Schrödinger の子猫はこれまでになくかわいらしく、最新の子猫も例外ではありません。極低温の原子のぼんやりとした雲やシリコンの微細なストリップの画像がインターネット上で口コミで広まる可能性は低い.それでもなお、これらの風変わりな物体は注意を払う価値があります。なぜなら、量子力学が極小の物理学だけではないことを前例のないほど明確に示しているからです。
「シュレディンガーの子猫」とは、大まかに言えば、量子力学が最初に説明するために開発された原子スケールと、アーウィン・シュレディンガーがその理論が意味するように見えるものの明らかな不条理を強調するために引き合いに出したことで有名な猫の中間のサイズのオブジェクトです。これらのシステムは「メゾスコピック」であり、おそらくウイルスやバクテリアのサイズであり、数千または数十億の原子で構成されているため、直感に反する量子力学的特性が通常現れる典型的なスケールよりもはるかに大きい.これらは、量子特性を維持しながらどれだけ大きくできるか?
最新の結果から判断すると、答えは次のとおりです。 2 つの異なるタイプの実験 (どちらもいくつかのグループによって独立して実施された) は、膨大な数の原子が集合的な量子状態に置かれる可能性があることを示しています。一連の実験では、これは、冷たい原子の雲の 2 つの領域を「もつれ」させて、それらの特性を相互に依存させ、それらの空間的な分離を無視しているように見える方法で相関させることを意味していました。もう1つは、微視的な振動物体が、いわゆる振動状態の重ね合わせに操作されました。両方の結果は、シュレーディンガーの悪名高い猫が箱の中に隠されている間、生きている状態と死んでいる状態の重ね合わせにあると言われている方法に大まかに似ています.
20 世紀初頭に量子論が最初に開発されて以来、量子力学の規則が古典力学の明らかにまったく異なる規則 (オブジェクトが明確に定義されたプロパティ、位置、パスを持つ場合) にどのように変化するかという問題は、科学者を困惑させてきました。大きな古典的なオブジェクトと小さな量子オブジェクトの間に根本的な違いはありますか?いわゆる量子古典遷移の難問は、シュレディンガーの思考実験によって象徴的な形で強調されました。
かわいそうな猫は、よく誤解されている動物です。シュレーディンガーの指摘は、しばしば暗示されるように、日常のスケールまで外挿された場合の量子力学の明らかな不条理ではありませんでした。この猫は、デンマークの物理学者ニールス ボーアと彼の同僚によって支持された量子力学の解釈をアインシュタインが批判した後、シュレーディンガーとアルバート アインシュタインの間の書簡の産物でした。
ボーアは、量子力学によって、電子のような量子物体の特性は、測定するまで明確な値を持たないと結論付けざるを得ないように思われると主張した.アインシュタインにとって、現実の一部の要素が、それを実現するための私たちの意識的な介入に依存しているというのは、おかしなことのように思えました。 2 人の若い同僚、ボリス ポドルスキーとネイサン ローゼンと共に、彼は 1935 年にその解釈を不可能にするように見える思考実験を提示しました。彼らのうちの 3 人 (彼らの仕事は現在 EPR という総称で呼ばれています) は、粒子は互いに相関しなければならない状態で作成される可能性があることに注目しました。他の特定の値を持っています。スピンと呼ばれる性質を持つ 2 つの電子の場合、一方のスピンが「上」を指し、もう一方の電子のスピンが「下」を指す場合があります。
その場合、アインシュタインと彼の同僚によると、ボーアが正しく、測定するまでスピンの実際の方向が決定されない場合、2 つのスピンの相関関係は、それらの一方を測定すると、もう一方の方向が即座に修正されることを意味します —粒子がどれだけ離れていても。アインシュタインは、この明らかなつながりを「遠く離れた不気味な行動」と呼んだ。しかし、アインシュタインの特殊相対性理論は、影響が光よりも速く伝播できないことを示しているため、そのような現象は不可能なはずです.
シュレーディンガーは、粒子間のこの相関関係を「エンタングルメント」と呼びました。 1970 年代以降の実験により、これが実際の量子現象であることが示されました。しかし、これは、アインシュタインの不気味な行動を通じて、量子粒子が何らかの形で空間を越えて即座に互いに影響を与えることができるという意味ではありません.単一の粒子の量子特性は、空間のある固定された場所で必ずしも決定されるわけではなく、「非局所的」である可能性があると言ったほうがよいでしょう。完全に指定されているのは、別の場所にある別の粒子との関係においてのみであり、空間に関する私たちの直感的な概念を損なうように思われます。
シュレーディンガーの猫は、EPR のもつれの特異性についての彼の思索から生まれました。シュレーディンガーは、測定されるまで何も固定されないというボーアの概念が、もつれを日常的なサイズにまで膨らませることを想像した場合、論理的な不条理につながる可能性があることを示したかったのです。彼の思考実験では、不幸な猫を致死毒のバイアルが入った閉じた箱に入れます。この箱は、それを量子粒子またはイベントにリンクする (実際にはもつれさせる) 何らかのメカニズムによって壊すことができます。トリガーは電子から来る可能性があり、上向きのスピンがある場合はバイアルを壊しますが、下向きのスピンの場合はそうではありません.次に、いわゆる状態の重ね合わせで電子を準備できます。この場合、上向きのスピンと下向きのスピンの両方が測定の結果となる可能性があります。しかし、測定前にスピンが決定されていない場合は、猫の状態も決定されているに違いありません。生きているか死んでいるかを意味のあるものにする方法はありません.そして、それは確かに無意味です。
Schrödinger の主張は、量子規則が日常的な規模で適用されると明らかにナンセンスになるということだけではありません。そのためには猫は必要ありません。むしろ、彼は、（箱を開けて見ることによって）測定が行われるまで特定の状態（生きているか死んでいるか）の割り当てを延期することが、奇妙であるだけでなく論理的に禁止されているように見える意味につながる可能性があることの極端なデモンストレーションを見つけたかった. /P>
ボーアにとって、これは無効なシナリオのように思われたでしょう。箱を開けて猫を見るなどの測定は、彼にとって常に巨視的であり、したがって古典的なプロセスであったため、量子ルールはもはや適用されません.しかし、では、量子から古典への魔法のような変換をどのように測定によって保証するのでしょうか?
それについて議論する代わりに、実験をしてみませんか?問題は、シュレディンガーが猫の「量子」を何らかの原子スケールの事象と結びつけて想像することはまったく問題なかったのですが、実際にそのスケールアップをどのように行うことができるか、または実際にできるかどうかがまったく明らかではないことです.あるいは実際、生と死の重ね合わせが量子状態に関して何を意味するのか.
しかし、最新の技術を使えば、比較的大きな物体 (猫ほどではなく、孤立した原子よりもはるかに大きい) の明確に定義された量子重ね合わせを作成し、それらの特性を調べることが想像できます。これこそが、シュレーディンガーの子猫を作る努力のすべてです。
オランダのデルフト工科大学の Simon Gröblacher は、次のように述べています。 「しかし、約 10 個の原子で量子状態を作り始めるとどうなるかは、まったくわかっていません」。これは日常的なオブジェクトの典型的なスケールです。
新しい実験は、シュレディンガーの考えに反して、比較的大きな物体が実際に直観に反する量子挙動を示す可能性があることを示しています.
Gröblacher と彼の同僚は、それぞれ長さ 10 マイクロメートル、断面が 1 x 0.25 マイクロメートルのシリコンのマイクロビームを作成しました。それぞれに、赤外線レーザー光を吸収して閉じ込めるビームに沿った穴がありました。次に、研究者は、各ビームに 1 つずつ経路を重ね合わせて送信された光でこれらのビームを励起しました。そうすることで、彼らは2つのビームを絡ませて単一の量子振動状態にすることができました。絡み合った 2 匹の猫に相当する非常に小さなものと考えることができます。
Nature の Gröblacher のチームとの連続した論文で、機械振動子間の別の種類の絡み合いが報告されました。 、フィンランドのアールト大学の Mika Sillanpää と同僚による。彼らは、超電導線を介して2枚のドラムヘッドのような極小の金属板を結合しました。ワイヤには、マイクロ波周波数 (毎秒約 50 億回の振動) で振動する電流が含まれている可能性があります。その電磁界が振動板に圧力をかけます。 「電磁場は、2 つのドラムヘッドをもつれた量子状態に強制する一種の媒体として機能します」と Sillanpää 氏は述べています。
研究者たちは長い間、数十億個の原子を含むこのような「大きな」マイクロメカニカル振動子で、重ね合わせやもつれなどの量子効果を実現しようとしてきました。 「機械振動子のエンタングル状態は、1970 年代後半から理論的に議論されてきましたが、そのような状態を作り出すことが技術的に可能になったのはここ数年だけです」と Sillanpää 氏は述べています。
これらの実験がこれほどまでに力強いものになっているのは、通常、大きな物体を量子規則によって支配されているものから古典物理学に従うものに変換するプロセスを回避しているからです。このプロセスは、測定のパズルの欠落部分 (少なくとも、そのほとんど) を提供するように思われますが、ボーアはそれを狂ったようにあいまいにしました。
それはデコヒーレンスと呼ばれます。量子力学によれば、エンタングルメントは 2 つの量子オブジェクト間の相互作用の必然的な結果です。したがって、オブジェクト (たとえば、猫) が状態の重ね合わせで始まる場合、その重ね合わせ (つまり、その量子性と言うかもしれません) は、オブジェクトがその環境と相互作用し、ますます絡み合うようになるにつれて広がります。しかし、重ね合わせを実際に観察したい場合は、絡み合ったすべての粒子の量子挙動を推測する必要があります。これは急速に不可能になります。これは、インクの塊が水泳プールに分散するときに、インクの塊のすべての原子を追跡することが不可能になるのとほぼ同じです。環境との相互作用により、元の粒子の量子的性質が漏れ出して分散します。それがデコヒーレンスです。
量子論者は、デコヒーレンスが古典物理学で見られるような振る舞いを引き起こすことを示しました。そして、実験者は、デコヒーレンスの速度を制御できる実験でそれを証明しました。そこでは、デコヒーレンスが進むにつれて、粒子の波状干渉などの特徴的な量子効果が徐々に消失します。
したがって、デコヒーレンスは、量子古典遷移の現在の理解の中心となっています。干渉、重ね合わせ、絡み合いによって引き起こされる相関などの量子的挙動を示すオブジェクトの能力は、その大きさとは何の関係もありません。代わりに、環境との絡み合いに依存します。
それにもかかわらず、サイズは一般的に役割を果たします。なぜなら、オブジェクトが大きければ大きいほど、その環境と絡みやすくなり、デコヒーアになりやすくなるからです。猫のような大きくて暖かくて落ち着きのない物体は、いかなる種類の量子力学的な重ね合わせにもとどまる見込みがなく、多かれ少なかれ即座に分離します。
猫を箱に閉じ込めて、その運命を何らかの量子イベントの結果に結び付けるだけでは、デコヒーレンスによって猫がほぼ即座にいずれかの状態に強制されるため、猫を生死の重ね合わせにすることはほとんどありません。 .環境とのすべての相互作用を取り除くことでデコヒーレンスを抑制できる場合 (超低温の真空中で猫を殺さずに!) — まあ、それは別の話であり、議論は続きます.猫のためにそれを達成する方法を想像することはほとんど不可能です.しかし、本質的には、Gröblacher と Sillanpää のチームが小さな振動子で達成したことです。
量子と古典の境界に向かってトップダウンで作業するのではなく、十分に小さいときに振動するオブジェクトに量子性を呼び起こすことができるかどうかを確認するのではなく、ボトムアップから到達することができます。重ね合わせや干渉などの量子効果は、個々の原子や小さな分子でさえも容易に見られることがわかっているため、原子を追加し続けても、これらの効果がどこまで維持されるのか疑問に思うかもしれません。現在、3 つのチームがこの問題を調査しており、ボーズ アインシュタイン凝縮 (BEC) と呼ばれる状態でそれらをもつれさせることにより、最大数万個の超低温原子の雲の量子状態を達成しています。
アインシュタインとインドの物理学者サティエンドラ・ナス・ボーズは、基本粒子の 2 つの一般的なクラスの 1 つであるボソン (ボーズにちなんで名付けられた) の間にそのような状態が存在する可能性があることを指摘しました。 BEC では、すべての粒子が同じ単一量子状態にあります。これは、実質的に 1 つの大きな量子オブジェクトのように振る舞うことを意味します。これは量子効果であるため、ボーズ アインシュタイン凝縮は非常に低い温度でのみ発生し、BEC は 1995 年に最も純粋な形 (ボソン粒子の雲) でのみ見られました。絶対零度以上。
このような超低温原子から作られた BEC は、物理学者に量子現象を調査するための新しい媒体を提供しました。過去に、研究者は、そのような雲 (おそらく数千個の原子) が、すべての原子が量子的に絡み合った状態に置かれることを示しました.
ドイツのライプニッツ大学ハノーファーのカーステン・クレンプト氏によると、これらは厳密にはシュレディンガーの子猫ではありません。それらは一般に、可能な限り異なる状態の重ね合わせとして定義されます。たとえば、すべて上向きのスピンとすべての下向きのスピンがあります (「生きている」と「死んでいる」に類似しています)。これらの絡み合った原子の雲には当てはまりません。それにもかかわらず、それらは依然として比較的大規模な量子挙動を示しています。
ただし、それらが EPR スタイルのもつれの「子猫スケール」の実施形態であるという考えには、より重要な但し書きがあります。原子はすべて空間でごちゃ混ぜになっており、同一で区別がつかない.これは、たとえそれらが絡み合っていたとしても、1 つのオブジェクトのプロパティ間の相関という観点から見ることができないことを意味します ここ あそこ . 「超低温原子のボース・アインシュタイン凝縮体は、区別できない原子の大規模な集合体で構成されており、物理的に観測可能なものでは文字通り等しい」とクレンプト氏は語った。 「したがって、エンタングルメントの本来の定義 [EPR 思考実験で描写されている] は、それらの中で実現することはできません。」実際、見分けがつかない粒子間の絡み合いの概念全体は、理論的に論争されています。ドイツのハイデルベルク大学の Philipp Kunkel 氏は、「絡み合いの概念には、互いに絡み合っている [別個の] サブシステムを定義する可能性が必要だからです」と述べています。
EPR 思考実験における空間的に分離された粒子のもつれに直接類似する、はるかに明確な種類のもつれが、ハノーバーの Klempt のチーム、ハイデルベルクの Kunkel のグループ (Markus Oberthaler が率いる)、およびスイスのバーゼル大学の Philipp Treutlein が率いるチーム。 「古典物理学との矛盾は、そのような空間的に分離されたシステム間にエンタングルメントが観察される場合に特に顕著です」と Treutlein 氏は述べています。 「これが 1935 年の EPR 論文が考慮している状況です。」
3つのグループはすべて、電磁トラップ場に保持された数百から数千のルビジウム原子の雲を使用しました（「原子チップ」上の顕微鏡デバイスによって生成されるか、交差したレーザービームによって生成されます）。研究チームは、赤外線レーザーを使用して原子のスピンの量子遷移を励起し、エンタングルメントの明らかな兆候であるスピン値間の相関関係を探しました。ハイデルベルクとバーゼルのグループは、1 つの大きな雲の 2 つの異なる領域に取り組んでいましたが、Klempt のグループは、中間に空白の領域を挿入することで実際に雲を分割しました。
バーゼルとハイデルベルグのグループは、量子ステアリングと呼ばれる効果を介してエンタングルメントを実証しました。この効果では、2 つのエンタングル領域の明らかな相互依存性が利用され、研究者が一方の測定値を予測できるようになります。 「『ステアリング』という用語は、シュレディンガーによって導入されました」とトロイトレーインは説明しました。 「それは、領域Aでの測定結果に応じて、システムBを記述するために使用する量子状態が変化するという事実を指します。」しかし、これは、A と B の間で瞬間的な情報転送や通信が行われていることを意味するものではありません。 「原因となる影響はありません。」
これらの結果は「非常にエキサイティングです」と、この研究には関与していないベルリン自由大学の Jens Eisert 氏は述べています。 「原子蒸気のエンタングルメントはずっと前に生成されていました。しかし、ここで異なるのは、これらのシステムにおけるアドレス指定可能性と制御のレベルです。」
エンタングルメントが空間的に分離された領域間に存在する場合のエンタングルメントのより明確なデモンストレーションとは別に、この方法で物事を行うことには実用的な利点もあります。量子情報処理のために個別の領域に個別に対処できます。 「原則として、すべての原子が同じ場所にある場合、他のすべての原子に影響を与えることなく、BEC 内の個々の原子に対処することは不可能です」と Treutlein 氏は述べています。 「しかし、空間的に分離された 2 つの領域を個別に扱うことができれば、量子テレポーテーションやもつれスワッピングなどの量子情報タスクにもつれを利用できるようになります。」ただし、それには、現在の実験で行われたものを超えて、雲の物理的な分離を増やす必要があると彼は付け加えた. Klempt 氏によると、理想的には、クラウドを個別にアドレス指定可能な原子にさらに分割することです。
このような「大きな」量子オブジェクトは、新しい物理学を調べることも可能にするかもしれません。たとえば、重力が量子の振る舞いに大きな影響を与え始めるとどうなるかを調べることができます。 「大きなもつれ状態を制御および操作するこの新しい方法により、重力理論における量子効果の高度なテストの余地が生まれる可能性があります」と Eisert 氏は述べています。たとえば、重力効果が量子状態の古典的な状態への物理的崩壊を誘発する可能性があることが提案されています。 Treutlein は、物理的崩壊モデルをテストする 1 つの方法は、別個の原子「物質波」間の干渉を含むと述べ、彼のグループの分割され、絡み合った BEC は、そのような原子干渉計として機能できると付け加えた。システムのサイズが大きくなるにつれて、「ほとんどの物理学者はおそらく、量子物理学が突然崩壊するとは予想していないでしょう」と Klempt 氏は述べています。しかし、クンケル氏は、「互いに絡み合う物体のサイズに根本的な制限があるかどうかは、実験的にも理論的にも未解決の問題です」と付け加えました。
「最も興味深い問題は、ある意味でもつれを作ることができない基本的なサイズがあるかどうかです」と Sillanpää 氏は述べています。 「これは、通常の量子力学に加えて、何か別のものが視野に入ることを意味します。これは、たとえば、重力による崩壊である可能性があります。」重力が実際に役割を果たしている場合、量子力学と一般相対性理論の現在互換性のない理論を統合する量子重力の理論を開発する方法について、いくつかのヒントが得られる可能性があります。
それは、シュレディンガーの子猫にとってはかなりの好例です。今のところ、彼らは、量子の振る舞いに特別なことは何もないという一般的な信念を強化しています.その過程で猫を殺す必要はありません。
