私たちのすべての科学的理論とモデルが平均についてのみ教えてくれたら想像してみてください:最高の天気予報が翌月に予想される 1 日あたりの平均降水量しか得られない場合、または天文学者が日食間の平均時間しか予測できない場合.
量子力学の黎明期には、それが避けられない制限のように思われました。これは確率論であり、多くの事象や粒子の記録を収集した場合に平均して観測されるものだけを教えてくれました。量子物体がどのように振る舞うかを規定する同名の方程式を持つアーウィン・シュレディンガーにとって、特定の原子や電子がリアルタイムで物事を行っていると考えるのはまったく無意味でした。 1952 年に彼は次のように書いています。 単一粒子で。 …私たちは、起こってからずっと後の出来事の記録を精査しています。」つまり、量子力学は多くの粒子の「集合体」に対してのみ機能するように見えました。 「アンサンブルが十分に大きい場合、予測が正しいかどうかを確認するのに十分な統計を取得することが可能です」とイェール大学の物理学者 Michel Devoret 氏は述べています。
しかし、個々の量子系で起こっている単一のイベントについて話すことができるように、量子力学を定式化する別の方法があります。これは量子軌道理論 (QTT) と呼ばれ、量子力学の標準形式と完全に互換性があります。これは実際には、量子の挙動をより詳細に示したものです。標準的な説明は、多くのイベントの平均が計算された後、長い時間スケールで復元されます。
Schrödinger の悲観的な見方への直接的な挑戦として、「QTT は、単一粒子と、発生しているイベントを正確に処理します」と、イェール大学の Devoret の研究室で博士号を取得した Zlatko Minev は述べています。量子回路の実験に QTT を適用することで、Minev と彼の同僚は最近、「量子飛躍」 (2 つの量子エネルギー状態間の切り替え) が時間の経過とともに展開する様子を捉えることができました。彼らはまた、飛行中にそのようなジャンプをキャッチし、それを逆転させるという驚くべき偉業を達成することになっていました.
「量子軌道理論は、標準的な定式化では不可能な予測を行います」と Devoret 氏は述べています。特に、粒子などの個々の量子オブジェクトが観測されたとき、つまり測定が行われたときにどのように動作するかを予測できます。
シュレディンガーの方程式ではそれができません。オブジェクトを測定しなければ、時間の経過とともにオブジェクトがどのように進化するかを完全に予測します。しかし、測定を追加すると、シュレディンガー方程式から得られるのは、個々のシステムが何をするかではなく、多くの測定で平均的に見られるものの予測だけです.たとえば、単独の量子ジャンプから何が期待できるかはわかりません。
量子逆作用と呼ばれる特異な現象のために、測定はシュレディンガー方程式を狂わせます。量子測定は、観測されるシステムに影響を与えます。観測という行為は、一種のランダム ノイズをシステムに注入します。これは最終的に、ハイゼンベルグの有名な不確定性原理の源です。ハイゼンベルグが最初に考えたように、測定の不確実性は、デリケートな量子システムへの不器用な介入の影響ではありません。たとえば、光子が粒子に衝突し、それをコースから外します。むしろ、それは観察自体の本質的なランダム化効果の避けられない結果です。シュレディンガー方程式は、量子系がどのように進化するかを予測するのにうまく機能します — 測定しない限り、結果は予測できません.
量子の逆作用は、システムと測定装置の間の不完全な調整と考えることができる、とデボレ氏は述べた。彼はそれを望遠鏡を使った惑星の観察と比較します。惑星が望遠鏡のフレームの中心にない場合、画像はぼやけます。
ただし、QTT はバックアクションを考慮に入れることができます。問題は、QTT を適用するには、観察しているシステムの動作についてほぼ完全な知識が必要だということです。通常、量子系の観察では、利用可能な可能性のある多くの情報を見落としています。たとえば、放出された光子の一部は、その環境で失われます。しかし、逆作用のランダムな結果を含め、システムに関するほとんどすべてが測定され、既知である場合、逆作用を補うために継続的な調整を行う測定装置にフィードバックを組み込むことができます。これは、望遠鏡の向きを調整して惑星を中心に保つことに相当します。
これが機能するためには、測定装置は、システムが大幅に変化する速度よりも速くデータを収集する必要があり、ほぼ完全な効率でデータを収集する必要があります。 「本質的に、システムを出て環境に吸収されるすべての情報は、測定装置を通過して記録される必要があります」と Devoret 氏は述べています。天文学的な例えでは、惑星は天文台から来る光だけで照らされなければならず、再放射されたすべての光も何らかの形で収集されます.
この程度の制御と情報収集を達成することは非常に困難です。マサチューセッツ工科大学のウィリアム・オリバー氏は、QTT が登場してから数十年が経ちましたが、「実験的にテストできるのは過去 5 年以内のことです」と述べています。 Minev は、最大 91% の量子測定効率を保証するイノベーションを開発しました。「この重要な技術開発により、予測を検証可能で実行可能な実験に変えることができました」と彼は言いました。
これらの革新により、「システムの最近の履歴を考えると、たとえモーションの一部の機能が長期的に予測不可能になったとしても、システムがどこにあるかをいつでも知ることができます」と Devoret 氏は述べています。さらに、システムが経時的にどのようにスムーズに変化するかについてのこのほぼ完全な知識により、研究者は「テープを巻き戻し」、標準的な量子形式の明らかに不可逆的な「波動関数の崩壊」を回避することができます。これが、研究者が飛行中の量子ジャンプを元に戻すことができた方法です。
QTT の予測と実験結果の間の優れた一致は、理論が単一量子系で機能するという単なる事実よりも深い何かを示唆しています。それは、理論が言及する非常に抽象的な「量子軌道」（エール大学の論文の共著者である物理学者ハワード・カーマイケルによって1990年代に造られた用語）が意味のある実体であることを意味します。現実の。」これは、QTT が最初に導入されたときの一般的な見解とは対照的です。この見解では、QTT は明確な物理的意味を持たない単なる数学的ツールであるとされていました。
しかし、この軌跡は正確には何ですか？ 1 つはっきりしていることは、これは古典的な軌跡、つまり宇宙での経路を意味するものとは異なるということです。それは、ヒルベルト空間と呼ばれる、システムが持つ可能性のある状態の抽象空間を通過するパスに似ています。従来の量子論では、その経路はシュレディンガー方程式の波動関数によって記述されます。しかし、重要なことに、QTT は測定値がその経路にどのように影響するかについても説明できますが、これはシュレディンガー方程式ではできません。実際、この理論では、システムがこれまでにどのように動作してきたかを注意深く完全に観察して、システムが将来どうなるかを予測しています。
これは、単一の空気分子の軌道を予測することに大まかに例えることができます。シュレディンガー方程式は、古典的な拡散方程式に少し似た役割を果たします。この方程式は、そのような粒子が衝突したときに平均してどれだけ移動するかを予測します。しかし、QTT は、粒子がすでに経験した衝突に関する詳細な情報に基づいて、特定の粒子がどこに行くかを予測します。ランダム性は依然として有効です。どちらの場合も、軌道を完全に予測することはできません。しかし、QTT は個々の粒子のストーリーを提供し、次にどこに向かっているのかを知ることができます。
