それは単なる一片の物質であり、ウイルスよりも大きくないシリカ結晶片であり、光ビームで浮揚しています.しかし、物理法則が許す限り、それはほとんど静止しています。
オーストリアとスイスの 2 つの研究チームは、直径わずか 100 から 140 ナノメートルの非常に小さなナノ粒子を、ほぼ完全に最低エネルギーの量子状態に凍結することに独自に成功しました。ゼロ — 驚くほど正確に固定します。
ナノ粒子を 1 か所にしっかりと保持することは、ほんの始まりにすぎません。目標は、これらのオブジェクトをいわゆる量子重ね合わせにすることです。これにより、それらを測定する前に、それらがどこにあるかを言うことができなくなります。重ね合わせの粒子は、2 つ以上の場所のいずれかで見つかる可能性があり、実際に見るまで、それがどれになるかはわかりません。これはおそらく、量子力学が、明確な特性と位置を持つ私たちの身近なオブジェクトの世界が、それを見るという行為によってのみ生じると主張しているように見える方法の最も驚くべき例です.
素粒子、原子、および光子と呼ばれる質量のない光の「粒子」の重ね合わせは十分に確立されています。しかし、このような量子効果は、粒子が周囲と相互作用するときに非常に簡単に妨げられる傾向があるため、オブジェクトが大きくなり、より多くの相互作用が発生するにつれて、重ね合わせの設定が急速に難しくなります.これらの相互作用は、ほぼ瞬時に重ね合わせを破壊し、オブジェクトに固有の明確なプロパティを残す傾向があります.
それでもなお、研究者たちは重ね合わせや関連する量子効果が観察できるサイズを着実に拡大してきました。粒子から小さな分子、さらに大きな分子へと、そして今ではナノスケールの物質の塊へと進んでいます。この量子性の拡張が原理的にどこまで続くかは誰にもわかりません。おそらく、量子の挙動が重力と相容れない (原子や分子では無視できる) ために、単純に消滅するサイズの限界があると考える人もいますか?それとも、量子性の大きさに根本的な制限はありませんか?
これらの疑問は、量子論の 100 年にわたる歴史を通じて常に存在してきました。現在、研究者は初めて、それらに答えることができるようになり、おそらく、重力が量子世界にどのように適合するかを説明する方法を示しています. 「私は 10 年間、巨視的な重ね合わせに取り組んできました」と、この分野のリーダーの 1 人であるオーストリアのインスブルック大学の量子理論家オリオール ロメロ イザルトは言いました。 」今後数年間で、私たちは世界が量子であるかどうかを発見するかもしれません.
一般に信じられていることとは反対に、重ね合わせにおける量子粒子は、一度に 2 つ (またはそれ以上) の状態にあるわけではありません。むしろ、重ね合わせとは、測定結果の可能性が複数あることを意味します。古典物理学で記述された日常的なスケールのオブジェクトにとって、それは意味がありません。それは、ここかそこか、赤か青のいずれかです。それがどれか分からない場合、それは単に私たちの無知によるものです。私たちは見ていません。しかし、量子重ね合わせについては、明確な答えはありません。「位置」の特性は明確に定義されていません。
しかし、見たときにどちらか一方の結果しか見えない場合、見る前に粒子が重ね合わせにあったことをどのように知ることができますか?答えは、結果が何であるかを見つけようとしない限り、つまりその特性を測定しない限り、重ね合わせで何らかの方法で具現化された 2 つ (またはそれ以上) の選択肢が互いに干渉する可能性があるということです。 2つの波のように。この波状の挙動は、波動関数と呼ばれる数学的実体に具現化されており、粒子について言えることすべてをエンコードしています。
量子干渉は、粒子がスクリーンの 2 つの狭い間隔のスリットを通過するときに最もよく見られます。粒子が通過するスリットを確認しないと、粒子は水の波のように振る舞い、その波動関数は両方のスリットを同時に通過して広がり、干渉パターンを作成します。
しかし、測定装置をスリットのそばに置いて、各粒子がスリットを通過したかどうかを判断すると (粒子の経路を観察するため)、干渉パターンはなくなります。
オブジェクトはどれくらい大きくなり、干渉する「物質波」として動作することができますか?ウィーン大学の量子物理学者アントン・ツァイリンガーと彼の同僚は、1999 年にフラーレン (C60) と呼ばれる炭素分子を使用した二重スリット実験でこの問題を研究しました。 )、ちょうど 60 個の炭素原子がサッカー ボールの革パッチのように六角形と五角形のリングに結合して作られています。彼らは明確な干渉パターンを発見し、C60 のような分子でさえ — 直径 0.7 ナノメートルで、個々の原子よりもはるかに大きく重い — 重ね合わせることができます。
おそらく同じくらい重要なことに、彼らはその重ね合わせがどのように解消されたかを研究し続けました.
ガス分子や光子などの量子粒子と隣接する粒子との間の相互作用は、両方のオブジェクトを一種の結合量子状態に絡み合わせます。このようにして、元の粒子の重ね合わせが環境に広がります。
水の入ったコップの中で拡散して広がるインク滴のように、この拡散する重ね合わせは、拡散したすべてのスポットを見て、その情報から再構築しない限り、元のインク滴を見るのをますます難しくします。エンタングルメントが最初に重なった粒子の波動関数を周囲の粒子の波動関数と混合すると、波動関数はコヒーレンスを失い、コヒーレントな小さな波の塊になるように見えます。このプロセスはデコヒーレンスと呼ばれ、元のオブジェクトでは重ね合わせが検出されなくなります。その量子性が消えているように見えます。
量子重ね合わせのデコヒーレンスは、粒子とその環境との相互作用を最小限に抑えることができない限り、非常に速く起こります。 .オブジェクトが大きいほど、より多くの相互作用が発生する可能性が高く、デコヒーレンスがより速く発生します。空気中に浮遊する直径約 10 マイクロメートルのダスト粒子の場合、粒子自体とほぼ同じ幅で分離された空間内の 2 つの位置の重ね合わせ状態は、約 10 秒で分離すると推定されます。光は陽子の幅を移動します。
デコヒーレンスは、観察できるほど長く続く大きな物体の量子重ね合わせを作成する際の主な障害のようです。フラーレンを使った干渉実験は、そのイメージを支持しました。ウィーンのチームは、バックグラウンドガスをチャンバーに入れると、粒子の干渉が徐々に消え、分子がフラーレンと衝突し、量子波のコヒーレンスが破壊されると予測しました。それはまさに彼らが見たものです。
Zeilinger のチームのメンバーの 1 人に Markus Arndt がおり、彼は過去 20 年間にわたって量子干渉をスケールアップするための探求を続けてきました。 2011 年に、彼と彼のチームは、それぞれ最大 430 個の原子を含む炭素ベースの有機分子のビームを干渉させ、直径が最大 6 ナノメートルでした。 2019 年には、約 2,000 原子の分子でそれを行いました。そして昨年、生物学的分子、具体的にはグラミシジン A1 と呼ばれる天然ペプチドに干渉パターンを作成しましたが、これらは分子線干渉実験の困難な条件にさらされるには壊れやすい分子です。
Arndt は、彼の目標は、粒子の質量を 1 年または 2 年ごとに 10 倍にすることだと言います。それはすぐに、ウイルスなどの生物学的物体のサイズと質量の範囲にうまく収まるでしょう。一方、2009 年、当時ドイツのガルヒングにあるマックス プランク量子光学研究所にいたロメロ イザルトと彼の同僚たちは、光トラップでウイルスを浮遊させるというアイデアをスケッチしました。強力な集束光線 — そして、それらを 2 つの振動状態の重ね合わせに誘導し、それらの間の干渉を探します。
なぜそこで止まるのですか？研究者たちは、幅約 1 ミリで、数日間宇宙にさらされても生き残ることがわかっている、クマムシと呼ばれる驚くほど頑丈な小動物など、明確に生きている生物に対しても同じことを行うことを推測しています。研究者たちは、この計画によって「元のシュレーディンガーの猫とほぼ同じ精神で量子重ね合わせ状態」を作成できるようになると書いています。この有名な思考実験は、大きな (特に生きている) 実体の量子重ね合わせの明らかな不条理を強調することを目的としていました。
シュレーディンガーの不条理を現実のものにする見込みは、ウィーン大学のマルクス・アスペルマイヤー、スイス連邦工科大学チューリッヒ校のルーカス・ノヴォトニーとロマン・クイダン、そしてロメロ・
2019 年に 3 つのグループが 2 つの独立した研究で、直径約 100 から 150 ナノメートルで約 1 億個の原子を含むシリカ ナノ粒子を冷却して、ほぼ最低エネルギー (基底) 量子状態にできることを報告しました。レーザー光線によって生成される光トラップ。
そして昨年、アスペルマイヤーのチームは、そのような粒子を、原子の結晶格子の振動が可能な限り最小になる基底状態にさらに完全に誘導したことを報告しました。絶対零度では、粒子は完全に基底状態になり、残りの唯一の運動は原子のいわゆるゼロ点運動になります。 Aspelmeyer の実験では、粒子は平均 70% の時間で基底状態にありました。
Aspelmeyer と Novotny は最新の実験で、自由粒子の量子挙動に影響を与える光トラップを取り除くことに成功し、捕われの身ではなく、いわば「野生で」粒子を観察できるようになりました。 .研究者は、レーザー光を使用して粒子の位置を絶えず測定し、電場を適用して粒子を微調整し、指定された場所にとどまらせます。これは、トラップではなく穏やかな誘導によって行われます。この「アクティブ フィードバック」アプローチは、粒子の熱ジグリングを抑制し、極低温に冷却します。
Aspelmeyer のグループによると、粒子の位置の広がりはゼロ点運動のわずか 1.3 倍であり、これは絶対零度よりわずか数百万分の 1 ケルビン高い温度に相当します。 Novotny と同僚は、同様の設定で同等の冷却を得ました。
次のステップは重ね合わせです。そのためには、研究者は 3 つの主要な環境の影響を制御する必要があります。まず、アクティブ フィードバック ポテンシャルのノイズを排除する必要があります。次に、粒子が衝突するものがほとんどないように、非常に高い真空 (約 10 ミリバールの圧力) を使用する必要があります。最後に、粒子が光子を放射するのを止める必要があります — 暖かい物体がそうであるように。粒子は超低温のように非常に密に局在していますが、周囲で飛び交う光子を十分に吸収して 1,000 ケルビン程度の内部温度になり、ホット ポーカーのように放射します。その放射線によって引き起こされるデコヒーレンスを抑えるのは難しいだろう、とロメロ・アイサートは言った.
粒子からの放射を抑制する必要性は、微妙ではあるが重大な問題を物語っています。環境からの乱れが入ってバランスを崩すため、量子重ね合わせは破壊されません。むしろ、物体の位置に関する情報が測定可能な環境に漏れたときに破壊されます — 量子二重スリット実験における干渉が粒子の経路を測定することによって破壊されるのと同じです.
たとえば、ガス分子が跳ね返った場合、原理的には、分子の軌道を見ることで粒子がどこにあるかを知ることができます。または、光子を放射する場合は、夜にポーチのライトから玄関のドアを見つけることができるのと同じように、それがどこにあるかを確認できます.しかし、玄関ドアの場合、光はその場所を明らかにするだけです。量子オブジェクトの場合、放射光がそれを作成します。
環境との相互作用に対する重ね合わせのこの敏感さは、実験を困難にしますが、それはまた有用です.たとえば、このようなシステムを使用して、量子オブジェクトがデコヒーレンスによって量子性を失い、古典的に 1 か所に固定される仕組みを研究できます。 「大きな重ね合わせは非常に壊れやすく、デコヒーレンスに敏感です」とロメロ・アイサートは言いましたが、「デコヒーレンスは私たちが完全に理解していないものです」.したがって、この実験は、それがどのように起こるかについての理論をテストすることができます.
研究者は、量子がどのように古典になるかについての 1 つのアイデアを調べることに特に熱心です。このスイッチは長い間「波動関数の崩壊」として説明されてきました。たとえば、2 つの可能な状態の重ね合わせは、測定するとそのうちの 1 つだけに崩壊します。この崩壊は、1930 年代にハンガリーの数学物理学者ジョン フォン ノイマンによって、波動関数にエンコードされた確率から実際の測定値が生成する明確な値を得るアドホックな方法として最初に提案されました。これは、理論自体から何の正当性もない手先の早業でした:理論を実際に目にするものと調和させるための数学的便宜です。
デコヒーレンスと測定装置との相互作用に関するアイデアは、フォン・ノイマンの突然の崩壊という神秘的な概念に取って代わりました。しかし、一部の研究者は、崩壊は量子の可能性から古典的な明確性を生み出す実際の物理的プロセスであると提案しています。 「崩壊モデルは、大きな質量と大きな重ね合わせがある場合の [標準] 量子力学の崩壊を予測します」と Romero-Isart は述べています。 「量子力学はその分野ではテストされていません。」
彼と Q-Xtreme の彼の同僚は、物理的な崩壊モデルをテストしたいと考えています。これは、大きな重ね合わせが予想よりも短命になることを予測しています。特に、重力が問題となるサイズ スケールで量子力学に何が起こるかを調査したいと考えています。
現時点では、量子力学は現代の重力理論、つまりアルバート アインシュタインの一般相対性理論と相容れないようです。量子世界は離散的で粒状ですが、相対論は時空を滑らかで連続的なものとして説明します。通常、この不一致は無視できます。なぜなら、量子力学は非常に小さいものを記述し、一般相対性理論は大きくて重い物体を記述するからです。
しかし、英国の数理物理学者ロジャー・ペンローズは、量子論が一般相対性理論と衝突する中間スケールでは、後者が勝利し、量子効果を破壊することを示唆しています。一般相対性理論では、大きな重力場を持つ物体は時空をゆがめます。しかし、位置の重ね合わせにあるオブジェクトは、2 つの重ね合わせた時空を生成します。これは、一般相対性理論が許可しない状況です。したがって、ペンローズは、重力が代替案の選択を強制すると考えています.
Aspelmeyer は、Q-Xtreme が最終的にこのような理論をテストできるようになるはずだと考えています。 「私たちが計画した実験の規模では、既存のすべての崩壊モデルは除外されるか、それらを無意味にするパラメーター体制に制約されるでしょう」と彼は言いました.
重力が作用するのに十分な大きさの質量の重ね合わせは、重力自体の量子的側面を調べることができます。これを行うための 1 つのアイデアは、重力相互作用を使用して質量をもつれさせることです。 2017 年、ユニバーシティ カレッジ ロンドンの物理学者 Sougato Bose とオックスフォード大学の Vlatko Vedral と Chiara Marletto は、まさにそれを可能にする実験を独自に提案しました。このような実験は「非常にエキサイティングですが、非常に困難です」と、ロメロ イサート氏は述べています。
何を期待するかは誰にもわかりません。トロント大学の量子物理学者である Aephraim Steinberg は、次のように述べています。私たちを導くための実験しかありません。何か新しいものを発見する可能性に心を開いておくことは理にかなっています。」
Vedral は、重力 (少なくとも超強力ではない場合) は、他の既知の力と同様に、標準的な場の量子論を使用して実際に記述できることがわかると予想しています。しかし彼は、「ひそかに私はそれが失敗することを望んでいます。なぜなら、理論家として何か異常なことが起こることを望んでいるからです.」
大規模な量子重ね合わせを試みることは、ウィンウィンの状況であるとボーズ氏は述べています。物理的な崩壊がそれらを禁止することがわかった場合、それは量子力学の基本的な性質に関する大きな発見になるでしょう.しかし、多くの人が疑うように、物理的な崩壊が起こらず、量子の世界が大きくなり続けることができれば、デコヒーレンスの発生源に非常に敏感な大きな重ね合わせは、非常に繊細なセンサーとして機能する可能性があります。たとえば、カナダの物理学者 Jess Riedel と Itay Yavin は、重力効果に敏感な量子システムが暗黒物質粒子を探す方法を提供するかもしれないと提案しました。一方、Bose は、重力波のベンチトップ検出器などのシステムを使用することに関心を持っていますが、これまでのところ、数キロメートルの巨大な検出器の助けを借りてしか見られませんでした。
言い換えれば、重力が問題となるサイズまで量子スケールを拡大すると、量子力学、重力、宇宙の隠された側面について新しいことがわかるかもしれません。このプロジェクトは技術的能力を限界まで押し上げますが、見返りは莫大なものになる可能性があります。また、大規模な重ね合わせやエンタングルメントなどの量子現象の作成に対する現在の関心の復活は偶然の出来事ではないと Arndt 氏は述べています。または数百万の絡み合った量子ビットですらあります。 「量子技術は、今後数年間で数十億ドルの投資を受けるでしょう」と彼は言いました。
