量子論についてもう一度考える時が来ました。理論自体に実際には何の問題もありません。原子や亜原子粒子がどのように振る舞うかを理解するのに非常にうまく機能します.
問題は、私たちがどのように話すかです 量子論についてです。波が粒子になる、物事が一度に 2 つの場所 (または 2 つの状態) にある、離れたところにある不気味な動作、そのようなことです。科学者が世界を理解するために日常的に使用している理論に謎をまとわせるのは、ひねくれた行為ではないでしょうか?
問題の一部は、日常のオブジェクトが離散的で、局所化され、明確であるため、量子オブジェクトとは大きく異なることです。しかし、なぜそうなるのでしょうか。なぜ私たちの日常世界は常に「これかあれ」であり、決して「これとと」ではないのか それ"？なぜ、物事が大きくなるにつれて、量子物理学は古典物理学になり、アイザック ニュートンが 3 世紀以上前に書き留めたような法則に支配されるのでしょうか?
このスイッチは量子古典遷移と呼ばれ、何十年も科学者を悩ませてきました。私たちはまだそれを完全には理解していません。しかし、過去 20 年ほどの間に、新しい実験技術により、これまで以上に大きなサイズへの移行が進められてきました。ほとんどの科学者は、技術的な問題により、バスケットボールや人間を一度に 2 か所に配置することは不可能であることに同意しています。しかし、量子から古典への移行に関する新しい理解は、それを妨げるものは原則として何もないことも示唆しています。宇宙の検閲によって、私たちの「通常の」世界とその下に潜む「奇妙な」世界を分離することはできません。言い換えれば、量子の世界は結局それほど奇妙ではないかもしれません.
比類のない靴下のペアを吐き出す壊れた乾燥機を想像してみてください。それらは補完的なコントラストを成しています:一方が赤なら、もう一方は緑です。または、一方が白の場合、もう一方は黒などです。これらのオプションのどれが得られるかは、見てみるまでわかりませんが、できる 一方が赤であることがわかった場合、もう一方が緑であることを確認できます。実際の色が何であれ、それらは互いに相関しています。
この同じマシンの量子力学的バージョンを想像してみてください。 1920 年代半ばに Niels Bohr、Werner Heisenberg、および共同研究者によって開発された量子力学のコペンハーゲン解釈によると、相関状態 (一方の色が他方の色にリンクされている状態) の量子靴下は実際にはありません。私たちが見るまで固定色。 1 つの量子ソックスを見るというまさにその行為が決定します。 もう一方の色。ある意味で見ると、最初の靴下は赤 (したがって、もう一方の靴下は緑) である可能性があります。別のものを見ると、最初は白です (もう 1 つは黒です)。
大雑把に言えば、これらの相互に関連するペアでは、靴下の色は靴下自体をはるかに超えた特徴であると言えます。特定の靴下の色はローカルではありません。つまり、その 1 つの靴下だけのプロパティには含まれていません。 2つの色は絡み合っていると言われています
物理学者のアーウィン・シュレディンガーは、エンタングルメントを量子挙動の鍵と表現し、それを使って有名なパラドックスを構築しました。それは、シュレディンガーが箱の中に閉じ込められていると想像した不運な猫から始まります。箱の中には、何らかの量子イベントの結果によって致死毒が放出されました。この事象は量子的なものだったので、物理学者が重ね合わせ状態と呼んでいるものである可能性があります:毒の放出を引き起こす場合と引き起こさない場合の両方.
これらの重ね合わせは、量子領域にしっかりと存在する原子のような小さな物体では珍しいことではありません。しかし、シュレーディンガーはこの出来事を大きな猫と絡ませたので、その結果は猫が殺され、殺されなかったという逆説的な結論です。
パラドックスに対する従来の解決策は、生きた猫と死んだ猫のような重ね合わせ状態で測定を行うと、選択が強制されるため、重ね合わせが猫を、実際には宇宙全体を、ある状態または別の状態に崩壊させると主張することでした。 :猫は死んでいるか生きているかのどちらかですが、両方ではありません。その視点では、生死の猫を見ることはできません。
しかし、私たちが見る前の猫の状態はどうでしたか?コペンハーゲンの解釈によれば、この質問には意味がありません。現実とは、私たちが観察し、測定できるものであり、本当のとは何かについて疑問に思うことは無意味であると主張しています。
他の人々、特にアルバート・アインシュタインはこれを受け入れることができませんでした。彼らは古典的な「現実主義者」の見方に固執しました。つまり、見た目かどうかに関係なく、すべてのものには特定の客観的特性があるというものです。アインシュタインと 2 人の若い同僚、ボリス ポドルスキーとネイサン ローゼンは、「量子乾燥機」思考実験のバージョンを思いつき、量子論がどのようにパラドックスを引き起こしたかを実証しようと試みました。他の場所。しかし、1980 年代に、レーザー光子の測定により、エンタングルメントが実際にそのように機能することが示されました。これは、「超光速」通信のためではなく、量子特性が真に非局所的であり、複数の粒子に広がる可能性があるためです.
それ以来、実験家たちは、原子と比較すると大きく、実際の猫と比較すると小さい、かつてないほど大きな量子オブジェクトの構築に取り組んできました。彼らはしばしば「シュレーディンガーの子猫」と呼ばれ、急速に成長しています。
これらの子猫が猫になるための鍵の 1 つは、量子コヒーレンスを維持する方法、つまり波のような量子粒子の山と谷が同期を保つ能力を学習することです。量子状態が進化するにつれて、その環境と絡み合い、量子コヒーレンスが周囲に漏れる可能性があります。熱くなった体の熱がより冷たい周囲の環境に放散されるのと少し似ていると非常に大雑把に想像するかもしれません.
別の見方をすると、情報はますます局所的になるということです。量子システムの要点は、非局所的な相関関係があるということは、その部分だけを測定しても、その部分についてすべてを知ることはできないということです。常にいくつかの無知が残っています。対照的に、靴下が赤または緑であることが確立されると、それが何色であるかについて知ることは何もありません.ニューメキシコ州ロスアラモス国立研究所のウォジチェフ・ズレックは、測定装置の状態が決定された後に残る無知の表現を定式化し、彼はこれを量子不和と呼んでいます。古典的なシステムの場合、不一致はゼロです。ゼロより大きい場合、システムにはある程度の量子性があります。
デコヒーレンスは不和を吹き飛ばします。量子現象は、古典的な規則 (重ね合わせ、もつれ、非局所性、すべての時間と場所) に従うものに変換されます。
では、デコヒーレンスが量子性を破壊し始める前に、量子システムはどのくらい大きくなることができるのでしょうか? 1920 年代後半に電子干渉が画期的に観測されて以来、電子のような非常に小さな粒子がコヒーレントな量子波として振る舞うことができることは知られていました。その後すぐに、原子全体の波動特性が実証されました。しかし、コヒーレントな「物質波」を生成することが可能になった 1990 年代になって初めて、原子と分子の量子波干渉が観察されました。
これらの物質の塊は、まだ干渉を受けている間にどれくらい大きくなることができますか? 1999 年、アントン ツァイリンガーとマルクス アーントが率いるウィーン大学のチームは、フラーレン (C60 ) をビームに変換し、100 ナノメートル間隔で配置されたセラミック窒化ケイ素で作られたスリットの格子を通過させ、向こう側で干渉パターンを検出しました。 Arndt と彼の同僚は、この量子うねりが、430 個の原子を含み、最大 6 ナノメートルの直径を含むテーラーメイドの有機分子で持続することを実証しました。これは、電子顕微鏡で見るのに十分な大きさであり、小さなタンパク質のサイズに匹敵します。干渉パターンは、デコヒーレンスによって洗い流される可能性があります。研究者がガスを装置に入れると、干渉パターンは消え、分子と環境との相互作用が増加します。
この干渉は分子が重ね合わせ状態にあることに依存するため (事実上、各分子は一度に複数のスリットを通過します)、分子は分子シュレーディンガーの子猫と考えることができます。しかし、彼らはまだ非常に小さく、明らかに生きていません。たとえば、「シュレディンガーウイルス」の干渉を探すために、サイズスケールを生命が可能になるまで押し上げることができるでしょうか?
このアイデアは、ドイツのガルヒングにあるマックス プランク量子光学研究所の Ignacio Cirac と Oriol Romero-Isart によって提案されました。彼らは、ウイルス (サイズが約 100 ナノメートル以上) だけでなく、クマムシまたはミズナギドリ (サイズが最大 1 mm 程度) と呼ばれる非常に丈夫な微視的生物についても、重ね合わせ状態を準備するための実験的方法を概説しました。これらの物体は、強力なレーザー光場で作られた光トラップで浮揚し、トラップ力場内で振動状態の重ね合わせに誘導されます (ボウルの底でボールが前後に転がるように)。クマムシは宇宙船の外側で生き残ることが示されているため、このような高真空実験の厳しさに耐える可能性があります。ただし、これまでのところ、これは単なる提案です。
しかし、肉眼で見える大きさの物体が絡み合った段階に置かれる可能性があることはすでにわかっています。オックスフォード大学の物理学者である Ian Walmsley が率いるチームは、2011 年にレーザー パルスを使用して、幅 3 mm、間隔 15 cm の 2 つのダイヤモンド結晶のもつれた量子振動 (フォノン) を励起することで、これを達成しました。各フォノンには、約 0.05 x 0.25 mm の結晶領域に対応する約 10 個の原子のコヒーレント振動が含まれます。重ね合わせを作成するために、研究者はまず、ビームスプリッターを使用してレーザー光子をエンタングル状態に配置し、等しい確率でいずれかのダイヤモンドに送信しました。彼らがこの経路を検出しない限り、光子は両方の結晶に絡み合った振動を作り出します。フォノンが励起されると、二次光子が放出されます。研究者は、それがどの結晶に由来するかを調べなくても検出できました。その場合、フォノンは両方のダイヤモンドを包含する意味で、非局所的であると見なされなければなりません.
比較的大きな系の量子効果を調べるもう 1 つの方法は、ナノメートル スケールのカンチレバーやその他の「ナノメカニカル共振器」などの非常に小さな弾力のある構造の振動を研究することです。分子のスケールでは、振動は量子化されます。振動は、明確に定義された周波数で、またはこれらの許可された量子状態の混合された重ね合わせでのみ発生します。ナノメカニカル共振器はまた、理論的には識別可能な量子化された振動状態を持つのに十分なほど小さく軽量です。共振素子の振動状態を読み取る理想的な方法は、その機械的運動を光に結合することです。これは、オプトメカニクスと呼ばれるアプローチです。最も単純な形では、ミラーの 1 つが振動できるようにバネに取り付けられた状態で、光がミラー間を行ったり来たりできるチャンバーを作ることが含まれるかもしれません。
現在、いくつかのグループが、このようなナノスケールのオプトメカニカル システムにおける量子挙動を実証しています。たとえば、コロラド州ボルダーにある国立標準技術研究所のジョン・トイフェルと彼の同僚は、マイクロ波周波数の空洞に結合された、厚さ 100 ナノメートル、幅 15 マイクロメートル (μm) のドラム状のアルミニウム膜を共振器として使用しました。一方、パサデナにあるカリフォルニア工科大学の Oskar Painter とその同僚は、長さ 15 マイクロメートル、断面 600 x 100 ナノメートルの薄いシリコン ビームを使用し、両端を固定しました。これらの物体を見るには顕微鏡が必要ですが、分子に比べて巨大です。発振器が単一の最低エネルギーの振動状態に留まるようにするために、両チームは低温学を使用してデバイスを絶対零度近くまで冷却し、レーザー光線またはマイクロ波を使用して温度をさらに下げました。
これらの共振器で重ね合わせやエンタングルメントなどの量子効果を生成する場合は、それらの量子動作を制御できる必要があります。これを行う 1 つの方法は、量子コンピューターの構築に使用されている種類の 2 状態の「量子ビット」など、自由に状態を切り替えることができる量子オブジェクトに共振器を結合することです。カリフォルニア大学サンタバーバラ校のアンドリュー・クレランドと彼の同僚たちは、窒化アルミニウムの微細なシートでこれを達成しました。重ね合わせ状態の振動子を準備し、環境と絡み合って振動子がどのように分離するかを観察することを望んでいる人もいます。中型のシュレディンガーの子猫が虚空で跳ね回っています。
デコヒーレンスを完全に抑えることができれば、フルサイズのシュレディンガーの猫にたどり着くことができるでしょうか?それほど単純ではないかもしれません。これは、自分が作成したことを知るには、それを見なければならないからです。確かに、システムを測定装置に絡ませるという行為自体が、システムを分離する可能性がありますが、問題はそれよりもさらに悪い可能性があります。現在ガルヒングのマックス・プランク量子光学研究所に所属する物理学者のヨハネス・コフラーとウィーン大学のカスラフ・ブルクナーは、2007年に、大規模な量子系を実験的に研究する行為そのものが、デコヒーレンスがなくても古典的な挙動の出現を誘発する可能性があると提案しました。測定自体が、量子多重度を古典的な一意性に変えることができます。
Kofler と Brukner によると、これは測定が無限に正確ではないためです。教科書では、実験的解像度の限界により、巨視的なシステムで量子離散性を確認することができないという議論がしばしばなされています。たとえば、動いているテニスボールで私たちが知覚するエネルギーの量。しかし、テニス ボールが「古典的」である理由はそれだけではありません。オブジェクトの量子性を実際に排除するわけではないためです。たとえば、テニス ボールの速度の重ね合わせは禁止されています。
Kofler と Brukner は、測定が「粗視化」されている場合、解像度が非常に大きなシステムのいくつかの近接した量子状態を区別するには不十分であるため、時間の経過とともにどのように発展するかを記述する量子力学的方程式は古典的な方程式に崩壊することを示しました。アイザック・ニュートンが考案した力学方程式。 「粗視化測定では、多粒子状態のエンタングルメントまたは非局所的特徴が洗い流されることを厳密に示すことができます」と Brukner は言います。測定がファジーになると、量子物理学から古典物理学が生まれます。これは、「大きな」システム、つまり多くの可能な状態を持つ多くの粒子で構成されるシステムでは常にそうである必要があります。
議論は完全なものではありません。原則として (実際には非常に困難ですが)、システムの一部のプロパティを測定する粗視化では古典性が保証されないような特殊な状況を作成することは可能です。しかし、韓国のソウル国立大学の Hyunseok Jeong と彼の共同研究者たちは、ここでも量子挙動を破壊する測定の側面があることを示しました。 what の避けられないあいまいさに加えて 正確にいつ測定するかについては、ある程度のあいまいさもあります、と Jeong は言います そしてどこ 私たちは測定します：彼が測定基準と呼んでいるもの。これも、量子システムが古典的なシステムのように振る舞うように見せる効果があります。
Kofler は、測定値のデコヒーレンスと粗視化は、古典世界への 2 つの補完的なルートを提供すると述べています。 「十分に強いデコヒーレンスがあれば、測定値に関係なく古典性が得られます」と彼は言います。 「そして、粗粒度の測定を行うと、環境との相互作用に関係なく古典性が得られます。」
この写真は、シュレーディンガーの猫のパズルの驚くべき解像度を提供します。生と死の重ね合わせでは決して見ることができなかった、とブルックナーは言う それ。 「たとえ誰かが目の前でシュレディンガー猫の状態を準備したとしても、十分な精度の機器がなければ、それをそのまま明らかにすることはできません。」つまり、猫を実際に測定しても、古典的な図では説明できないことは何も示されません。オプトメカニカル デバイスの発振器の場合でも、オングストローム (10 メートル) のほんの一部の位置の違いを含む、真の重ね合わせ状態を検出することは困難です。このような理由から、「これらのアイデアを実際の実験でテストするのは非常に困難です」と Jeong 氏は認めています。それでも、彼は楽観的に付け加えます。「近い将来、私のアイデアが実験室でテストされることを期待しています。」
デコヒーレンスが量子古典遷移の完全な説明ではない理由については、他の議論もあります。 1980 年代と 1990 年代に著名な数理物理学者ロジャー ペンローズとハンガリーの物理学者ラヨシ ディオシは、機械系の量子挙動も重力によって乱される可能性があることを示唆しました。もしそうだとすれば、デコヒーレンスを完全に抑制できたとしても、古典的な振る舞いは特定の質量限界で明らかになるということです。重力から隠れることは決してないからです。一方の物体が重力を介して他方の物体の位置を「感じる」場合、量子コヒーレンスを破壊する可能性のある一種の測定になります。
ウィーン大学の Markus Aspelmeyer やカリフォルニア大学サンタバーバラ校の Dirk Bouwmeester などの一部の研究者は、オプトメカニクスを使用してこの種のデコヒーレンスをテストしたいと考えています。提案の中で、Aspelmeyer と同僚は、無重力状態の宇宙衛星で MAQRO と呼ばれる実験を行いたいと考えています。この実験では、粒子が自由落下する際に、直径約 100 ナノメートル (量子的には巨大) の粒子の物質波干渉を非常に敏感に調べることができます。 Penrose と Diósi の重力崩壊のアイデアなどのいくつかの理論では、粒子が十分に大きい場合、干渉は消失するはずであると予測しています。
ごく最近、ハンブルグ大学の物理学者 Roman Schnabel は、重力によるデコヒーレンスの別の実験的テストについて概説しました。これには、それぞれ 100 グラムの重さの 2 つの大きな鏡が含まれ、それらを振動させるバネに取り付けられ、鏡の間で跳ね返る光線と絡み合い、光のもつれ (これは比較的簡単に配置できます) を次のもつれに変換できます。二つの鏡。光をオフにして、その後のマイクロ秒でミラーの振動がどのように変化するかを観察することで、それらの間の量子相関を探し、重力効果による標準的な量子理論によって予測されたものを超えるデコヒーレンス率の偏差を探すことができます。 .
厳密な量子力学的効果がマクロスケールで見られることは間違いありません。極低温の流体が粘性なしで流れる超流動性と、材料が抵抗なしで電流を運ぶ超伝導性の両方がその例です。ある意味では、視覚から物体の堅牢性まで、私たちが経験するほとんどすべてが、量子物理学だけが説明できる効果に依存しています。
しかし、私たちにとって量子物理学の真の特異性 (エンタングルメントと重ね合わせ、つまり量子不一致の保持) と思われるものは別の問題です。これらの効果を確認するために、これらの効果を大きなサイズに拡大する必要がない可能性があります。脳は重ね合わせ状態または絡み合った状態で光子に反応します。一部の研究者は、そのような重ね合わせが網膜から脳に送られる神経信号に持続する可能性があると主張しており、そのためつかの間の「知覚的重ね合わせ」が可能です。
それでも、巨視的に大きなシステムへのエンタングルメントと重ね合わせをエンジニアリングすることは、たとえそれが遠いものであっても、依然として重要な目標です。大規模なシステムをシュレディンガーの猫の状態に置くことは、好奇心が本当に猫を殺すか殺さないかを確認するだけの問題ではありません。実用的な利点もあります。量子効果を使用して処理能力を大幅に向上させる量子コンピューターは、多数の量子ビットのもつれと重ね合わせを実現する必要があります。そのため、スケールが大きくなるにつれてデコヒーレンスがどのように発生するかを理解し、それを抑制する方法を見つけることは、実行可能な量子情報技術の鍵の 1 つです。
しかし、ますます多くの物理学者が、現実のシュレディンガー猫への障害は技術的なものであり、根本的なものではないと結論付けているようです.現時点では、実験で現実的に達成できることには限界があるため、その区別はあまり重要ではないかもしれません。 「巨視的な重ね合わせやエンタングルメントのデコヒーレンスを完全に抑制することは事実上不可能だと思います」と Jeong は言います。 「そして、できたとしても、別の敵である測定の粗大化が、巨視的な量子重ね合わせを殺すのを待っている可能性があります。」しかし、彼は、私たちが十分に優れた機器を開発し、十分に分離されたシステムを開発した場合、量子効果が人間サイズのスケールまで生き残れないと考える理由はないと考えています.これまでのところ、ミクロとマクロの中間にある物体について、その見解と矛盾するものは何も発見されていません.
2,000 年間、共和制におけるプラトンの常識的見解を私たちは想定してきました 私たちの有形の世界に当てはまります。今はよくわかりません。シュレディンガーの子猫が成長するにつれて、奇妙なことは以前ほどではなくなりました.
フィリップ・ボールはの著者です Invisible:The Dangerous Allure of the Unseen および科学と芸術に関する多くの書籍。
