量子力学が成功した理論であることに異論はありません。世界の性質を顕微鏡レベルで驚くほど正確に予測します。 1 世紀近くにわたって争われてきたのは、何が存在し、何が現実であるかについて、まさにそれが私たちに伝えていることです。この問題について独自の解釈を提供する無数の解釈があり、それぞれが、現実の性質について、まだ検証されていない特定の主張 (したがって仮定) を受け入れる必要があります。
現在、新しい思考実験がこれらの仮定に正面から向き合い、量子物理学の基盤を揺るがしています。実験は明らかに奇妙です。たとえば、観測されたばかりのイベントの記憶を消去できる測定を行う必要があります。これは人間には不可能ですが、量子コンピューターを使用してこの奇妙な実験を実行し、量子物理学の異なる解釈を区別する可能性があります.
カリフォルニア州オレンジにあるチャップマン大学の量子物理学者であるマシュー・ライファーは、次のように述べています。 「[これは] 量子基盤で私たちが考える奇妙なことの規範に追加される思考実験です。」
スイス連邦工科大学チューリッヒ校のダニエラ・フラウヒガーとレナート・レナーが考案したこの実験には、一見完全に合理的に見える一連の仮定が含まれています。しかし、この実験は矛盾につながり、仮説の少なくとも 1 つが間違っていることを示唆しています。どの仮定を放棄するかの選択は、量子世界の理解に影響を与え、量子力学が普遍的な理論ではない可能性を示しているため、人間などの複雑なシステムには適用できません。
量子物理学者は、量子現象を説明するために使用される方程式の正しい解釈に関して、意見が分かれていることで有名です。しかし、新しい思考実験では、量子世界の見方が無傷で得られることはありません。それぞれが、1 つまたは別の仮定に反します。議論の余地のない現実の説明を求めて、まったく新しい何かが私たちを待ち受けているでしょうか?
量子論は、光子、電子、原子、分子、さらには高分子のスケールで非常にうまく機能します。しかし、それは高分子よりもはるかに大きなシステムに適用できますか? 「量子力学がより大きなスケールに適用されるという事実は実験的に確立されておらず、より大きなスケールとは、ウイルスや小さな細胞のサイズを意味します」とRenner氏は述べています. 「特に、それが人間ほどの大きさの物体に及ぶかどうか、さらにはブラック ホールの大きさの物体に及ぶかどうかはわかりません。」
この経験的証拠の欠如にもかかわらず、物理学者は、量子力学を使用してあらゆるスケールのシステムを記述できると考えています。つまり、量子力学は普遍的です。この主張を検証するために、Frauchiger と Renner は、物理学者 Eugene Wigner が 1960 年代に最初に思いついたものの拡張である思考実験を思いつきました。新しい実験は、量子の世界では、2 人の人間がコイントスの結果など、一見反論の余地のない結果について意見を異にする可能性があることを示しています。これは、量子の現実についての仮定に何か問題があることを示唆しています。
標準的な量子力学では、素粒子などの量子系は、波動関数と呼ばれる数学的抽象化によって表されます。物理学者は、粒子の波動関数が時間とともにどのように変化するかを計算します。
しかし、波動関数では、位置などの粒子のプロパティの正確な値は得られません。粒子がどこにあるかを知りたい場合、空間と時間の任意の点での波動関数の値は、その点で粒子を見つける確率を計算することしかできません。見る前に、波動関数は広がっており、粒子が異なる場所にある場合に異なる確率を与えます。この粒子は、一度に多くの場所に存在する量子重ね合わせにあると言われています。
より一般的には、量子システムは状態の重ね合わせにある可能性があり、「状態」は粒子のスピンなどの他の特性を指す場合があります。 Frauchiger-Renner の思考実験の多くは、状態の重ね合わせで終わる複雑な量子オブジェクト (おそらく人間でさえも) の操作を伴います。
この実験には、アリス、アリスの友人、ボブ、ボブの友人の 4 人のエージェントがいます。アリスの友人は研究室で量子システムの測定を行っており、アリスは外で研究室と友人の両方を監視しています。ボブの友人も同様に別の研究室にいて、ボブは友人と研究室を観察し、両方を 1 つのシステムとして扱っています。
最初の実験室で、アリスの友人は、3 分の 1 の確率で表が出て、3 分の 2 の確率で裏が出るように設計された事実上のコイントスを測定します。トスが表になった場合、アリスの友人はスピンが下を向いている粒子を準備しますが、トスが裏になった場合、彼女は粒子を同じ部分のスピンアップとスピンダウンの重ね合わせで準備します.
アリスの友人は、粒子のスピンを測定するボブの友人に粒子を送ります。結果に基づいて、ボブの友人は、アリスの友人がコイントスで見たものについて主張できるようになりました。たとえば、粒子のスピンが UP であることがわかった場合、コインの裏が表れたことがわかります。
実験は続きます。アリスは友人と研究室の状態を測定し、すべてを 1 つの量子システムとして扱い、量子理論を使用して予測を行います。ボブは彼の友人と研究室で同じことをします。最初の前提は次のとおりです。エージェントは、他のエージェントを含む複雑なシステムであっても、量子力学を使用して別のシステムを分析できます。言い換えれば、量子理論は普遍的であり、宇宙のすべては、研究所全体 (およびその中の科学者) を含めて、量子力学の規則に従います。
この仮定により、アリスは友人と研究室を 1 つのシステムとして扱い、特別な種類の測定を行うことができます。これにより、内容を含む研究室全体が状態の重ね合わせになります。これは単純な測定ではなく、ここに思考実験の奇妙さがあります。
このプロセスは、水平方向と垂直方向に偏光している単一光子を考えると最もよく理解できます。偏光を測定し、垂直偏光であることがわかったとします。ここで、光子が垂直に偏光しているかどうかを確認し続けると、常に垂直偏光であることがわかります。しかし、垂直に偏光した光子を測定して、異なる方向、たとえば垂直に対して 45 度の角度で偏光しているかどうかを確認すると、50% の確率でそうであることがわかり、50% の確率でそうではありません。ここで、垂直に偏光した光子だと思っていたものをもう一度測定すると、垂直偏光ではなく、水平偏光になっている可能性があることがわかります。 45 度の測定により、光子は水平方向と垂直方向に偏光された重ね合わせ状態に戻りました。
これは単一の粒子としては非常に優れており、そのような測定値は実際の実験で十分に検証されています。しかし、思考実験では、Frauchiger と Renner は複雑なシステムで同様のことをしたいと考えています。
実験のこの段階で、アリスの友人はコインが表か裏のどちらかになるのをすでに見ています。しかし、アリスの複雑な測定により、実験室は、友人を含めて、頭部を見たことの重ね合わせに置かれますおよび 尾。この奇妙な状態を考えると、実験がアリスの友達にそれ以上何も要求しないのは良いことです.
しかし、アリスは終わっていません。彼女の複雑な測定値 (YES または NO のいずれかになる可能性がある) に基づいて、彼女はボブの友人が行った測定結果を推測できます。アリスの答えがYESだったとしましょう。彼女は、量子力学を使用して、ボブの友人が粒子のスピンが UP であることを発見したにちがいないこと、したがってアリスの友人が彼女のコイントスで尻尾を得たと推測できます。
アリスによるこの主張は、彼女の量子論の使用について別の仮定を必要とします。彼女は自分が知っていることについて推論するだけでなく、ボブの友人がどのように量子論を使用して、コイントスの結果について彼の結論に到達したかについて推論します。アリスはその結論を自分のものにします。この一貫性の仮定は、量子論を使用してさまざまなエージェントによって行われた予測が矛盾していないことを示しています。
一方、ボブは、友人と研究室で同様に複雑な測定を行い、それらを量子重ね合わせに配置することができます。答えはイエスかノーのどちらかです。ボブが「はい」と答えた場合、測定値は、アリスの友人がコイントスで表を見たに違いないと彼が結論付けられるように設計されています。
アリスとボブが測定を行い、コイントスの結果についての主張を比較できることは明らかです。しかし、これには別の仮定が含まれます:エージェントの測定値が、コイン トスが表になったと言う場合、逆の事実 (コイン トスが裏になった) が同時に真になることはあり得ません。
セットアップは今や矛盾の機が熟しています。アリスが測定で YES を得た場合、彼女はコイントスが裏であったと推測し、ボブが彼の測定で YES を得た場合、彼はコイントスで表があったと推測します。ほとんどの場合、アリスとボブは反対の答えを得るでしょう。しかし、Frauchiger と Renner は、1/12 のケースで Alice と Bob の両方が実験の同じ実行で YES を取得し、Alice の友人が表か裏かについて意見が分かれることを示しました。 「2人とも過去の出来事について話しているし、それが何であったかは確信しているが、2人の発言は正反対だ」とレナーは語った。 「そしてそれは矛盾です。これは、何かが間違っているに違いないことを示しています。」
これにより、Frauchiger と Renner は、思考実験を支える 3 つの仮定のうちの 1 つが間違っているに違いないと主張しました。
「科学はそこで止まります。 3 つのうちの 1 つが間違っていることはわかっており、どれが違反されているかについて、適切な議論をすることはできません」とレナーは言いました。 「これは現在、解釈と好みの問題です。」
幸いなことに、量子力学には豊富な解釈があり、それらのほとんどすべてが、測定時に波動関数に起こることと関係があります。粒子の位置を取ります。測定の前に、どこかで粒子を見つけるなどの確率の観点からしか話せません。測定すると、粒子は特定の位置を想定します。コペンハーゲンの解釈では、測定によって波動関数が崩壊し、崩壊する前に粒子の位置などのプロパティについて話すことはできません。一部の物理学者は、コペンハーゲン解釈を、特性は測定されるまで実在しないという議論と見なしています。
この形の「反実在論」は、今日の一部の量子物理学者にとってそうであるように、アインシュタインにとって忌み嫌われました。また、波動関数の崩壊を引き起こす測定値の概念も同様です。特に、コペンハーゲンの解釈では、正確に何が測定値を構成するかについて不明確であるためです。別の解釈や理論は、主に現実主義者の見解 (量子システムは観測者や測定値とは独立した特性を持っている) を前進させるか、測定に起因する崩壊を回避しようとするか、あるいはその両方を試みます。
たとえば、多世界解釈は波動関数の進化を額面通りに捉え、それが崩壊することを否定します。量子コイントスが表または裏のいずれかになる場合、多世界シナリオでは、両方の結果がそれぞれ別の世界で発生します。これを考えると、測定の結果は 1 つだけであり、コイン トスが表の場合、同時に裏になることはあり得ないという仮定は支持できなくなります。多世界では、コイントスの結果は表と裏の両方であるため、アリスとボブが反対の答えを得ることがあるという事実は矛盾ではありません。
「もしあなたが 2 年前に私に尋ねていたら、[私たちの実験は] 多世界が実際には良い解釈であることを示しているだけであり、あなたはあきらめるべきだと言っただろう」と認めなければならない.とレナーは言いました。
これは、arxiv.org に最初に掲載されたときに Frauchiger-Renner の論文に気付いた、オックスフォード大学の理論物理学者 David Deutsch の見解でもあります。そのバージョンの論文では、著者は多世界シナリオを支持しました。 (査読され、Nature Communications に掲載された論文の最新版 Deutsch は、この思考実験が多世界をサポートし続けると考えています。 「私の見解では、量子論の波動関数崩壊または単一宇宙バージョンを殺す可能性が高いですが、それらはすでに石のように死んでいました」と彼は言いました。 「より大きな武器で彼らを再び攻撃することが、どのような目的に役立つのかわかりません。」
しかし、レナーは考えを変えました。彼は、無効である可能性が最も高い仮定は、量子力学が普遍的に適用可能であるという考えであると考えています.
この仮定は、たとえば、名前が示すように、波動関数の自発的でランダムな崩壊を主張するが、測定とは無関係である、いわゆる自発的崩壊理論によって違反されます。これらのモデルは、粒子などの小さな量子システムがほぼ永久に状態の重ね合わせにとどまることができることを保証しますが、システムがより大規模になるにつれて、自然に崩壊して古典的な状態になる可能性がますます高くなります.測定は崩壊したシステムの状態を発見するだけです。
自発崩壊理論では、量子力学は、あるしきい値質量よりも大きい系には適用できなくなりました。これらのモデルはまだ経験的に検証されていませんが、除外されていません。
ジュネーブ大学の Nicolas Gisin は、Frauchiger-Renner の実験における矛盾を解決する方法として、自然崩壊理論を支持しています。 「彼らの難問から抜け出す私の方法は、明らかに、『いいえ、ある時点で重ね合わせの原理は成り立たなくなる』と言うことです」と彼は言いました。
量子論が普遍的に適用可能であり、測定結果が 1 つしかないという仮定を保持したい場合は、残りの仮定、つまり一貫性の仮定を手放す必要があります。量子を使用して異なるエージェントによって行われた予測理論は矛盾しません。
Frauchiger-Renner の実験のわずかに変更されたバージョンを使用して、Leifer は、コペンハーゲン スタイルの理論が真である場合、この最終的な仮定、またはその変種が成立しなければならないことを示しました。 Leifer の分析では、これらの理論は特定の属性を共有しており、それらは普遍的に適用可能であり、非現実的 (つまり、量子システムは測定前に位置などの明確に定義された特性を持たないことを意味します) であり、完全です (隠されたものがないことを意味します)。理論が捉え損ねている現実）。これらの属性を考えると、彼の研究は、すべての観察者にとって客観的に真実である、特定の測定の単一の結果は存在しないことを意味しています。したがって、探知機が研究室内のアリスの友人をクリックした場合、それは彼女にとって客観的な事実ですが、量子論を使用して研究室全体をモデル化している研究室の外にいるアリスにとってはそうではありません。測定結果は、観察者の視点に依存します。
「コペンハーゲン型の見解を維持したいのであれば、この視点のバージョンに向かうのが最善のようです」とライファーは言いました。彼は、量子ベイズ主義や QBism などの特定の解釈が、測定結果が観察者にとって主観的であるというスタンスをすでに採用していることを指摘しています。
Renner は、この仮定を完全に放棄することは、エージェントが互いの知識の状態を知るための手段として効果的であるという理論の能力を破壊するだろうと考えています。そのような理論は独我論的であるとして却下される可能性があります。したがって、主観的な事実に向かう理論は、2 つの相反する制約を満たす知識を伝達する何らかの手段を再確立する必要があります。まず、Frauchiger-Renner の実験で見られたパラドックスを引き起こさないように、十分に弱くなければなりません。それでも、独我論の告発を避けるのに十分なほど強力でなければなりません。誰もが満足するような理論を定式化した人はまだいません.
Frauchiger-Renner の実験では、一見理にかなった 3 つの仮定の間に矛盾が生じます。量子論のさまざまな解釈が仮定にどのように違反するかを説明する取り組みは、「非常に有用な演習」であると、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のロブ・スペッケンズは述べています。
「この思考実験は、量子論の解釈に関するさまざまな陣営間の意見の違いを調べるための優れたレンズです」とスペッケンズは言いました。 「作業前に人々が支持していたオプションが本当に排除されたとは思いませんが、この矛盾を回避するために、さまざまな解釈陣営が何を信じる必要があるかが正確に明らかになりました。これらの問題のいくつかに関する人々の立場を明確にするのに役立ちました。」
理論家は解釈を区別できないため、実験家は問題をさらに明らかにすることを期待して、思考実験をどのように実装するかを考えています。しかし、実験にはいくつかの奇妙な要求があるため、それは手ごわい作業になるでしょう.たとえば、アリスが友人と研究室で特別な測定を行うと、友人の脳を含むすべてが状態の重ね合わせになります。
数学的には、この複雑な測定は、最初にシステムの時間発展を逆にすることと同じです — つまり、エージェントの記憶が消去され、量子システム (エージェントが測定した粒子など) が元の状態に戻されます — そしてオーストラリアのブリスベンにあるグリフィス大学の Howard Wiseman 氏は、次のように述べています。測定は単純かもしれませんが、Gisin がかなり外交的に指摘しているように、「エージェントの脳と記憶を含め、エージェントを逆転させることはデリケートな部分です。」
とはいえ、Gisin 氏は、いつの日か複雑な量子コンピューターをラボ内のエージェント (Alice の友人および Bob の友人として機能) として使用して実験を行うことができるのではないかと考えることを嫌いません。原理的には、量子コンピューターの時間発展は逆にすることができます。 1つの可能性は、量子コンピューターがますます複雑になっても、そのような実験が標準的な量子力学の予測を再現するということです.しかし、そうではないかもしれません。 「別の代替案は、これらの量子コンピューターを開発しているある時点で、重ね合わせ原理の境界に到達し、実際には量子力学が普遍的ではないことを [発見] することです」と Gisin 氏は述べています。
Leifer 氏は、何か新しいものを待ち望んでいます。 「量子力学の正しい解釈は、上記のどれでもないと思います」と彼は言いました。
彼は、量子力学の現在の状況を、アインシュタインが特殊相対性理論を思いつく前の時代になぞらえています。実験者たちは、ニュートン宇宙で光波が伝播すると考えられている媒体である「発光性エーテル」の兆候を発見していませんでした。アインシュタインは、エーテルは存在しないと主張しました。代わりに、彼は空間と時間が順応性があることを示しました。 「アインシュタイン以前に、変化するのは空間と時間の構造だとは言えませんでした」とライファーは言いました。
量子力学は現在、同様の状況にあると彼は考えています。 「私たちは、世界がどうあるべきかについて暗黙の前提を置いている可能性が高く、それは真実ではありません」と彼は言いました。 「いったんそれを変更し、その仮定を修正すると、すべてが突然適切な位置に収まります。それは一種の希望です。量子力学のすべての解釈に懐疑的な人は、次のように考えているに違いありません。そのような仮定のもっともらしい候補を教えてもらえますか?できれば、私はその理論に取り組んでいます。」
