11 月、マサチューセッツ工科大学の建設作業員は、942 年早すぎるタイム カプセルに遭遇しました。 1957年に埋葬され、2957年に予定されていたカプセルは、内容物を保存するために不活性ガスで満たされたガラスシリンダーでした。将来の研究者が埋葬の年を確認できるように、化石の年代を特定できるように、炭素14も混入されていました。 MIT の管理者は、それを修復し、再封印し、再埋葬する予定です。しかし、未来へのメッセージがその時まで読まれないようにすることは絶対に可能でしょうか?
量子物理学はその方法を提供します。 2012 年、オーストラリアのクイーンズランド大学の物理学者である Jay Olson と Timothy Ralph は、データを暗号化して、将来の特定の瞬間にのみ復号化できるようにする手順を説明しました。彼らのスキームは、量子エンタングルメントを利用しています。これは、電磁場などの場内の粒子または点が、それぞれのアイデンティティを脱ぎ捨て、共有された存在を想定し、それらの特性が互いに相関するようになる現象です。通常、物理学者はこれらの相関関係を、アルバート・アインシュタインが有名な「遠く離れた不気味な作用」と表現した現象で、遠く離れた場所を結びつけ、空間にまたがっていると考えています。しかし、これらの相関関係がどのように時間にも及ぶかを調査する研究が増えています。現在起こっていることは、単純なメカニズムの説明を回避する方法で、後で起こることと関連付けることができます.実際には、遅れて不気味なアクションを行うことができます.
これらの相関関係は、時間と空間に関する私たちの直観を深刻に混乱させます。 2 つのイベントが相関して、前のイベントと後のイベントがリンクされるだけでなく、2 つのイベントが相互に関連付けられて、どちらが先でどちらが後かを判断できなくなります。これらの各イベントは、あたかもそれぞれが最初に発生したかのように、他のイベントの原因です。 (1 人の観測者でもこの因果的曖昧さに遭遇する可能性があるため、アインシュタインの特殊相対性理論で説明されているように、2 人の観測者が異なる速度で移動するときに発生する可能性がある時間反転とは異なります)。
タイムカプセルのアイデアは、これらの時間的相関関係の潜在的な力を示す 1 つの例にすぎません。また、量子コンピューターの速度を向上させ、量子暗号を強化する可能性もあります。
しかし、おそらく最も重要なことは、この研究が、時空の構造を説明するアインシュタインの一般相対性理論と量子論を統合する新しい道を開くことを研究者が望んでいることです。私たちが日常生活で経験する世界は、時空間の位置によって決定される順序でイベントが発生しますが、量子物理学が可能にする可能性のサブセットにすぎません。ウィーン大学の物理学者で量子情報を研究しているチャスラフ・ブルクナーは、「時空があれば、因果関係が明確に定義されています」と述べています。しかし、彼が提案した実験の場合のように、「明確に定義された因果関係がない場合」、「時空がない」と彼は言いました。一部の物理学者は、これを非常に非直観的な世界観の証拠と見なしており、そこでは量子相関が時空よりも基本的であり、時空自体がイベント間の相関から何らかの方法で構築されており、量子関係論と呼ばれるものです。この議論は、ゴットフリート・ライプニッツとエルンスト・マッハの、時空は神が世界に与えた背景ではなく、宇宙の物質的な内容に由来する可能性があるという考えを更新します。
時間のもつれの仕組み
時間のエンタングルメントを理解するには、まず空間のエンタングルメントを理解することが役立ちます。この 2 つは密接に関連しているからです。古典的なエンタングルメント実験の空間バージョンでは、光子などの 2 つの粒子が共有された量子状態で準備され、異なる方向に飛ばされます。観察者のアリスは一方の光子の偏光を測定し、パートナーのボブはもう一方の光子を測定します。アリスは水平軸に沿って偏光を測定し、ボブは対角線に沿って見ます。または、彼女が垂直角度を選択し、彼が斜め角度を測定するかもしれません。順列は無限です。
これらの測定結果は一致しますが、不思議なことに、アリスとボブが測定の選択を変えても一致するということです。あたかもアリスの粒子がボブの粒子に何が起こったかを知っているかのように。これは、粒子をつなぐものがない場合でも当てはまります。力、波、伝書鳩などはありません。この相関関係は、「局所性」、つまり結果には原因があり、原因と結果の連鎖は空間と時間で途切れていないという規則に違反しているように見えます。
ただし、一時的なケースでは、謎はより微妙で、偏光した光子が 1 つだけ含まれています。アリスがそれを測定し、次にボブがそれを再測定します。空間の距離は時間間隔に置き換えられます。同じ結果が見える確率は、偏光子間の角度によって異なります。実際、空間の場合とまったく同じように変化します。あるレベルでは、これは奇妙に思えません。もちろん、最初に何をするかが次に起こることに影響します。もちろん、粒子は未来の自分と通信できます。
この奇妙さは、カナダのウォータールーにあるペリメーター理論物理学研究所で量子力学の基礎を研究している物理学者、ロバート・スペッケンズによって考案された実験で明らかになりました。 Spekkens と彼の同僚は 2009 年に実験を行いました。アリスは 4 つの可能な方法のいずれかで光子を準備します。古典的には、これら 4 つの方法を 2 ビットの情報と考えることができます。次にボブは、考えられる 2 つの方法のいずれかで粒子を測定します。最初の方法で粒子を測定することを選択した場合、彼はアリスの最初の情報を取得します。彼が2番目を選択した場合、彼は彼女の2番目のビットを取得します。 (技術的には、彼はどちらのビットも確実に取得するのではなく、高い確率でのみ取得します。) この結果の明白な説明は、光子が両方のビットを保存し、ボブの選択に基づいて 1 つを解放する場合です。しかし、その場合は、ボブが両方のビットに関する情報を取得できることを期待できます。つまり、両方を測定するか、少なくとも両方の特性 (同じか異なるかなど) を測定できます。しかし、彼はできません。実験は、原則としてさえ、両方のビットに到達することはできません — ホレボ限界として知られている制限です. 「量子システムはより多くのメモリを持っているように見えますが、実際にアクセスすることはできません」と、ドイツのジーゲン大学の物理学者、コスタンティーノ ブドロニは言いました。
光子は実際には 1 ビットだけを保持しているように見え、まるでボブの測定の選択がそれがどれであるかをさかのぼって決定するかのようです。おそらくそれは実際に起こることですが、これはタイムトラベルと同じです — 奇妙に限定されたベースで、ビットの性質を決定する能力を含みますが、未来を垣間見ることはできません.
時間的エンタングルメントのもう 1 つの例は、ケンブリッジ大学の数理物理学者であるスティーブン ブライエリーが率いるチームによるものです。昨年の論文で、ブライアリーと彼の共同研究者は、絡み合い、情報、時間の奇妙な交差点を調査しました。アリスとボブが 2 つの偏光子の向きから選択した場合、彼らが見る相関関係は、単一ビットを運ぶ粒子によって容易に説明されます。しかし、可能性のある 8 つの方向から選択し、粒子を 16 回測定して再測定すると、1 ビットの記憶では説明できない相関関係が見られます。 「私たちが厳密に証明したのは、このHolevo境界に対応するビット数を時間内に伝播すると、量子力学が予測することを完全に説明できないということです。 Brierley の共著者の 1 人。要するに、実験の最初にアリスが粒子に対して行ったことは、簡単に説明するには強すぎる方法で、最後にボブが見たものと相関しています。これを「超記憶」と呼ぶかもしれませんが、「記憶」のカテゴリは何が起こっているのかを捉えていないようです.
古典物理学を超えて粒子にこの超記憶を与える量子物理学とは正確には何なのでしょうか?研究者にはさまざまな意見があります。鍵となるのは、量子測定は必然的に粒子を乱すということだという人もいます。妨害とは、定義上、後の測定に影響を与えるものです。この場合、外乱は予測された相関につながります。
2009 年、当時クイーンズランド大学にいた物理学者のマイケル ゴギンと彼の同僚は、この問題を解決するための実験を行いました。彼らは、粒子を同種の別の粒子と空間的にもつれさせ、元の粒子ではなくその代わりの粒子を測定するというトリックを使用しました。スタンドインの測定は元の粒子を混乱させますが (2 つがもつれているため)、研究者は絡み合いの程度を変えることで元の粒子が崩壊する量を制御できます。トレードオフは、元の実験者の知識の信頼性が低下することですが、研究者は粒子の複数のペアをテストし、特別な方法で結果を集計することで補償します.ゴギンと彼のチームは、元の粒子がほとんど乱されないところまで破壊を減らしました。異なる時間での測定値は依然として密接に相関していました。実際、測定が粒子を最も妨害したときよりも、それらはさらに密接に相関していました。そのため、粒子の超記憶の問題は謎のままです。今のところ、量子粒子が強い時間的相関関係を生み出す理由を尋ねると、物理学者は基本的に「だから」と答えるでしょう。
量子タイムカプセル
電磁場やその他の自然界を記述する量子力学のより高度なバージョンである場の量子論に移ると、物事はさらに面白くなり、量子タイムカプセルやその他の楽しいものの可能性を提供します.フィールドは高度に絡み合ったシステムです。そのさまざまな部分は相互に相関しています。ある場所でのフィールドのランダムな変動は、別の場所でのランダムな変動と一致します。 (ここでの「部分」は、空間の領域と時間のスパンの両方を指します。)
粒子が存在しないと定義される完全な真空でさえ、量子場が存在します。そして、これらのフィールドは常に振動しています。振動が互いに打ち消し合うため、空間は空っぽに見えます。そしてこれを行うには、それらを絡ませる必要があります。キャンセルには、振動の完全なセットが必要です。サブセットが必ずしも相殺されるわけではありません。しかし、これまで目にしたのはサブセットだけです。
理想化された検出器が真空中にあるだけでは、粒子は検出されません。ただし、実際の検出器は範囲が限られています。フィールドは不均衡に見え、真空中の粒子を検出し、ウラン鉱山のガイガー カウンターのように離れていきます。 1976 年、ブリティッシュ コロンビア大学の理論物理学者 Bill Unruh は、検出器が加速すると検出率が上がることを示しました。これは、検出器が遠ざかる空間領域に対する感度が失われるためです。それを非常に強く加速すると、狂ったようにカチッと音を立て、目に見える粒子が視界の外に残る粒子と絡み合います。
2011 年に Olson と Ralph は、検出器を時間の経過とともに加速させることができれば、ほとんど同じことが起こることを示しました。彼らは、一度に単一の周波数の光子に敏感な検出器について説明しました。検出器は、警察のラジオ スキャナーのように周波数を掃引し、低い周波数から高い周波数へ (またはその逆) 移動します。速いペースでスイープすると、ラジオ ダイヤルの端からすぐにスキャンされ、機能が完全に停止します。検出器は限られた時間しか機能しないため、全範囲のフィールド振動に対する感度が不足し、Unruh が予測したのと同じ不均衡が生じます。拾った粒子は、時間の隠された領域、つまり未来の粒子と絡み合うのは今だけです。
Olson と Ralph は、超伝導材料のループから検出器を構築することを提案しています。近赤外光を拾うように調整され、数フェムト秒 (10 秒) でスキャンが完了すると、ループは真空が室温でガスのように光っているのを確認します。宇宙を加速する実行可能な検出器はそれを達成できなかったため、オルソンとラルフの実験は場の量子論の重要なテストになるでしょう。また、同じ基本的な物理学を含む、ブラックホールの蒸発に関するスティーブン・ホーキングの考えを立証することもできます.
このような検出器を 2 つ構築し、1 つは加速し、もう 1 つは同じ速度で減速する場合、1 つの検出器で検出された粒子は、もう 1 つの検出器で検出された粒子と相関します。最初の検出器は、ランダムな間隔で一連の漂遊粒子を検出する場合があります。数分または数年後、2 番目の検出器が同じ間隔で一連の漂遊粒子を検出します。これは不気味な現象の繰り返しです。 「それらを個別に見ただけでは、ランダムにクリックしていますが、特定の時間に見れば、一方をクリックすると、もう一方もクリックすることがわかります」と Ralph 氏は言います。 .
これらの時間的相関関係は、その量子タイム カプセルの構成要素です。このようなからくりの最初のアイデアは、メリーランド大学ボルチモア郡の物理学者 James Franson にまでさかのぼります。 (Franson は空間的な相関関係を使用しました。Olson と Ralph は、時間的な相関関係の方が簡単かもしれないと言います。) メッセージを書き、光子の各ビットをエンコードし、特殊な検出器の 1 つを使用してそれらの光子をバックグラウンド フィールドと共に測定し、こうして効果的に暗号化します。あなたのビット。次に、結果をカプセルに保存して埋めます。
指定された将来の時間に、子孫はペアの検出器でフィールドを測定します。 2 つの結果が合わさって、元の情報が再構成されます。 「状態は、[2 つの測定] の間の時間は身体化されていませんが、真空中のこれらの相関関係に何らかの形でエンコードされています」と Ralph 氏は述べています。子孫は 2 番目の検出器がトリガーされるまで待たなければならないため、その時間前にメッセージのスクランブルを解除する方法はありません。
同じ基本的な手順で、計算と暗号化で使用するもつれ粒子を生成できます。 「実際に量子信号を送信しなくても、量子鍵の配布を行うことができます」と Ralph 氏は言います。 「アイデアは、真空中にすでに存在する相関関係を使用することです。」
時空の性質
これらの時間的相関関係は、時空の性質に関する物理学者の仮定にも挑戦しています。 2 つの出来事が相関していて、まぐれではない場合はいつでも、2 つの説明があります。1 つの出来事が他の出来事を引き起こすか、または何らかの第 3 の要因が両方を引き起こします。このロジックの背景には、イベントが特定の順序で発生し、空間と時間の位置によって決定されるという前提があります。量子相関 (確かに空間的な種類、おそらく時間的なもの) は強すぎて、これら 2 つの説明のいずれかを使用して説明できないため、物理学者はその仮定を再検討しています。 「これらの相関関係を実際に説明することはできません」と、スイスのルガーノにあるイタリア スイス大学の物理学者である Ämin Baumeler 氏は述べています。 「これらの相関関係がどのように現れるかについてのメカニズムはありません。したがって、それらは私たちの時空間の概念に実際には適合しません。」
ペリメーター研究所の理論物理学者であるルシアン・ハーディのアイデアに基づいて、ブルックナーと彼の同僚は、時空の存在を前提とせずに、イベントが互いにどのように関連している可能性があるかを研究しました。あるイベントのセットアップが別のイベントの結果に依存する場合、それは後で発生すると推測します。イベントが完全に独立している場合、それらは空間と時間で遠く離れて発生する必要があります。このようなアプローチは、空間的および時間的相関関係を対等な立場に置きます。また、空間的でも時間的でもない相関関係が可能になります。つまり、すべての実験が一貫して一致するわけではなく、それらを空間と時間内に配置する方法がありません。
ブルックナーのグループは、この考えを説明する奇妙な思考実験を考案しました。アリスとボブはそれぞれコインをトスします。各自が自分のトスの結果を紙に書き、相手の結果を予想します。また、各人がこの情報を記載した紙を相手に送信します。彼らはこれを何度も行い、どれだけうまくいくかを確認します。
通常、ゲームのルールは、アリスとボブが特定の順序でこれを行うように設定されています。アリスが最初だとします。彼女は Bob の結果 (まだ発生していません) を推測することしかできませんが、自分の結果を Bob に送信することはできます。ボブのフリップに対するアリスの推測は 50% の確率で正しくなりますが、アリスの推測は常に正しくなります。次のラウンドでは、ボブが最初になり、役割が逆転します。全体の成功率は 75% になります。しかし、彼らが特定の順序でこれを行うと仮定しなければ、紙のシートを量子粒子に置き換えれば、85% の確率で成功します。
この実験を空間と時間内に位置付けようとすると、限られた時間旅行が含まれていると結論付けざるを得なくなるため、2 番目に行った人は自分の結果を時間を遡って行った人に伝えることができます。最初。 (タイム パトロールは、論理的なパラドックスが発生しないことに安心します。どのイベントも、それ自体が原因になることはありません。)
ブルックナーとウィーンの彼の同僚は、これに似た現実世界の実験を行いました。実験では、アリスとボブの操作は、2 つの光学フィルターによって実行されました。研究チームは、部分的に銀メッキされたミラーに光子の流れを照射し、光子の半分が一方の経路をたどり、もう半分が別の経路をたどるようにした。 (個々の光子がどちらの経路をたどったかを測定せずに判断することは不可能でした。ある意味では、一度に両方の経路をたどりました。) 最初の経路では、光子は最初にアリスのフィルターを通過し、次にボブのフィルターを通過しました。 2 番目の経路では、光子はそれらを逆の順序でナビゲートしました。この実験は、量子不確定性をまったく新しいレベルに引き上げました。粒子は測定前に明確な特性を持っていなかっただけでなく、それらに対して実行された操作は明確な順序で実行されていませんでした.
実用的なレベルでは、この実験は量子コンピューターの新しい可能性を開きます。 Alice と Bob に対応するフィルターは 2 つの異なる数学的演算を表し、装置はこれらの演算の順序が重要かどうかを 1 つのステップで確認できました。つまり、A の後に B が続くのは、B の後に A が続くのと同じかどうかです。そのためには 2 つのステップが必要なので、この手順は大幅に高速化されます。量子コンピューターは、考えられるすべてのデータに対して一連の操作を一度に実行すると説明されることがありますが、考えられるすべての操作を一度に実行できる場合もあります。
この実験をさらに一歩進めることを想像してみてください。 Brukner の最初の実験では、個々の光子の経路は「重ね合わせ」に配置されます。光子は、Alice-first 経路と Bob-first 経路の量子結合を下ります。 「光子が最初に通過したフィルターはどれですか?」という質問に対する明確な答えはありません。測定が実行され、あいまいさが解決されるまでは。光子の代わりに、重力のある物体をそのような時間的重ね合わせに入れることができれば、装置は時空自体を重ね合わせに入れるでしょう。このような場合、アリスとボブのシーケンスはあいまいなままになります。原因と結果がぼやけてしまい、何が起こったのかを段階的に説明することができなくなります.
これらの出来事の間の不確定な因果関係が取り除かれて初めて、自然が利用可能な可能性の一部のみを認識できるようになると、空間と時間が意味のあるものになります.量子相関が最初に来て、時空は後です。正確には、時空は量子世界からどのように出現するのでしょうか? Brukner 氏は、まだ確信が持てないと述べた。タイムカプセルと同じように、答えはその時が来てから来ます。
