おそらく、量子力学の最も有名な奇妙な特徴は、非局所性です。パートナーが数マイル離れたもつれ合ったペアの 1 つの粒子を測定すると、測定値は介在する空間を引き裂いてそのパートナーに瞬時に影響を与えるように見えます。この「遠く離れた不気味な行動」(アルバート・アインシュタインが呼んだように) は、量子論のテストの主な焦点でした.
「非局所性は壮観です。つまり、魔法のようなものです」と、スペインのセビリア大学の物理学者 Adán Cabello は言いました。
しかし、Cabello らは、あまり知られていないが、量子力学の同様に魔法のような側面である文脈性を調査することに関心を持っています。コンテキスト性とは、位置や分極などの粒子のプロパティが測定のコンテキスト内にのみ存在することを意味します。粒子のプロパティを固定値を持つものと考えるのではなく、コンテキストに応じて意味が変化する言語の単語のように考えてください。ショウジョウバエはバナナのようです。」
文脈性は 50 年以上にわたって非局所性の影に隠れていましたが、量子物理学者は現在、それを非局所性よりも量子システムの顕著な特徴と見なしています。たとえば、単一の粒子は、粒子が 1 つの場所にしか存在しないため、「非局所性について考えることさえできない」量子系であると、ブラジルのサンパウロ大学の物理学者であるバーバラ アマラルは述べています。 「したがって、[文脈性] はある意味でより一般的です。これは、量子システムの力を本当に理解し、量子理論がそのようになっている理由をより深く理解するために重要だと思います。」
研究者はまた、コンテキスト性と、通常のコンピューターでは解決できない問題を量子コンピューターが効率的に解決できることとの間の興味をそそる関連性を発見しました。これらのリンクを調査することは、研究者が新しい量子コンピューティングのアプローチとアルゴリズムを開発する際の指針となる可能性があります。
そして、新たな理論的関心とともに、私たちの世界が実際に文脈に依存していることを証明するための新たな実験的努力がもたらされます. 2 月、Cabello は、中国の北京にある清華大学の Kihwan Kim と共同で、文脈性の最初の抜け穴のない実験的テストを実行したと主張する論文を発表しました。
第 117 方向
北アイルランドの物理学者ジョン・スチュワート・ベルは、量子系が非局所的であることを示したことで広く知られています。絡み合った 2 つの粒子の測定結果を比較することで、彼は 1965 年の彼の名を冠した定理で、粒子間の高度な相関関係は、それぞれの個別の特性を定義する局所的な「隠れた変数」では説明できないことを示しました。絡み合ったペアに含まれる情報は、粒子間で非局所的に共有される必要があります。
ベルは、文脈性についても同様の定理を証明しました。彼と、サイモン コッヘンとエルンスト スペッカーは、量子システムがすべての可能なコンテキストですべてのプロパティの値を定義する隠し変数を持つことは不可能であることを示しました。
Kochen と Specker のバージョンの証明では、大きさと方向の両方を持つスピンと呼ばれる量子特性を持つ単一の粒子を考慮しました。任意の方向に沿ってスピンの大きさを測定すると、常に 1 または 0 の 2 つの結果のいずれかになります。研究者は次に、次のように問いかけました。言い換えれば、固定値 (隠れ変数) を、考えられるすべての測定のすべての結果に一度に割り当てることができるでしょうか?
量子論では、3 つの垂直方向に沿ったスピンの大きさは「101 規則」に従わなければならないと言われています。2 つの測定結果は 1 で、もう 1 つは 0 でなければなりません。Kochen と Specker はこの規則を使用して矛盾に到達しました。まず、彼らは、各粒子がスピンの各方向に対して固定された固有の値を持っていると仮定しました。次に、いくつかの固有の方向に沿って仮想的なスピン測定を行い、結果に 0 または 1 を割り当てました。次に、仮想測定の方向を回転させて再度測定し、そのたびに結果に値を自由に割り当てるか、101 規則を満たすために必要な値を推測して、以前に検討した方向と合わせました。
それらは、117 番目の方向で矛盾が発生するまで続きました。以前は、この方向に沿ったスピンに 0 の値を割り当てていましたが、101 の規則により、スピンは 1 でなければならないことが規定されていました。測定の結果が 0 と 1 の両方を返すことはあり得ません。パーティクルが、コンテキストに関係なく同じままである固定の隠し変数を持つことはできません。
証拠は、量子論が文脈性を要求することを示しましたが、単一粒子の 117 の同時測定を通じて実際にこれを実証する方法はありませんでした。それ以来、物理学者は、複数の絡み合った粒子を含む元の Bell-Kochen-Specker の定理の、より実用的で実験的に実装可能なバージョンを考案しました。この定理では、1 つの粒子の特定の測定値が他の粒子の「コンテキスト」を定義します。
質問ごと
2009 年には、現実の根底にある構造の一見難解な側面である文脈性が直接適用されるようになりました。元の Bell-Kochen-Specker の定理の単純化されたバージョンの 1 つは、基本的な量子計算と同等であることが示されました。
その創始者であるデビッド・マーミンにちなんでマーミンの星と名付けられた証明は、3つのもつれた量子ビット、またはキュービットで行うことができるコンテキスト測定のさまざまな組み合わせを考慮しました。以前の測定が後の測定の結果をどのように形成するかというロジックは、測定ベースの量子コンピューティングと呼ばれるアプローチの基礎となっています。この発見は、量子コンピューターが特定の問題を従来のコンピューターよりも速く解決できる理由の鍵となるのは、コンテキスト性である可能性があることを示唆しています。これは、研究者が理解するのに非常に苦労してきた利点です。
ブリティッシュ コロンビア大学の物理学者であり、測定ベースの量子コンピューティングのパイオニアである Robert Raussendorf は、量子コンピューターがいくつかのタスクで従来のコンピューターを打ち負かすには文脈性が必要であることを示しましたが、それがすべてではないと考えています。文脈性が量子コンピューターを強化するかどうかは、「おそらく正しい質問ではないでしょう」と彼は言いました。 「しかし、私たちは質問ごとにそこにたどり着く必要があります。ですから、質問の仕方を理解している質問をします。答えが得られます。次の質問をします。」
抜け穴のないテスト
一部の研究者は、ベル、コッヘン、スペッカーの世界は文脈依存であるという結論に抜け穴があることを示唆しています。彼らは、コンテキストに依存しない隠し変数が決定的に除外されていないと主張しています.
2 月、Cabello と Kim は、「抜け穴のない」Bell-Kochen-Specker 実験を実行することで、すべてのもっともらしい抜け穴をふさいだことを発表しました。
この実験では、絡み合って捕捉された 2 つのイオンのさまざまな方向のスピンを測定する必要があり、一方のイオンの測定の選択が他方のイオンのコンテキストを定義しました。物理学者は、1 つのイオンを測定しても他のイオンに物理的な影響はありませんが、状況が変化し、2 番目のイオンの測定結果が変わることを示しました。
懐疑論者は次のように尋ねます:実験ごとに異なる可能性がある他の条件ではなく、最初の測定によって作成されたコンテキストが 2 番目の測定結果を変えたものであるとどのように確信できるでしょうか? Cabello と Kim は、数千セットの測定を実行し、コンテキストが変わらなければ結果が変わらないことを示すことで、この「シャープネスの抜け穴」を閉じました。この抜け穴や他の抜け穴を除外した後、彼らは、結果の唯一の合理的な説明は文脈性であると結論付けました.
Cabello らは、これらの実験を将来、量子コンピューティング デバイスのコンテキスト性のレベル、つまり能力をテストするために使用できると考えています。
「世界がどのように機能しているかを本当に理解したいのであれば、量子コンテクストの詳細に踏み込む必要があります。」
