誰も量子力学を理解していません」とリチャード・ファインマンは有名に言いました。 1900 年にマックス プランクがエネルギーが個別のパケットまたは量子として現れることを発見してからずっと経っても、量子物理学は謎のままです。それは、野球から自動車までの物体がニュートンの力学と重力の法則に従い、私たち自身の身体的経験と一致している、より大きなスケールで物事がどのように機能するかとは大きく異なります.しかし、量子レベルでは、電子は粒子と波であり、光は波と粒子です (波と粒子の二重性)。原子内の電子は、特定のエネルギーのみを受け取ります (エネルギー量子化)。電子または光子は、任意の距離 (エンタングルメントとテレポーテーション) で瞬時に互いに影響を与えることができます。量子オブジェクトは、測定されるまでさまざまな状態で存在します (重ね合わせ、または一般的にシュレーディンガーの猫)。真の物理的な力は、真空の見かけの無から出現します (カシミール効果)。
誰も理解していない理論ですが、量子物理学は人間社会を驚くべき方法で変えました。それは、集積回路チップのデジタル技術と、より環境に優しい世界に向かって私たちを動かす発光ダイオードの新しい技術の背後にあります。科学者たちは現在、量子物理学でとらえどころのない概念の 1 つである一時的な「仮想」光子のアイデアに興奮しています。これにより、心臓と脳を診断するための非侵襲的な医療方法が可能になる可能性があります。これらのつながりは、科学的抽象化から有用な応用までのアイデアの流れを示しています。しかし、実際的な要件が深い洞察を生み出す逆の流れもあります。熱力学の普遍的な法則は、19 世紀のフランス人技術者サディ カルノーが当時の最先端技術であった蒸気機関をより効率的にしようとしたことに端を発しています。同様に、量子技術の成長は、量子に関するより深い知識につながります。純粋な理論と日常世界におけるその結果との間の相互作用は、科学が発展するにつれて継続する特徴です。量子物理学では、この相互作用は創始者の 1 人であるデンマークの物理学者ニールス ボーアにまでさかのぼります。
1913 年、ボーアは量子論を最も単純な原子である水素に適用しました。彼は、孤立した電子が中心の陽子の周りの特定の軌道だけを占め、それぞれが特定のエネルギーを持っているが、その間の空間やエネルギーを占めていないことを発見した.電子は、エネルギーを吸収するか、関与する軌道エネルギーによって設定された波長で光子として放出することによって、他の軌道にジャンプします。ボーアのモデルは、エネルギーを与えられた水素ガスによって放出される光の正確な波長を予測したときに、大きな成功を収めました。エネルギー レベル間のギャップを飛び越える量子ジャンプは、ネオンやその他のガスで満たされた広告看板、レーザー、LED からも鮮やかな色の光を生成します。
エネルギー ギャップは、1947 年に発明された半導体トランジスタに依存するデジタル エレクトロニクスとコンピューティングの中心でもあります。電流を形成します。半導体内の電子もその原子に閉じ込められていますが、いわゆるバンドギャップを飛び越えると、自由に移動して電流を形成できます。この電流を正確に操作して、スイッチとしてオン/オフしたり、信号を増幅したり、半導体がトランジスタに形成されたときに他の電子機能を実行したりできます。半導体シリコンで作られた集積回路チップ内で何百万個も生産されるトランジスタは、私たちの世界を定義するデジタル技術を制御します。これらすべての根底にあるバンド ギャップは、半導体内の電子が禁止領域によって分離されたエネルギー バンドを占有するために生じる純粋な量子効果です。
エネルギーが小さなスケールで不連続であるという事実は、通常の世界に対する私たちの見方とは相容れませんが、今では自然のこの側面を当然のことと考えています。しかし、重ね合わせ、エンタングルメント、テレポーテーションは、量子論に関するより深い疑問を提起すると同時に、新しい技術を刺激します。
重ね合わせは、1926 年に発表されたアーウィン シュレディンガーの有名な方程式に関連付けられています。これは、ニュートンの方程式 F の量子等価物です。 =ママ (つまり、力 =質量 x 加速度、粒子運動の基本方程式) ですが、電子などのサブアトミック エンティティは、粒子ではなく波として記述されます (ただし、この波が何であるかはわかりません)。ただし、波動関数と呼ばれる方程式の解は、位置などのエンティティの任意のプロパティを計算するために使用できますが、決定的にはできません。波動関数は、電子が原子内の特定の位置に存在できる確率のみを示します。原則として、波動関数がその値に「崩壊」すると言われる電子が測定されるまで、各位置はその確率に従って可能です。
この量子挙動の見方は、それを開発する際にボーアが果たした役割から、コペンハーゲン解釈と呼ばれています。カードのデッキには、選択したカードが取ることができる52の異なる状態が含まれていると言うようなものです。この場合、同じ確率で。しかし、一度カードを選ぶと、それが実際の状態になり、他の 51 枚は無関係になります。しかし、類推は不完全です。私たちは、各カードに印刷されたスートと値が本物であり、誰かがカードを選ぶかどうかに関係なく固定されていると固く信じています.古典物理学でも、実在論と呼ばれる信念で、物体が測定されていなくても、物体には明確な特性があると仮定しています。しかし、コペンハーゲンの見解は、電子または光子が測定値とは無関係に明確な値を持っているかどうかを疑問視しています.
これを読んで、測定という行為が測定されるものの性質にどのように、そしてなぜ深く影響するのか疑問に思っているなら、あなたは一人ではありません.これは、アインシュタインをはじめとする物理学者や哲学者が問いかけたが、まだ答えられていない永続的な問題の 1 つであり、量子論の完全な意味が解明されていません。コペンハーゲンの見解は広く使われていますが、それが提起する問題を解決しようとする別の解釈もあります。
いずれにせよ、重ね合わせは計算に対する斬新なアプローチを可能にします。例:光子には、特定の方向を指すように偏光できる電場があります。これは、重ね合わせの下で、光子が 50% の確率で垂直または水平のいずれかを指し、それぞれバイナリの「1」または「0」を表すように配置できます。結果は、測定されるまで 1 と 0 の両方である量子コンピューター ビット (「キュービット」) です。通常のコンピューターのビットは 1 か 0 のどちらかしかないため、量子ビットを使用すると計算能力が 2 倍に向上します ここで n はキュービット数です。たとえば、通常の 4 ビットは 16 個の 2 進数 0000 ～ 1111 (10 進数の 0 ～ 15) のうち 1 つしか保持できませんが、4 つのキュービットは 16 個すべてを同時に保持できます。多数のデータを並行して処理することにより、量子コンピューターは計算能力を前例のないレベルに引き上げます。
光子に加えて、量子ビットは、電子、イオン、超伝導体などの量子オブジェクトおよびシステムに基づくことができます。研究者は現在、これらのアプローチをテストして、商用の量子計算に最適な方法を見つけています。 IBM は、2 年以内に 1,000 キュービットの超伝導チップを計画しています。イオン キュービットに基づく、より小さな 11 キュービット コンピューターでさえ、原則として一度に 2,048 個の数値を処理できます。
エンタングルメントは、データを処理する他の新しい方法を提供します。しかし、シュレディンガーが 1935 年にこの用語を発明したとき、彼はエンタングルメントを「1 つではない」と考えていました。 しかしどうやら 量子力学の特徴です。」この決定的な特徴は、一対の電子で説明できます。スピンと呼ばれる性質により、電子は北極が上または下を向いている小さな磁石のようなものです。一方の北極が上でもう一方が下の全スピンゼロの電子対を作成することは可能ですが、どちらがどれであるかはわかりません。次に、2 つの電子を好きなだけ離して、電子 A のスピン方向を測定します。結果がどうであれ、電子 B のスピン方向の測定値は常に反対の値を与える.
これがエンタングルメントであり、リンクされた 2 つの量子オブジェクトの一方のプロパティを測定すると、距離に関係なく、もう一方のプロパティの値が瞬時に設定されます。多くの実験により、量子オブジェクトは、遠く離れていても、通常のオブジェクトとは異なる方法で相関していることが確認されています。 2017 年に、中国科学技術大学の Jian-Wei Pan のグループは、1,200 キロメートルという記録的な距離にわたって一対の光子が絡み合ったままであることを示しました。実験では、絡み合ったオブジェクト間の相互作用が、光の速度よりも速く発生することも示されています。これは、特殊相対性理論から生じる局所性と呼ばれる条件に違反しています。これは、アインシュタインがエンタングルメントを「遠く離れた不気味な作用」と呼んだときに悩まされたものです。量子リアリズムはすでに疑わしいため、多くの物理学者は、リアリズムと局所性の両方が量子の世界には当てはまらないという見方をする傾向があります.
それにもかかわらず、もつれはテレポーテーションにおけるその役割を通じて、地球規模であっても量子通信を可能にします。 1993 年、IBM の Charles Bennet とその同僚は、量子システムの未知の状態を正確にコピーして遠く離れた受信機に送信する方法、つまり量子情報をテレポートする方法について理論化しました。これは革命的でした。なぜなら、量子論では、たとえば未知の偏光を持つ光子を正確に複製することはできないからです。しかし、エンタングルメントは別の回避策を提供します:エンタングルされた光子の偏光を測定すると、直接測定しなくてもそのパートナーの偏光がわかります。ベネットの論文は、もつれた光子 A と B を使用して、送信者と受信者にそれぞれ位置し、3 番目の光子 X の未知の状態を光子 B に送信することを提案しました。
1997 年、当時インスブルック大学にいたアントン ツァイリンガーと同僚たちは、光子の未知の偏光状態をテレポートすることに成功しました。このような実験により、偏光光子キュービットの形でデータを配布する道が開かれました。これには大きな利点があります。テレポーテーションの量子的な性質により、機密情報の転送が改ざんや盗聴から保護されます。これはスパイ小説だけの問題ではありません。セキュリティは、インターネット コマースや金融送金をサポートし、個人情報を運ぶ多くの電子取引において不可欠です。
セキュリティのために、これらの送信は暗号化され、受信者によって別の安全なチャネルを介して送信された秘密鍵を使用して復号化されます。ただし、量子システムでは、鍵は量子ビットのランダムな文字列であり、改ざん防止されています。第三者が鍵を読み取ったり変更したりした場合、それは量子測定に相当し、送信者と受信者が異なる方法で鍵を変更します。検出できます。この機能により、量子テレポーテーションは、長距離にわたる宇宙衛星伝送を通じて実装される完全に安全な世界規模のネットワークの可能性を高めます。絡み合った光子の 1,200 km の伝送は、人工衛星と地上局の間で行われました。これは、グローバルな量子インターネットへの第一歩です。
テクノロジーに変換される量子効果は直感に反し、視覚化するのが難しいですが、最近の開発の 1 つは、実際の物理力を使用したニュートン力学のなじみ深い世界に私たちを引き戻します。真空の、空ではありません。代わりに、量子場理論と呼ばれる量子力学の拡張では、宇宙の真空は宇宙の最低エネルギー状態であり、一時的に存在する「仮想」素粒子をサポートします。これらには、さまざまな波長の仮想光子が含まれます。 1948 年、オランダの理論家ヘンドリック・カシミールは、この量子真空中に配置された 2 枚の平行な金属板が互いに引き寄せられると予測しました。これは、プレート間のギャップに正確に収まる波のみがそこに残り、プレートの外側に存在するよりも低いエネルギー密度を生成し、したがって内向きの力を生成するために発生します。この力は非常に小さく、プレート間に必要な間隔も約 100 ナノメートルです。
最後に、1997 年に精巧な測定により Casimir の予測が定量的に確認され、他の結果は、この効果が異なる形状の非金属でも発生することを示しています。それ以来、マイクロおよびナノ電気機械システム (電気機能と機械機能を組み合わせたチップサイズのデバイス) の研究者は、カシミール力を利用し始めました。短距離に対する感度が高いため、機械の動きを追跡することで超精密測定が可能になります。有望なアイデアの 1 つは、この技術を使用して、人間の心臓と脳が生成する非常に小さな磁場を測定することによって、物理的な接触なしで検査することです。現在、これは極低温冷却を必要とするかさばる機器で行われています。電気機械チップは、代わりにカシミール効果を使用して、室温で医師のオフィスで心臓または脳を分析します.
その有用性とは別に、量子技術は、応用量子物理学が基本的な理解を広げることができることを示しています。巧妙な量子科学者は、テレポーテーションが不確実性原理に終止符を打ち、現実世界の結果である安全な通信を達成できることを示しました。この場合、研究者は量子効果を操作して 1 つの基本原理を回避する方法を学びました。しかし、量子ビットで構成されたテレポートされた鍵の安全な性質は、他の基本的な量子特性、ランダム性、および測定に対する感度から生じることも理解してください.
しかし、量子論がうまく機能する理由を完全に理解できるでしょうか?ファインマンの大学院顧問で著名な理論家ジョン・アーチボルド・ウィーラーは答えを持っていませんでしたが、1984 年に次のように書いたとき、目標を明確に述べました。 … 量子に疑問を呈するのではなく、量子を必要とする非常に単純なアイデアを明らかにすることによって。」
シドニー・パーコウィッツは、エモリー大学のキャンドラー物理学名誉教授です。彼の最新の本は 物理学:非常に短い紹介 と Science Sketches （近日、2022 年）
参考文献
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