量子系でも時間の矢はまだ前を向いているのでしょうか?新しい実験は、そうであることを暗示しているようです。量子システムは、少なくともほとんどの場合、時間の矢に従います。セントルイスのワシントン大学の研究者による新しい研究では、超伝導キュービットの前方および後方の時間軌道を観察する実験が行われ、量子システムが巨視的システムのように熱力学の第 2 法則を順守していることが確認されました。新しい研究は、微視的測定ダイナミクスと巨視的測定ダイナミクスの間の一貫性を確立しているようです.
実験は、空間を通過する量子ビットの統計的軌跡のシミュレーションを作成することによって進められ、次にデータを逆方向に再生して、時間的に前方または後方のどちらの軌跡がより可能性が高いかを確認しました。熱力学の第 2 法則によると、すべての物理システムは時間の経過とともにエントロピーの増加を示します。データを逆方向に再生することにより、研究者はエントロピーが将来の方向にのみ増加することを確認し、少なくともほとんどの状況で量子システムが熱力学の第 2 法則に従うことを確立しました。この実験は、量子系の時間発展を予測するための新しい統計手法の使用において斬新です。新しい研究は、プレプリント出版サイト arXiv で全文を読むことができます。
時間とエントロピーの矢
難攻不落と思われる物理的原理が 1 つあるとすれば、それは時間の矢の存在です。 「時間の矢」というフレーズは、時間が 1 だけ流れているように見えるという普遍的な観察を指します。 過去から未来へ。巨視的な領域、つまりテーブル、椅子、木、人間などの世界では、時間は常に前方にしか観測されません。この観察は、物理学における時間の扱い方と矛盾しているようです。多くの物理学者にとって、時間は 3 つの空間次元に類似した 4 番目の次元と見なされます。ただし、3 つの空間次元は等方性ですが、 、彼らは特権的な方向を持っていないことを意味し、時間は特権的な方向を持っているようです.さらに、基本的な物理法則は時間で可逆的であるように見えます。つまり、いわば「時計を逆走させても」法則は成立します。
多くの物理学者は、時間の見かけ上の異方性について説明を提供してきました。この考えによれば、知覚される時間の矢は、熱力学の第二法則の結果です。第 2 法則によると、エントロピーの法則と呼ばれることもあります 、すべてのシステムは、時間の経過とともに無秩序の増加を示しています。これは巨視的スケールで最も明白に見られます。火が木を燃やすと、気化して煙に変わります。煙が凝縮して固い木の塊に戻ることはありません。同様に、ボールが窓を通り抜けて多くの破片に砕けるのを見るだけで、ボールが壊れた窓を通り抜けて再び組み立てられるのを見ることはありません.つまり、第 2 法則は、特定のプロセスの時間方向を区別できるようにするものです。エントロピーの増加を示す方向は、過去から未来への方向です。物理学者は、第二法則の欠陥を見つけるために実験や思考実験を考案しようとしましたが、今のところ役に立ちません.
顕微鏡システムを研究する場合、上記の観察結果はそれほど明確ではありません。単一の煙の粒子が空中を舞うのを見ると、ビデオが順方向に再生されているか逆方向に再生されているかを判断するのは困難です。エントロピーが明らかになるのは、巨視的なスケールでガスの雲を観察するときだけです。すべてのガス粒子が空間を拡散するのではなく、集中する傾向があることは天文学的にありそうにありませんが、1 つの粒子の挙動を見るだけではその判断を下すことはできません。
エントロピーと量子システム
時間の矢を決定する問題は、多くの理由で量子力学系では困難です。それらの主なものは、量子システムが測定プロセスによって大きく影響を受けるという事実です。測定の影響が無視できる巨視的システムとは異なり、量子システムは非常に小さく、揮発性であるため、測定という行為自体がシステムに変化を引き起こします。第二に、量子測定はその性質上、確率論的です。量子システムのどのモデルも、特定の粒子の位置や運動量を正確に予測することはできません。粒子が特定の位置または運動量で測定される確率のみを与えることができます.
ただし、これらの問題を回避する方法があります。量子システムが周囲の環境に及ぼす間接的な影響を測定することで、量子システムの軌跡をモデル化することができます。量子システムを取り巻く環境の統計的変化を観察することにより、科学者は逆方向に作業して、時間の経過に伴う量子システムの軌跡のモデルを構築できます。このプロセスの結果は、間接的です。 量子システムと直接相互作用することによって達成されるわけではありません。したがって、量子システムに含まれる情報は、直接測定のプロセスによって破壊されることはありません。
したがって、検討中の研究を進めます。研究者の実験は、特定の周波数で振動するキュービットからなる単純な量子システムをセットアップすることによって進められました。マイクロ波で実験チャンバーを刺激し、その摂動を測定することにより、研究者は量子ビットの初期状態に依存する位相シフトを計算することにより、量子ビットの状態を決定することができました。マイクロ波プローブの状態を測定した後、科学者はこれらの測定値をデジタル化し、一定期間にわたる一連の離散測定値を受け取りました。これらのデジタル化された時間ステップ測定値を使用して、研究者は量子ビットの状態を 1 つずつ推測し、時間の経過に伴う量子ビットの連続的な軌跡を表すモデルを構築することができました。
次に、研究者は、構築されたキュービットモデルを使用して、時間の経過とともに順方向と逆方向に並べられた量子システムのさまざまなエントロピー状態を計算しました。これらの量子状態の順序付けられたシーケンスの合計エントロピー値は、Q と表記されました。 正のQ （より多くのエントロピー）は、時間の経過とともに順方向の軌跡を示し、負の Q (エントロピーが少ない) は、時間の逆方向の軌跡を意味します。
次に、研究者は 3 人のオブザーバー、アリス、ボブ、チャーリーの間の量子実験のシミュレーションを設定しました。さまざまな初期状態と測定プロセスをさまざまなパラメータで使用して実験を行うことで、研究者は Q の負の値を特定することができました。 (エントロピーが少ない) Q の数値が小さい場合に発生する可能性が高くなります .これは、量子ゆらぎによってエントロピーが非常にわずかに減少することがあるというよく知られた事実に対応しています。ただし、研究者は、Q の値が大きい場合、 、Qの進化に対応 より長い期間、Q 値は正である可能性が高く、エントロピーの増加を示しています。言い換えれば、より長い期間にわたって、量子システムは Q の正の値に沿った動作を示す可能性があります。 .
研究者は、この発見の説明は、量子摂動に関する計算は一般に、量子系の進化に対する初期条件の影響を考慮に入れていないということであると主張しています。研究者によると、初期状態は Q の可能な値に低い境界を設定します .初期条件に対するこの敏感さは、特定の初期状態が得られる可能性が低いことの結果です。別の言い方をすれば、Q の初期値 Q の時間発展 は、量子系の初期状態自体がありそうにない状況に対応して負になる可能性があります。これらの初期状態自体は比較的ありそうにないため、システムの全体的な進化は Q の正の値に向かう傾向があります。 .研究者によると、この結果は、「変動する環境とのもつれから情報と反作用が生じる量子測定では、統計的な時間の矢が基本的に現れる」ことを示しています。
熱力学第二法則の現状
熱力学の第 2 法則は、「統計法則」と呼ばれることもあります。これは、基本的に統計的な事実から生じる普遍的な一般化であることを意味します。十分に大きなシステムの場合、システムが取りうる状態の大部分は、エントロピーが初期状態よりも大きい状態です。したがって、システムに何らかの変更を加えると、システムは初期状態からエントロピーの大きい状態に移行する可能性があります。
科学者にとっての問題は、この一般化が微視的な量子世界にまで及ぶかどうかでした。現在の研究では、量子系に適用できる熱力学の第 2 法則の特性を示すことが可能であることが示されていますが、それにはいくつかの概念的な修正が必要です。具体的には、量子システムをその環境から分離することは困難です。量子システムは、その性質上、厳密な分離に抵抗します。実際、量子システムであることの意味の一部は、量子エンタングルメントの形での環境との相互作用に関係しています。現在の研究は、量子システムに対する環境の影響を考慮に入れることにより、量子システムのコンテキストでエントロピーの統計法則のバージョンを回復できることを示しています。
