「大きい」という言葉には2つの意味があります。一つは、マクロ的な特性の分離スケールが大きいことです。たとえば、マクロな特性が空間位置である場合 (量子力学によれば、物体は同時に異なる空間位置に存在できる)、2 つのブランチ間の空間距離は大きくなります。最近の研究では、冷却原子を使用して最大半メートル離れた重ね合わせ状態を作り出したが[2]、この研究は依然として議論の余地がある[3]。一方、それは、原子クラスターや大きな分子の空間的重ね合わせ状態など、マクロな特性を担う物質の大きな質量（シュレーディンガーの太った猫と冗談で呼ばれる）を指します[4]。最近の研究では、研究者らは、生命体「クマムシ」と超伝導量子ビットの間にエンタングルメント状態を作り出したと主張している[5]。つまり、クマムシは2つの異なる状態が同時にマクロ的に重ね合わされた状態にあったということだ。もちろん、この結果に対しても多くの関係者から疑問が投げかけられており[6]、「彼が次回のイグ・ノーベル賞を受賞する可能性が高い」とさえ言う人もいる。

マクロスケールでの量子重ね合わせを観察することは、実験的に達成するのが難しいだけでなく、理論的にも議論の多いトピックです[7]。現在の主流の見解は、マクロな物体は環境とより強く結合しており、その結果生じるデコヒーレンス効果により、マクロな重ね合わせ状態を維持することが困難になるというものです。標準的な量子力学は、マクロスケールではもはや適用できないより一般的で深遠な理論の近似に過ぎず、マクロスケールの重ね合わせ状態はトレースダイナミクスや重力崩壊などの仮説的な効果によって破壊されるという見解もあります。少なくとも今のところ、学術界は、シュレーディンガーの猫を「より大きく、より太く」することが、これらの未知の領域の探究に役立つと考えている。

巨視的機械振動子のシュレーディンガーの猫状態

シュレーディンガーの太った猫を「育てる」とき、一部の物理学者は異なるアプローチを取り、機械的な振動子を使用しました。 2021年の物理学の世界のトップ10のブレークスルーの1つ[8-10]は、2つの機械的振動子の運動モードを絡み合わせると同時に、異なる運動モードの振動子の重ね合わせ状態を実現することです。原子や電子などの微小な粒子とは異なり、機械振動子はそれ自体が多数の原子で構成されているため、マクロな物体に近いと言えます。例えば、[10]の100ピコグラム（約1012個の原子）の振動子の研究。このような物体の量子特性を研究することで、量子と古典の境界についてのさらなる洞察が得られることが期待されます。

2023年4月にサイエンス誌に発表された研究[11]では、研究者らは16マイクログラム（約10^17原子）の機械振動子を2つの運動状態の量子重ね合わせ状態に置くことに成功した。これはこれまでに作られた中で最も「太った」シュレーディンガーの猫です。

図1 実験装置の概略図。振動する結晶はさまざまな運動モードをとることができます。圧電効果を介して超伝導量子ビット（右下）に結合されています。|画像クレジット: Yiwen Chu / ETH Zurich。

この研究における実験装置は、高倍音バルク音響波共振器 (HBAR) と超伝導量子ビットが互いに結合したものです。振動する結晶はマクロな猫を表し、崩壊する超伝導量子ビットは崩壊する原子を表します。超伝導量子ビットは、減衰と非減衰に対応して、同時にアップ状態とダウン状態の両方をとることができます。振動する水晶は、異なる運動モードをとることができます。たとえば、同じ周波数で位相が反対の 2 つの振動モード a と b は、それぞれ死んでいる状態と生きている状態を表します。

結晶の振動モードと量子ビットの電界は圧電効果を通じて結合されます。つまり、量子ビットの電場は結晶振動によって発生する電場と結合しており、前者の量子状態の変化は結晶の動きに対応することになる（このとき、システムは量子ビットとフォノンの結合を記述するジェインズ・カミングス・モデルによって特徴付けられる）。したがって、上部と下部の量子重ね合わせ状態は、結晶の a 振動モードと b 振動モードの量子重ね合わせにマッピングされ、結晶は同時に 2 つの異なる運動モードになり、「死んだ猫と生きている猫」を実現します。特に、振動の位相が逆であるため、結晶内の原子は、ある瞬間に振動の最高点と最低点の両方に位置することになりますが、これも古典世界では見られない現象です。

運動パターンが実際に量子重ね合わせ状態にあることを確認するために、結晶の運動を「大まかに」直接観察することはできません。これにより、モード a または b が確率で発生するため、a、b の量子重ね合わせ状態であるか、または「a の数倍、b の数倍」の古典的な混合状態であるかを判断することは不可能です。研究者らは、量子情報における標準的な方法を使用して、運動状態の量子状態トモグラフィーを実行しました。つまり、各非可換観測量を個別に観測することで、システムの量子状態に関するすべての情報を取得しました。結果は、重ね合わせ状態の 2 つのブランチ a と b が異なる区別可能な運動状態であることを示すだけでなく、2 つのブランチの量子コヒーレント重ね合わせによって生じる位相空間の干渉縞を明確に示しています。最終的に、シュレーディンガーの猫の状態で準備された原子の総質量は約16.2マイクログラム、最大空間分離スケールは約2.1×10^(-18)メートルであることが確認されました。分離は原子のスケールよりも小さいですが、実験では 2 つの運動モードを区別できます。そして、マクロ的な現れは、重ね合わせ状態にある物体の質量が大きい（マイクログラムレベルに達する）ことです。

さらに、研究者らは、場の強度を調節および操作することで、さまざまな分離スケールを持つ一連の猫状態を準備し、それらのデコヒーレンス挙動を研究しました。結果は、デコヒーレンス率がスケールとともに増加することを示しており、これは理論上の予測と一致しています。

展望

明らかに、マクロな量子特性の探究は「終わりのないフロンティア」です。量子力学の基礎の観点から見ると、量子測定の問題は、微視的な量子システムと測定装置（巨視的）および周囲の環境との間のエンタングルメントを伴うため、常に議論の的となってきました。マクロな重ね合わせ状態を研究することは、上記の問題を理解するのに役立ちます。また、標準的な量子力学を超えたいくつかの理論をテストするのにも役立ちます。量子技術の観点からは、将来の実用的な大規模量子コンピュータには、制御可能な量子状態にある量子ビットが多数必要となり、マクロな量子特性の研究は、そのための参考となることが期待されます。同時に、同様のマクロ量子状態は、連続変数量子情報処理、量子誤り訂正、重力波の量子センシングなどの分野への応用が期待されています。この方向へのさらなる発展により、将来的には大きな質量と空間分離を持つ巨視的重ね合わせ状態が準備され、重力によって媒介されるエンタングルメントなどの量子重力現象の探究に役立つことが期待されます[12]。

参考文献

[1] サイエンス380、274-278（2023）。

[2] サイエンス272、1131-1136（1996）。

[3] ネイチャー528、530-533（2015）。

[4] ネイチャー537、E1-E2（2016）。

[5] ナット。物理。 15、1242-1245（2019）。

[6] ニュージャーナルオブフィジックス24、12302（2022）。

[7] https://phys.org/news/2021-12-peers-dispute-tardigrades-entangled-qubits.html。

[8] Rev. Mod.物理。 85、471-527（2013）。

[9] https://physicsworld.com/a/physics-world-announces-its-finalists-for-the-2021-breakthrough-of-the-year/

[10] サイエンス372、622-625（2021）。

[11] サイエンス372、625-629（2021）。