量子力学の創始者たちは、それが非常に奇妙なものであることを理解していました。たとえば、アルバート・アインシュタインは、その理論が自然界のより完全な記述への足がかりに過ぎず、量子の不穏な癖をなくすものでなければならないと確信して、彼の墓に行きました.
その後、1964 年に、ジョン スチュワート ベルは、アインシュタインが主張したように、量子論が現実の完全な記述を覆い隠しているかどうかをテストする定理を証明しました。それ以来、実験者はベルの定理を使用して、明らかな量子狂気 - ランダム性と離れた場所での不気味な行動 - の下に、相対性法則に従う隠された決定論的現実がある可能性を排除してきました.
現在、新しい定理がベルの研究をさらに一歩進めました。この定理は、物理的現実について合理的な仮定を立てています。次に、特定の実験が実行された場合、つまり、公平を期すために非常に複雑な実験が行われた場合、量子論の規則に従って期待される結果は、それらの仮定のいずれかを拒否することを余儀なくされることを示しています.
この研究に参加していないチャップマン大学の量子物理学者マシュー・ライファーによると、この新しい研究は、これまで同様の「ダメ」な定理による深刻な精査を逃れてきた量子力学の解釈のクラスに注目を集めているという。
大まかに言えば、これらの解釈は、量子状態は、世界に存在するものの忠実な表現ではなく、物理的現実に関する私たち自身の知識を反映していると主張しています.このグループのアイデアの例は、量子論の教科書版であるコペンハーゲン解釈であり、粒子はそれらの特性が測定されるまで明確な特性を持たないことを示唆することが最も一般的に理解されています。他のコペンハーゲンのような量子解釈はさらに進んでおり、量子状態を各観測者にとって主観的なものとして特徴付けています。
「数年前に、一部の人々が本当に信じているある種のコペンハーゲン風の解釈に対して、ノーゴー定理を作ることができるとあなたが私に言っていたら」とライファーは言いました。 Leifer によれば、最新の定理は「攻撃できないものを攻撃する」というものです。
ベルズ トール
ベルの 1964 年の定理は、コペンハーゲン解釈の主要な支持者の 1 人であるアインシュタインとニールス ボーアによって始まった議論に数学的な厳密さをもたらしました。アインシュタインは、量子論の下にある決定論的な世界の存在を主張しました。ボーアは、量子論は完全であり、量子世界は消えない確率論的であると主張しました.
ベルの定理は、2 つの明示的な仮定を行います。 1 つは、物理的な影響は「局所的」であり、光速より速く移動できないことです。さらに、量子力学の数学によってモデル化されていない隠された決定論的現実があることを (アインシュタイン風に) 仮定しています。明言されていないが暗示的な 3 番目の前提は、実験者が独自の測定設定を自由に選択できるということです。
これらの仮定を考えると、ベル テストにはアリスとボブの 2 つの関係者が関与し、一度に 1 対ずつ多数の粒子のペアを測定します。各ペアは絡み合っているため、それらのプロパティは量子力学的にリンクされています。アリスが粒子の状態を測定すると、2 つが何マイルも離れていても、ボブの粒子の状態に即座に影響を与えるように見えます。
ベルの定理は、実験を設定するための独創的な方法を提案しました。アリスの測定値とボブの測定値の間の相関関係が特定の値以下である場合、アインシュタインは正しかった:ローカルの隠された現実がある.相関関係がこの値を上回っている場合 (量子論が予測するように)、ベルの仮定の 1 つが間違っているに違いなく、局所的な隠された現実の夢は死んだに違いありません。
物理学者は、ますます厳しくなるベル テストの実行に 50 年近くを費やしました。 2015 年までに、これらの実験は本質的に議論に決着をつけました。測定された相関関係は、ベルの不等式として知られるレベルを上回っており、ベル テストは量子力学の予測と一致していました。その結果、ローカルの隠された現実という考えは終焉を迎えました。
弱い仮定、強い理論
新しい研究は、ベルによって開始された伝統から引き出されますが、物理学者のユージーン ウィグナーによって最初に考案された、わずかに異なる実験設定にも依存しています。
ウィグナーの思考実験では、ウィグナーの友人と呼ぶ人が研究室にいます。友人は、0 と 1 などの 2 つの状態の重ね合わせ (または量子混合) にある粒子の状態を測定します。測定により、粒子の量子状態が 0 または 1 に崩壊し、結果が友人によって記録されます。
ウィグナー自身は研究室の外にいます。彼の視点から見ると、研究室と彼の友人は、すべての環境の乱れから完全に隔離されていると仮定して、量子力学的に一緒に進化し続けています.結局のところ、量子力学は、理論が適用されるシステムのサイズについて何の主張もしていません。原則として、素粒子、太陽、月、人間に適用されます。
量子力学が普遍的に適用可能である場合、粒子とウィグナーの友人の両方が絡み合っており、友人の測定値が表面上はすでに粒子の重ね合わせを崩壊させているにもかかわらず、量子重ね合わせにあるとウィグナーは主張しました.
ウィグナーのセットアップによって提起された矛盾は、崩壊を引き起こす測定値とみなされるものと、崩壊が元に戻せないかどうかについての基本的かつ説得力のある問題を浮き彫りにしました.
ベルの定理と同様に、新しい研究の著者は、一見明白であるにもかかわらず、厳密な仮定を行っています。最初のものは、実験者がやりたい測定の種類を自由に選択できると述べています。 2 つ目は、信号を光速より速く送信することはできないということです。 3 つ目は、測定結果はすべての観察者にとって絶対的で客観的な事実であると述べています。
これらの「地元の親しみやすさ」の仮定は、ベルの仮定よりも弱いことに注意してください。著者らは、量子世界の根底にある種の決定論的現実があるとは考えていません。したがって、実験が可能であり、実験が成功した場合、それは「実際にはベルの定理よりもさらに深遠な事実を発見したことを意味します」と、グリフィスの量子ダイナミクス センターの所長であるハワード ワイズマンは述べています。オーストラリアの大学であり、新しい仕事のリーダーの 1 人です。
新しい定理は、ベルによって定式化されたものを含むだけでなく、それを超えて拡張される、多数の数学的不等式も識別します。 「ベルの不平等に違反することは可能ですが、私たちの不平等に違反することはできません」とチーム メンバーのノラ ティシュラー (同じく Griffith) は述べています。
したがって、ベルの場合と同様に、この新しい実験設定に量子力学の既知のルールを適用すると、結果がどうなるかを尋ねることができます。量子力学の法則が普遍的である場合、つまり、それらが非常に小さなオブジェクトと大きなオブジェクトの両方に適用される場合、実験は不等式に違反するはずです.将来の実験でこれが確認された場合、3 つの仮定のうちの 1 つが間違っているに違いなく、量子論はベルの定理のテストよりもさらに奇妙です。
実際、Tischler と Griffith の彼女の同僚は、実験の原理証明バージョンを既に実行しています。そうすることで、彼らは不平等に違反することになりました。しかし、彼らの実験には重大な注意点があります。それは、量子力学において観察者として何を重視するかにかかっています。
オブザーバー スペクトル
新しいローカル フレンドリネス定理では、ウィグナーのフレンド設定を複製する必要があります。現在、2 つのラボがあります。最初の研究室では、アリスは外にいて、友達のチャーリーは中にいます。ボブは別のラボの外にいて、中には友人のデビーがいます。
このマトリョーシカ人形のセットアップに、もつれた粒子のペアを追加します。 1 つのパーティクルは Charlie に送信され、もう 1 つのパーティクルは Debbie に送信されます。両方のオブザーバーが測定を行い、結果を記録します。
今度はアリスとボブの番です。それぞれが 3 種類の測定のいずれかを行うことができます。最初のオプションは簡単です:友人に測定結果を尋ねるだけです。
残りの2つはめちゃくちゃ難しいです。まず、アリスとボブは、それぞれの友人や研究室を完全に量子制御する必要があります。実際、システム全体の量子進化を逆転させるほどです。彼らは友人の測定を元に戻し、友人の記憶を消去し、粒子を初期状態に戻します。その時点で、アリスとボブは 2 つの異なる測定値のいずれかをランダムに選択し、粒子を測定し、結果を書き留めます。彼らは、何万もの絡み合った粒子のペアに対してこれを行います.
原理実証実験は、各ラボの光子から始まります。各友人は、光子の初期量子状態に応じて、光子が 2 つの経路のいずれかを取るか、一度に両方の経路をとる重ね合わせに入るように、光子を測定する単純なセットアップによって表されます。友人は、0 (光子が一方の経路をたどった) または 1 (もう一方の経路をたどった)、または両方の重ね合わせである量子ビットまたは qubit と考えることができます。 「2 つのパスは、観察者の 2 つの記憶状態であると考えることができます」と Tischler 氏は述べています。 「数学的には、これは観察のようなものです。」
アリスとボブは、光子がどの経路をたどったかを簡単に確認できます (チャーリーとデビーに何を観察したかを尋ねるのと同じです)。または、2 つのパスを互いに干渉させることで、友人の記憶を消去することもできます。光子がたどった経路に関する情報は消去され、光子は元の状態に戻ります。その後、アリスとボブは独自の測定を行うことができます。
このような実行を約 90,000 回行った後、この実験では、ローカル親しみやすさの定理の不等式が破られていることが明らかに示されました。
ここの抜け穴は明らかです。チャーリーとデビーはキュービットであり、人ではありません。実際、新しい研究の背後にいる研究者は、3 つの仮定のいずれかをまだ放棄する必要があるとは言っていません。 「私たちは、[量子ビット] が本当の友達だとか、本当の観測だと主張しているわけではありません」と Wiseman 氏は述べています。 「しかし、ベルの不等式よりも違反しにくいにもかかわらず、量子力学がこれらの不等式に違反していることを確認できます。」
一般に、オブザーバーがどれだけ大きくて複雑でなければならないかという問題については、かなりの議論が交わされています。原子は機能しますか？ウイルス？アメーバ？一部の物理学者は、観測対象に関する情報を取得し、その情報を保存できるシステムはすべてオブザーバーであると主張します。スペクトルの対極にあるのは、意識のある人間だけが重要だと言う人たちです.
この特定の実験に関しては、可能な観察者の範囲は非常に広いです。量子ビットについてはすでに実施されています。そして、チャーリーとデビーが人間であるなら、それは不可能だということに誰もが同意します.
チームは、オブザーバーが量子コンピューター内の汎用人工知能 (AGI) である可能性がある遠い将来の時点で実験を行うことを想定しています。このようなシステムは、観察される 2 つの異なる結果の重ね合わせに入る可能性があります。また、AGI は量子コンピューターで動作するため、このプロセスを逆にして、観測の記憶を消去し、システムを元の状態に戻すことができます。
「単一のキュービットと人工知能を実行する巨大な量子コンピューターの間には多くの場所があり、その線のどこで観測が行われたと言えるかについて、さまざまな人々がさまざまな意見を持っています」と Wiseman 氏は述べています。 「この定理は完全に厳密な定理ですが、観測された事象とは何かという問題は未解決のままです。これは非常に重要なことです。」
結局、物理学者がベルの不等式の完全な防弾実験テストを実装するのに約 50 年かかりました。おそらく、量子コンピューター上で動作する AGI はそう遠くないでしょう。
議論のために、そのようなテクノロジーがいつか登場するとしましょう。その後、物理学者が実験を行うと、次の 2 つのうちのいずれかが表示されます。
おそらく、不等式が破られることはないだろう。それは、量子力学が普遍的に有効ではないことを意味するだろう — それを超えると、量子論のルールが単に適用されない最大サイズがあることを意味する.このような結果により、研究者は量子世界と古典世界を隔てる境界を正確にマッピングできるようになります。
または、量子力学が予測するように、不等式は破られます。その場合、3 つの常識的な仮定のうちの 1 つを放棄する必要があります。どちらが次の質問につながりますか:どちらですか?
極端な相対性
この定理は、どの仮定が間違っているかについて主張していません。しかし、ほとんどの物理学者は、2 つの仮説を重要視しています。最初の — 実験者が実行する測定を選択できる — は不可侵に見えるでしょう.
情報が光よりも速く移動することを禁止する「局所性」の仮定は、原因と結果に関するあらゆる種類のばかげたぎこちなさを防ぎます。 (それでも、決定論的で、隠された、非常に非局所的な現実を仮定する理論であるボーム力学の支持者は、この 2 番目の仮定を放棄しました。)
これにより、3 番目の仮定が残ります。測定の結果は、すべての観察者にとって絶対的で客観的な事実です。ウィーンの量子光学・量子情報研究所の量子理論家であるチャスラフ・ブルクナーは、「観測された事象の絶対性」という最も間違っている可能性が高い仮定について強調しています。
観察された出来事の絶対性を否定することは、測定結果がすべての観察者にとって客観的な事実と見なされる標準的なコペンハーゲンの解釈に疑問を投げかけることになります.
何が残っていますか？その他の「コペンハーゲンのような」解釈 — 測定の結果は絶対的で客観的な事実ではないと主張するもの.これらには、QBism (「キュービズム」と発音され、もともとは「量子ベイズ主義」から派生したスタンドアロンの頭字語) と、物理学者のカルロ ロヴェリによって提唱されたリレーショナル量子力学 (RQM) が含まれます。 QBism は、量子状態は各観察者にとって主観的であると主張しています。 RQM は、粒子の位置などの量子世界を記述する変数は、あるシステムが別のシステムと相互作用する場合にのみ実際の値を取ると主張しています。それだけでなく、1 つのシステムの価値は常に、それが相互作用しているシステムと相対的であり、客観的な事実ではありません。
しかし、標準的なコペンハーゲンの解釈とその変形を区別することは、ノーゴー定理にとって困難でした。現在、ローカル親しみやすさの定理は、それらを少なくとも 2 つのカテゴリに分類する方法を提供します。一方は標準的なコペンハーゲン、もう一方は QBism と RQM です。
「ここには、本当に重要なことを語っている何かがあります」と Leifer 氏は言います。それは「ある意味で、QBists や Rovellis のような人々の正しさを証明しています。」
もちろん、他の解釈の支持者は、不平等に違反すると、他の 2 つの前提の 1 つ、つまり選択の自由または地域性が無効になると主張するだけかもしれません。
メリーランド大学カレッジパーク校の物理学の哲学者で、量子基盤に取り組んでいる Jeffrey Bub は、これらすべての努力は、私たちが理論から何を求めているかを再考する時が来たことを示唆しています。 「量子力学を古典的な型に押し込もうとするこの試みは、それを行う正しい方法ではありません」と彼は述べ、古典的なレンズを通して量子世界を理解しようとする試みに言及しました。 「私たちは、量子力学が実際に与えるものという観点から、理論から何を求めているかについて考える方法を調整する必要があります.私たちは量子のような理論にとらわれているということです。」
その場合、観測は主観的であり、特定の観測者にのみ有効であり、古典物理学によって提供されるタイプの「どこからともなく見える」ものは存在しないという立場を取ることが、必要かつ抜本的な最初のステップになる可能性があります。
