宇宙には、通常は当然のことと見なすことができる特定のルールがあります。オブジェクトは、特定の時間、特定の場所に存在します。エントロピー（無秩序）は常に増加します。因果関係は王様です — 過去の完全な知識があれば、未来の完全な知識を持つことができます.
しかし、より小さな物質を調査するにつれて、これらのルールの信頼性が低下し始めます。分子または亜原子レベル付近では、特定の古典的な仮定が機能しなくなり、観測された現実を理解するために新しいルールを使用する必要があります。これらのスケールでの粒子の挙動を支配すると思われる独特の素粒子現象は、量子力学または量子物理学と呼ばれます。
ただし、量子力学の基礎を理解することは、現代の物理学と宇宙論を理解する上で不可欠であると考えられます。また、量子コンピューティングなどのトピックを理解することは、コンピューター サイエンスにおける次の大きな飛躍の基礎となる可能性があります。
量子力学の主要概念
簡単に言えば、量子力学は非常に小さなことの研究です。より具体的には、原子および亜原子粒子のスケールで物質とエネルギーがどのように相互作用するかについての研究です。
これらの相互作用は、多くの点で奇妙であるため、古典力学 (おそらく高校や大学で学んだ物理学) とは別に検討する価値があります。彼らは、物質がエネルギーやその他の物質と典型的な現実世界のスケールでどのように相互作用するかについての十分な知識があれば、あなたが期待するような振る舞いをしません.
量子力学はさまざまな点で古典力学とは異なりますが、いくつかの主要な結論を使用してこれらの違いをまとめることができます。
不確実性
古典力学では、物体がどこにあるかを正確に知ることができ、その動きを記述することもできます。オブジェクトのすべての物理的特性は、同時に同じ確実性で記述できます。しかし、量子力学では、物事は別の方法で機能します。
その代わり、粒子の位置と動きの両方を正確に知ることはできません。オブジェクトの運動量を正確に知れば知るほど、その位置を正確に知ることはできなくなります — 逆もまた同様です。
量子化
古典力学では、特定の特性は勾配のようなものです。ある値と別の値の間には、機能する値のグラデーションがあります。一方、量子オブジェクトには、特定の値のみを持つことができる特性があります。
これらの特性が変化すると、ある値から別の値に徐々に移行するのではなく、個別の値の間でスナップする可能性があります。
光の波動粒子二重性
量子論によると、中性子、電子、陽子と呼ばれる小さな粒子で構成される物質と、光子と呼ばれる粒子で構成される光は、波のような性質を持っています。
古典物理学では、物質は粒子でできており、粒子のように振る舞います。しかし、光は波のように振る舞います。量子物理学では、物質の粒子は十分に小さいスケールで波のように振る舞うことができます。光は、特定の状況下では粒子のように振る舞うこともあります。
局所性と非局所性
古典力学とは異なり、量子スケールのオブジェクトは、非局所性、つまり効果的に空間を超越する能力を示すことができます。
たとえば、量子エンタングルメントは一種の量子非局所性です。量子レベルでもつれている粒子は、永久に相関しています。粒子が遠く離れていても、その物理的特性を個別に説明することはできません。一方に起こることは、他方にも直接影響します。この変化は非常に速く発生し、おそらく毎秒 3 兆メートルより速く、瞬時に発生する可能性があります。
これらの大きなカテゴリに精通していると、量子力学が通常の日常の物理学と比較して非常に珍しいように見える理由と、実際に量子力学を説明したり操作したりするのが難しい理由を理解するのに役立ちます.
実際の量子力学:二重スリット実験
量子力学の奇妙さの古典的でよく議論されている例の 1 つは、二重スリット実験です。これは、光が波のように振る舞うのか粒子のように振る舞うかを理解しようとする試みです。
実験の最も単純なバージョンでは、研究者は、粒子がどこに着陸するかを記録できるある種の検出器に光のビームを発射します。光ビームと検出器の間には、2 つのスリットを備えたバリアがあります。光はバリア素材を通過できません — 検出器に到達するには、2 つのスリットのいずれかを通過する必要があります。
結果として得られるパターンは、明るい部分と暗い部分が交互に並ぶ帯です。これは、水の波で実験を行った場合に見られるような干渉パターンです。
しかし、光は光子と呼ばれる個々の粒子で構成されていることがわかっています。これらの光子を一度に 1 つずつ発射することは可能ですが、各光子の間に十分なリード タイムがあり、連続する粒子が互いに干渉しないようにすることができます。
このように実験を実行すると、同じ干渉パターンが現れます。これは、これらの個々の粒子がまだ波として機能しており、何らかの形で複数の可能な経路を取り、それら自体に干渉していることを示唆しています。
今回は両方のスリットで別の検出器を使用して実験を再度実行すると、各光子がどのスリットを通過するかを判断できます。または、理論的には、これらの光子が両方のスリットを同時に通過することを観察できます。
ただし、このバリエーションの実験から得られたパターンは波のパターンではありません — 代わりに、粒子から期待される二重バンド パターンが表示されます。
観測されていないとき、光はほとんど波のように振る舞います。観測されると、個々の光子は同時に複数の場所に存在することをやめ、代わりに粒子のように振る舞います。
科学者は、「波動関数」という言葉を使用して、複数の状態で存在する量子システムを説明します。観察という行為は、光子の波動関数がこれらの状態の 1 つだけを採用するように強制します。この重ね合わせの喪失を引き起こすことを「波動関数の崩壊」と呼びます。
量子力学の応用
ほとんどの場合、量子力学は最先端の科学のままであり、アプリケーションは新しい研究よりもはるかに遅れることがあります.ただし、今後数十年にわたって製造やコンピューター サイエンスなどの分野を大幅に再形成する可能性がある、量子力学のいくつかの主要な潜在的なアプリケーションが既に存在します。
最も重要なものの 1 つは、おそらく量子コンピューターです。これらのコンピューターは、量子の不確実性と高度なデータ科学を使用して、データを保存する新しい方法を作成します。
従来のコンピューターが使用するすべての情報はビット単位で保存されます。これらのビットは、オフまたはオンの 2 つの位置のいずれかにあり、通常は 0 または 1 で表されます。
量子コンピューターは、量子ビットまたはキュービットを使用します。これらのビットは、標準位置 (オンまたはオフ) と重ね合わせの両方に配置できます。重ね合わせのビットは、観測されるまで複数の状態にあります。
潜在的な状態のこの追加のカテゴリにより、量子コンピューターは、従来のコンピューターが苦労する可能性のある問題 (たとえば、量子システムのモデリングなど) を解決するのに非常に優れています。
実際には、これにより、コンピューター ハードウェアの開発者は、同じ量のストレージ スペースと処理能力を大幅に増やすことができ、特定の問題の処理速度を指数関数的に向上させることができます。
量子コンピューターのユニークな性質は、他の実用的な利点も提供します。たとえば、Google は最近、ある量子コンピューターを使用してタイム クリスタルを作成しました。タイム クリスタルは、エネルギーを消費せずに定期的に状態を変化させるエキゾチックな物質です。
量子コンピューティングが、従来のコンピューターでは解決できない課題に対処できるほど高度になることに、どれだけ近づいているかは明らかではありません。
IBM や Google など、量子コンピューティング技術に投資している企業の研究者は、量子コンピューターがコンピューター サイエンス全体に革命を起こすまであと数年かかるかもしれないと考えています。他の人は、既存の課題がこの種の量子コンピューティングをほとんど不可能にする可能性があると考えています.
いずれにせよ、量子コンピューティングの実用性について、すぐに多くのことが明らかになるでしょう。
量子力学の知識が科学を再形成する可能性
量子領域に対する理解が深まるにつれて、宇宙に関する基本的な疑問に答え、以前は処理が困難または不可能だった問題を解決できるようになる可能性があります。
量子コンピューターは、この研究がどのように世界を変えるかを示す一例です。量子暗号や量子顕微鏡など、他のアプリケーションでも同様の利点が得られる可能性があります。
