量子物理学が奇妙で直感に反するという評判があることは驚くべきことではありません。私たちが住んでいる世界は確かに量子力学的ではありません。そして 20 世紀までは、アイザック ニュートンなどによって考案された物理学の古典法則 (物体は常に明確に定義された位置と特性を持っている) があらゆるスケールで機能すると誰もが想定していました。しかし、マックス・プランク、アルバート・アインシュタイン、ニールス・ボーア、および彼らの同時代の人々は、原子と亜原子粒子の間で、この具体性が溶解して可能性のスープになることを発見しました。たとえば、通常、原子に明確な位置を割り当てることはできません。さまざまな場所で原子が見つかる確率を計算するだけです。厄介な問題は次のようになります:量子確率はどのようにして古典世界の鋭い焦点に合体するのでしょうか?
物理学者は、この変化を「量子古典遷移」と呼ぶことがあります。しかし実際には、大きなものと小さなもので根本的に異なるルールがある、またはそれらの間で突然の切り替えがあると考える理由はありません。過去数十年にわたり、研究者は、粒子または他の微視的システムとその周囲環境との間の相互作用を通じて、量子力学が必然的に古典力学になる方法について、より深い理解を達成してきました.
この理論的枠組みにおける最も注目すべきアイデアの 1 つは、古典物理学に関連付けられているオブジェクトの明確な特性 (位置や速度など) が、進化における自然選択に大まかに類似したプロセスで、量子の可能性のメニューから選択されるということです。生き残る特性は、ある意味で「最も適した」ものです。自然選択と同様に、生存者は自分自身のコピーを最も多く作成するものです。これは、多くの独立した観測者が量子系の測定を行い、結果に同意できることを意味します。これは、古典的な動作の特徴です。
量子ダーウィニズム (QD) と呼ばれるこのアイデアは、原子や基本粒子のスケールで現れる特異な方法ではなく、私たちが世界を経験している理由について多くのことを説明しています。パズルの側面は未解決のままですが、QD は量子物理学と古典物理学の間の明らかな亀裂を癒すのに役立ちます。
しかし、量子ダーウィニズムが実験的なテストにかけられたのはごく最近のことです。イタリア、中国、ドイツで独立して活動している 3 つの研究グループは、量子システムに関する情報がさまざまな制御された環境に繰り返し刷り込まれる自然選択プロセスの証拠となる特徴を探しました。これらのテストは初歩的なものであり、量子力学が提供する複数のオプションから具体的な現実がどのように凝縮されるかについて、QD が正しいイメージを提供すると確信できるようになるまでには、まだやるべきことがたくさんあると専門家は言います。
適者生存
量子ダーウィニズムの中心にあるのは、測定の滑りやすい概念、つまり観測を行うプロセスです。古典物理学では、目に見えるものは単に物事がどのようであるかということです。時速 200 キロメートルで移動するテニス ボールを観察します。これ以上言うことはありませんか?
量子物理学では、それはもはや真実ではありません。量子力学の正式な数学的手順が、量子オブジェクトの「状態」について何を言っているのかは、まったく明らかではありません。それらは、測定を行った場合に何が見えるかを示す処方箋にすぎません。たとえば、「重ね合わせ」として知られる、量子粒子が可能な範囲の状態を持つことができる方法を考えてみましょう。これは、同時に複数の状態にあるという意味ではありません。むしろ、測定を行うと、それらの結果のいずれかが表示されることを意味します。測定の前に、さまざまな重畳状態が波のように互いに干渉し合い、より高い確率またはより低い確率で結果が生成されます。
しかし、なぜ量子重ね合わせが見えないのでしょうか?粒子の状態のすべての可能性が人間のスケールまで生き残れないのはなぜですか?
しばしば与えられる答えは、重ね合わせは壊れやすく、繊細な量子システムがノイズの多い環境によって打ちのめされると簡単に崩壊するというものです。しかし、それは正しくありません。任意の 2 つの量子オブジェクトが相互作用すると、それらは互いに「もつれ」、それらの特性の可能性が相互に依存する共有量子状態に入ります。つまり、原子がスピンと呼ばれる量子特性の 2 つの可能な状態、つまり「上」と「下」の重ね合わせになっているとします。原子は空気中に放出され、そこで空気分子と衝突して絡み合います。この 2 つは現在、共同の重ね合わせ状態にあります。原子が上向きスピンの場合、空気分子は一方向に押し出される可能性がありますが、原子が下向きスピンの場合、空気分子は別の方向に移動します。これら 2 つの可能性は共存します。粒子が他の空気分子とさらに多くの衝突を経験するにつれて、絡み合いが広がり、最初は原子に固有の重ね合わせがますます拡散します。原子の重ね合わされた状態は、周囲の環境 (おそらくいくつかの大型測定器を含む) の他の状態と絡み合っているため、互いに首尾一貫して干渉しなくなりました。その測定装置には、原子の重ね合わせが消えて、もはや相互に干渉しなくなる可能性のある古典的な結果のメニューに置き換えられたかのように見えます.
「量子性」が環境に消えるこのプロセスは、デコヒーレンスと呼ばれます。これは、量子から古典への移行の重要な部分であり、多くの粒子が相互作用する大規模なシステムで量子の振る舞いを確認するのが難しくなる理由を説明しています。このプロセスは非常に高速に行われます。空気中に浮遊する典型的な塵の粒子が、粒子自体の幅で隔てられた 2 つの異なる物理的位置の量子重ね合わせに置かれた場合、空気分子との衝突により、約 10 秒でデコヒーレンスが発生し、重ね合わせが検出できなくなります。真空中でさえ、光子はそのようなデコヒーレンスを非常に迅速に引き起こします:その重ね合わせを破壊せずに粒子を見ることはできません.
驚くべきことに、デコヒーレンスは量子力学の直接的な結果ですが、1970 年代に故ドイツの物理学者 Heinz-Dieter Zeh によって初めて特定されました。ポーランド系アメリカ人の物理学者である Wojciech Zurek は、1980 年代初頭にこの考えをさらに発展させ、よりよく知られるようにしました。
しかし、客観的で古典的な現実の出現を説明するには、デコヒーレンスが量子の振る舞いを洗い流し、それによって観察者に古典的に見えるようにするだけでは十分ではありません。どういうわけか、複数の観察者が量子系の特性について同意することは可能です。したがって、ニューメキシコ州のロスアラモス国立研究所で働くズレックは、2 つのことが真実であるに違いないと主張します。
まず、量子システムは、環境による破壊的なデコヒーレンスに直面しても特に堅牢な状態を持たなければなりません。 Zurek はこれらを「ポインターの状態」と呼んでいます。これは、測定器の文字盤上のポインターの可能な状態にエンコードできるためです。たとえば、粒子の特定の位置、またはその速度、その量子スピンの値、またはその分極方向は、測定デバイス上のポインターの位置として登録できます。 Zurek は、量子オブジェクトのポインター状態が存在するという理由だけで、古典的な動作 (明確に定義された安定した客観的なプロパティの存在) が可能であると主張しています。
ポインターの状態が数学的に特別なのは、デコヒーレンスを誘発する環境との相互作用がポインターの状態を混乱させないことです。ポインターの状態が保持されるか、ほぼ同じに見える状態に単純に変換されます。これは、環境が無差別に量子性を押しつぶすのではなく、いくつかの状態を選択し、他の状態を破棄することを意味します。たとえば、パーティクルの位置はデコヒーレンスに対して回復力があります。ただし、異なる場所の重ね合わせはポインター状態ではありません。環境との相互作用により、それらがローカライズされたポインター状態に分解されるため、1 つだけを観察できます。 Zurek は、1980 年代のポインター状態のこの「環境による超選択」について説明しました。
しかし、量子特性が観察されるために満たさなければならない 2 つ目の条件があります。環境との相互作用に対する耐性により、ポインター状態の安定性が保証されますが、それに関する情報を何らかの形で取得する必要があります。オブジェクトの環境に刷り込まれた場合にのみ、それを行うことができます。たとえば、オブジェクトを見ると、その情報は網膜から散乱する光子によって網膜に配信されます。それらは、オブジェクトの特定の側面の部分的なレプリカの形で情報を伝え、その位置、形、色について何かを伝えます.多くの観察者が測定値に同意するには、多くのレプリカが必要です。これは、古典性の特徴です。したがって、Zurek が 2000 年代に主張したように、あるプロパティを観察する能力は、そのプロパティがポインタ状態として選択されているかどうかだけでなく、そのプロパティが環境にどれだけ大きな影響を与えるかにも依存します。環境内でレプリカを作成するのに最適な状態 (「最も適した」状態と言うかもしれません) だけが、測定にアクセスできます。そのため、ズレックはこのアイデアを量子ダーウィニズムと呼んでいます。
環境によって引き起こされるポインター状態の超選択を促進するのと同じ安定性特性が、量子ダーウィンの適応度、つまりレプリカを生成する能力も促進することが判明しました。 「環境は、その監視活動を通じて、システムのコヒーレンスを解除します」とズレック氏は言いました。
情報の過負荷
もちろん、環境に刻み込まれた量子システムに関する情報が実際に人間の観察者によって読み取られるかどうかは問題ではありません。古典的な動作が出現するために重要なことは、原則として読み出せるように情報がそこに到達することだけです。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物理学者であり、量子ダーウィニズムの支持者であるジェス・リーデルは、「システムは、形式的な意味で研究されている必要はありません」と述べています。 「QD は、実験室にない、または人間が存在する前に存在していた日常の肉眼で見える物体を含む、古典性のすべてを推定的に説明するか、説明するのに役立ちます。」
約 10 年前、Riedel が Zurek の大学院生として働いていたとき、2 人は、いくつかの単純で理想化された量子システムからの情報が「環境に大量にコピーされる」ことを理論的に示しました。変数の値を推測するための少量の環境。」彼らは、直径 1 マイクロメートルのちりの粒子が、わずか 1 マイクロ秒間太陽に照らされた後、散乱光子にその位置が約 1 億回刻印されると計算しました。
客観的で古典的な性質が存在するのは、この冗長性のためです。 10 人の観察者はそれぞれ、塵粒の位置を測定し、それが同じ場所にあることを発見できます。これは、それぞれが異なる情報のレプリカにアクセスできるためです。このビューでは、斑点に客観的な「位置」を割り当てることができるのは、斑点がそのような位置を「持っている」からではなく (それが何を意味するにせよ)、その位置の状態が環境内に多くの同一のレプリカを刻印できるためです。コンセンサス。
さらに、利用可能な情報のほとんどを収集するために、環境の大部分を監視する必要はありません。また、環境のほんの一部を監視しても、大幅に多くの情報が得られるわけではありません。 「システムについて収集できる情報はすぐに飽和してしまいます」と Riedel 氏は言います。
この冗長性が QD の際立った特徴であると、3 つの新しい実験の 1 つに関与したクイーンズ大学ベルファストの物理学者 Mauro Paternostro は説明しました。 「古典性への移行を特徴付ける特性です」と彼は言いました。
スペインのセビリア大学の理論物理学者 Adán Cabello によると、量子ダーウィニズムは、量子力学に関する一般的な神話に挑戦しています。つまり、量子世界と古典世界の間の移行は理解されておらず、測定結果は量子理論では説明できないというものです。それどころか、彼は「量子論は古典世界の出現を完全に説明している」と述べた。
ただし、どれだけ完全に議論の余地がありますか。一部の研究者は、デコヒーレンスと QD が量子古典遷移の完全な説明を提供すると考えています。しかし、これらのアイデアは、重ね合わせが大規模で消滅する理由と、具体的な「古典的な」特性のみが残る理由を説明しようとしていますが、測定が独特の結果をもたらす理由についてはまだ疑問があります.粒子の特定の位置が選択されると、その量子記述に固有の他の可能性はどうなりますか?それらは何らかの意味で本物でしたか？研究者が量子力学の哲学的解釈を採用せざるを得ないのは、まさにその疑問に実験的に答える方法を誰も見つけられないからです。
ラボへ
量子ダーウィニズムは、紙の上ではかなり説得力があるように見えます。しかし、最近までそれが限界でした。過去 1 年間で、3 つの研究者チームが独自に理論を実験的にテストし、その重要な特徴、つまり量子システムがその環境に自身の複製をどのように刻印するかを調べました。
実験は、量子システムに関するどのような情報がその環境に伝えられるかを綿密に監視する能力に依存していました。たとえば、数え切れないほどの空気分子の中に浮遊する塵の粒子には、これは現実的ではありません。そのため、2 つのチームは、粒子が数個しかない一種の「人工環境」で量子オブジェクトを作成しました。どちらの実験も、1 つはローマのサピエンツァ大学のパテルノストロと共同研究者によるもので、もう 1 つは中国科学技術大学の量子情報の専門家である Jian-Wei Pan と共著者によるもので、量子システムとして単一の光子を使用しました。それと相互作用し、それに関する情報をブロードキャストする「環境」として機能する他のいくつかの光子と。
両方のチームは、レーザー光子を光学デバイスに通して、複数の絡み合ったグループに結合できるようにしました。次に、環境光子を調査して、システム光子のポインター状態についてエンコードした情報を確認しました。この場合、その分極 (振動電磁場の方向)、量子ダーウィン選択のフィルターを通過できる量子特性の 1 つです。
QD の重要な予測は、飽和効果です。周囲のほんの一握りの粒子を監視すれば、量子システムについて収集できるほとんどすべての情報を利用できるはずです。 「相互作用する環境のほんの一部でも、観測されたシステムに関する最大の古典的情報を提供するのに十分です」と Pan は言いました。
2 つのチームはまさにこれを見つけました。環境光子の 1 つだけを測定するだけで、システム光子の偏光に関する多くの利用可能な情報が明らかになり、環境光子の割合を増やすと、収穫逓減が得られました。単一の光子でさえ、単一のシステム光子と十分に強く相互作用する場合、デコヒーレンスと選択を導入する環境として機能することができる、と Pan は説明した。相互作用が弱い場合、より大きな環境を監視する必要があります。
ドイツのウルム大学の量子光学物理学者 Fedor Jelezko が Zurek などと共同で主導した QD の 3 番目の実験的テストでは、結晶内の炭素原子の代わりに孤立した窒素原子で構成される、非常に異なるシステムと環境が使用されました。ダイヤモンドの格子 - いわゆる窒素空孔欠陥。窒素原子は炭素よりも 1 つ多い電子を持っているため、この余分な電子は隣接する炭素原子の電子とペアになって化学結合を形成することはできません。その結果、窒素原子の不対電子は、単独の「スピン」として機能します。これは、上向きまたは下向きの矢印のように、または一般的に、可能な両方の方向の重ね合わせのようなものです.
このスピンは、同位体炭素 13 としてダイヤモンドに存在する約 0.3% の炭素核のスピンと磁気的に相互作用することができます。炭素 13 は、より豊富な炭素 12 とは異なり、スピンも持っています。平均して、各窒素空孔スピンは、約 1 ナノメートルの距離内で 4 つの炭素 13 スピンに強く結合しています。
レーザーと高周波パルスを使用してスピンを制御および監視することにより、研究者は窒素スピンの変化が環境の核スピンの変化によってどのように記録されるかを測定できました。彼らが昨年 9 月のプレプリントで報告したように、彼らも QD によって予測される特徴的な冗長性を観察しました:窒素スピンの状態は、周囲の複数のコピーとして「記録」され、スピンに関する情報は、環境がより多くなるにつれて急速に飽和します。
Zurek 氏によると、光子実験では実際の環境をシミュレートする人工的な方法でコピーが作成されるため、デコヒーレンスに対して回復力のある「自然な」ポインター状態を選択する選択プロセスは組み込まれていません。むしろ、研究者自身がポインターの状態を強制します。対照的に、ダイヤモンド環境はポインター状態を引き出します。 「ダイアモンド方式にも問題があります。環境の規模が大きいためです」と Zurek 氏は付け加えました。「しかし、少なくともそれは自然なことです。」
量子ダーウィニズムの一般化
これまでのところ、量子ダーウィニズムにはとても適しています。 「これらの研究はすべて、少なくともおおよそ予想されることを示しています」と Zurek 氏は述べています。
リーデル氏は、そうでなければほとんど期待できないと述べています。彼の見解では、QD は実際には、量子システムとその環境との相互作用に標準的な量子力学を注意深く体系的に適用したものにすぎません。これは、ほとんどの量子測定で実際に行うことは事実上不可能ですが、測定を十分に単純化できれば、予測は明確です.「QD は、量子理論自体の内部自己整合性チェックに最も似ています.」
しかし、これらの研究は QD と一致しているように見えますが、それが古典性の出現の唯一の説明である、またはそれが完全に正しいという証拠とさえ見なすことはできません。 1 つには、3 つの実験では、実際の環境が構成されているものの概略図しか提供されていない、と Cabello 氏は言います。さらに、この実験は、古典性の出現を他の方法で見ることを完全に排除するものではありません。たとえば、ポーランドのグダニスク工科大学の Pawel Horodecki と共同研究者によって開発された「スペクトル放送」と呼ばれる理論は、QD の一般化を試みています。スペクトル ブロードキャスト理論 (いくつかの理想化されたケースについてしか検討されていません) は、もつれた量子システムと環境の状態を特定し、多くの観察者が摂動することなく取得できる客観的な情報を提供します。つまり、さまざまなオブザーバーが環境内のシステムのレプリカにアクセスできるようにするだけでなく、そうすることで他のレプリカに影響を与えないようにすることを目的としています。これも、真に「古典的な」測定の特徴です。
ホロデツキと他の理論家は、世界をシステムとその環境に恣意的に分割することを要求せず、さまざまな量子システム間の相互作用から古典的現実がどのように出現するかを検討するだけの理論的枠組みに QD を組み込むことも試みました。 Paternostro は、これらの理論の予測の間のかなり微妙な違いを識別することができる実験方法を見つけるのは難しいかもしれないと言います.
それでも、研究者たちは試みを続けており、まさにその試みによって、量子領域の仕組みを調べる私たちの能力が向上するはずです。 「これらの実験を実行するための最良の議論は、おそらくそれらが良い運動であるということです」とリーデルは言いました. 「QD を直接説明するには、既存の実験技術の限界を押し広げる非常に難しい測定が必要になる場合があります。」測定が実際に何を意味するのかを知る唯一の方法は、より良い測定を行うことだと思われます.
この記事はに転載されました Wired.com .
