量子ダーウィニズムは現実を現実たらしめるものを説明できるかもしれない

量子物理学が奇妙で直感に反するとして評判なのも無理はありません。私たちが生きている世界は、確かに量子力学的には感じられません。そして20世紀まで、アイザック・ニュートンらによって考案された古典物理学の法則、すなわち物体は常に明確に定義された位置と特性を持つという法則は、あらゆるスケールで成立すると誰もが考えていました。しかし、マックス・プランク、アルバート・アインシュタイン、ニールス・ボーア、そして彼らの同時代人たちは、原子や素粒子の奥深くでは、この具体性が可能性のスープへと溶け込んでしまうことを発見しました。例えば、原子に明確な位置を割り当てることは通常できません。私たちは、原子が様々な場所で見つかる確率を計算することしかできません。そこで、厄介な疑問が生じます。量子確率はどのようにして古典世界の明確な焦点に収束するのでしょうか？

物理学者は、この変化を「量子-古典転移」と呼ぶことがあります。しかし実際には、大きなものと小さなものが根本的に異なるルールを持っている、あるいは両者が突然切り替わると考える理由はありません。過去数十年にわたり、研究者たちは、粒子やその他の微視的系とその周囲の環境との相互作用を通じて、量子力学が必然的に古典力学へと移行する仕組みについて、より深い理解を得てきました。

この理論的枠組みにおける最も注目すべき概念の一つは、古典物理学に結び付けられる物体の明確な特性、例えば位置や速度といった特性が、進化における自然淘汰に大まかに類似したプロセスによって、量子的な可能性のメニューから選択されるという点である。生き残った特性は、ある意味で「最も適応した」特性である。自然淘汰と同様に、生き残ったのは自身の複製を最も多く作る者である。これは、多くの独立した観測者が量子系を測定し、その結果について合意できることを意味する。これは古典物理学の振る舞いの特徴である。

量子ダーウィニズム（QD）と呼ばれるこの考え方は、私たちが世界を、原子や素粒子のスケールで現れる奇妙な形ではなく、私たちが経験する形で体験する理由について多くのことを説明します。この謎の一部は未解明のままですが、QDは量子物理学と古典物理学の間に見られる亀裂を埋めるのに役立ちます。

しかし、量子ダーウィニズムが実験的に検証されたのはごく最近のことだ。イタリア、中国、ドイツでそれぞれ独立して研究を進めている3つの研究グループが、量子システムに関する情報が様々な制御された環境に繰り返し刻印される自然淘汰の過程の明確な兆候を探ってきた。これらの検証はまだ初歩的な段階であり、専門家は、量子力学が提供する多様な選択肢から私たちの具体的な現実がどのように凝縮されるかを量子力学が正確に描写していると確信できるまでには、まだ多くの課題があると述べている。しかしながら、これまでのところ、この理論は妥当性を示している。

適者生存

量子ダーウィニズムの核心にあるのは、測定という曖昧な概念、つまり観察を行うプロセスです。古典物理学では、見ているのは単に物事のありのままの姿です。テニスボールが時速200キロメートルで飛んでいるのを観察するのは、それがその速度だからです。それ以上に何を言うべきでしょうか？

量子物理学においては、もはやそれは真実ではありません。量子力学の正式な数学的手順が、量子物体における「物事のあり方」について何を述べているのかは全く明らかではありません。それらは、測定を行えば何が観測されるかを示す単なる指示に過ぎません。例えば、量子粒子が複数の状態を取り得ることを例に挙げましょう。これは「重ね合わせ」として知られています。これは、実際には粒子が同時に複数の状態にあることを意味するのではなく、測定を行えばそれらの結果のいずれかが観測されることを意味します。測定前には、様々な重ね合わせ状態が波のように互いに干渉し合い、高い確率または低い確率で結果を生み出します。

しかし、なぜ量子重ね合わせは観測できないのでしょうか？粒子の状態に関するあらゆる可能性が、人間のスケールまで到達できないのはなぜでしょうか？

よく挙げられる答えは、重ね合わせは脆く、繊細な量子系がノイズの多い環境にさらされると簡単に崩れてしまうというものです。しかし、これは必ずしも正しくありません。任意の2つの量子物体が相互作用すると、互いに「エンタングルメント（絡み合い）」し、共有量子状態に入り、その状態においてそれぞれの特性の可能性は相互に依存します。例えば、ある原子が、スピンと呼ばれる量子特性について「上向き」と「下向き」の2つの可能な状態の重ね合わせ状態にあるとします。この原子は空気中に放出され、空気分子と衝突してエンタングルメント状態になります。こうして、2つの原子は共同重ね合わせ状態になります。原子のスピンが上向きであれば、空気分子は一方に押しやられる可能性があり、原子のスピンが下向きであれば、空気分子は別の方向に進みます。そして、これら2つの可能性が共存します。粒子が他の空気分子との衝突をさらに経験するにつれて、エンタングルメントは広がり、当初は原子に特有であった重ね合わせは、ますます拡散していきます。原子の重ね合わせ状態は、もはや互いに干渉し合うことはありません。なぜなら、それらは周囲の環境（おそらくは大型の計測機器も含む）の他の状態とエンタングルメントしているためです。その計測機器にとっては、原子の重ね合わせ状態は消え去り、もはや互いに干渉しない、古典的な結果の可能性のある選択肢に置き換わったように見えます。

この「量子性」が環境に消え去る過程は、デコヒーレンスと呼ばれます。これは量子-古典遷移の重要な部分であり、相互作用する多数の粒子を含む大規模システムにおいて量子挙動が観測困難になる理由を説明しています。この過程は非常に速く起こります。空気中に浮遊する典型的な塵粒子を、粒子自体の幅ほど離れた2つの異なる物理的位置の量子重ね合わせ状態に置くと、空気分子との衝突により約10の−31乗秒でデコヒーレンスが生じ、重ね合わせが検出できなくなります。真空中であっても、光子はこのようなデコヒーレンスを非常に速く引き起こします。重ね合わせを破壊せずに粒子を観測することはできません。

驚くべきことに、デコヒーレンスは量子力学の直接的な帰結であるにもかかわらず、1970年代に故ドイツ人物理学者ハインツ＝ディーター・ツェーによって初めて特定されました。ポーランド系アメリカ人物理学者ヴォイチェフ・ズーレクは1980年代初頭にこの概念をさらに発展させ、より広く知られるようになりました。現在では、デコヒーレンスを裏付ける優れた実験的裏付けがあります。

しかし、客観的で古典的な実在の出現を説明するには、デコヒーレンスによって量子的な振る舞いが洗い流され、観測者にとってそれが古典的なものに見えるようになるというだけでは不十分です。どういうわけか、複数の観測者が量子系の性質について合意することは可能です。ニューメキシコ州ロスアラモス国立研究所に勤務するズーレク氏は、それゆえ2つのことが真実でなければならないと主張しています。

まず、量子系は、環境による破壊的なデコヒーレンスに対して特に堅牢な状態を持たなければなりません。ズーレックはこれを「ポインター状態」と呼んでいます。これは、計測器の目盛りの針の状態に符号化できるためです。例えば、粒子の特定の位置、速度、量子スピンの値、あるいは分極方向などは、計測器上のポインターの位置として記録できます。ズーレックは、古典的な振る舞い、つまり明確に定義され、安定した客観的な特性の存在は、量子物体のポインター状態が存在するからこそ可能になると主張しています。

ポインタ状態の数学的に特別な点は、デコヒーレンスを引き起こす環境との相互作用によってポインタ状態が乱されないことです。つまり、ポインタ状態は保存されるか、あるいはほぼ同一に見える状態へと単純に変換されます。これは、環境が量子性を無差別に押し潰すのではなく、一部の状態を選択し、他の状態を破壊することを意味します。例えば、粒子の位置はデコヒーレンスの影響を受けにくいです。しかし、異なる位置の重ね合わせはポインタ状態ではありません。環境との相互作用によって、それらは局所的なポインタ状態にデコヒーレンスされ、観測できるのは1つだけです。ズーレクは1980年代に、このポインタ状態の「環境誘起による超選択」について説明しました。

しかし、量子特性を観測するには、もう一つの条件を満たす必要があります。環境との相互作用に対する耐性はポインタ状態の安定性を保証しますが、それでも何らかの方法でその情報を得る必要があります。それが可能になるのは、その情報が物体の環境に刻み込まれている場合のみです。例えば、物体を見るとき、その情報は光子の散乱によって網膜に届けられます。光子は、物体の特定の側面の部分的な複製という形で情報を運び、位置、形状、色などについて何かを語ります。多くの観測者が測定値に同意するには、多数の複製が必要です。これは古典性の特徴です。したがって、ズーレクが2000年代に主張したように、ある特性を観測できるかどうかは、それがポインタ状態として選択されるかどうかだけでなく、それが環境にどれだけの影響を与えるかにも依存します。環境内で複製を作成するのに最も優れた状態、いわゆる「最も適応した状態」だけが、測定可能な状態です。だからこそ、ズーレクはこの考え方を量子ダーウィニズムと呼んでいるのです。

環境誘起によるポインタ状態の超選択を促進するのと同じ安定性特性が、量子ダーウィン適応度、つまり複製を生成する能力も促進することが判明した。「環境は、監視活動を通じてシステムのデコヒーレンスを引き起こします」とズレック氏は述べた。「そして、デコヒーレンスを引き起こすまさにそのプロセスが、環境内に情報の複数のコピーを刻み込むはずです。」

情報過多

もちろん、量子システムに関する情報が環境に刻み込まれ、それが実際に人間の観察者によって読み取られるかどうかは問題ではありません。古典的な振る舞いが出現するために重要なのは、情報が原理的に読み取れる形でそこに到達することです。「システムが古典的になるためには、形式的な意味で研究されている必要はありません」と、カナダのウォータールーにあるペリメーター理論物理学研究所の物理学者で量子ダーウィニズムの提唱者であるジェス・リーデルは述べています。「量子ダーウィニズムは、実験室には存在しない、あるいは人間が存在する以前から存在していた日常的なマクロな物体を含め、古典性のすべてを説明する、あるいは説明するのに役立つと考えられます。」

約10年前、リーデルがズレックと共に大学院生として研究していた頃、二人は、いくつかの単純で理想的な量子システムの情報は「環境に大量にコピーされる」ことを理論的に示した。リーデルによれば、「そのため、変数の値を推測するには、環境のほんの一部にアクセスするだけで済む」という。彼らの計算によると、直径1マイクロメートルの塵粒子は、太陽光にわずか1マイクロ秒照射されると、散乱した光子の中にその位置が約1億回刻み込まれるという。

この冗長性があるからこそ、客観的で古典的な性質が存在するのです。10人の観測者がそれぞれ塵粒子の位置を測定し、それが同じ場所にあると判断できます。なぜなら、それぞれが情報の異なる複製にアクセスできるからです。この見方では、塵粒子に客観的な「位置」を割り当てることができるのは、塵粒子がそのような位置を「持っている」（それが何を意味するにせよ）からではなく、その位置状態が環境中に多数の同一の複製を刻み込むことができるためであり、それによって異なる観測者が合意に達することができるからです。

さらに、利用可能な情報のほとんどを収集するために、環境の大部分を監視する必要はありません。また、環境の一部以上を監視しても、得られる情報が大幅に増えることはありません。「システムについて収集できる情報はすぐに飽和状態になります」とリーデル氏は述べています。

この冗長性こそが量子力学の際立った特徴だと、ベルファスト・クイーンズ大学の物理学者で、3つの新しい実験のうちの1つに参加したマウロ・パテルノストロ氏は説明する。「これは古典性への移行を特徴づける性質なのです」と彼は言う。

スペイン、セビリア大学の理論物理学者アダン・カベロ氏によると、量子ダーウィニズムは量子力学に関する一般的な誤解に異議を唱えるものである。それは、量子世界と古典世界の間の遷移は理解されておらず、測定結果は量子理論では記述できないというものである。それどころか、カベロ氏は「量子理論は古典世界の出現を完璧に記述する」と述べた。

しかし、どの程度完璧に実現できるかは依然として議論の的となっている。一部の研究者は、デコヒーレンスと量子ドットが量子古典遷移の完全な説明を提供すると考えている。しかし、これらの考え方は、なぜ大規模では重ね合わせが消え、具体的な「古典的な」特性だけが残るのかを説明しようとするものであるものの、測定結果がなぜ一意の結果をもたらすのかという疑問は依然として残る。粒子の特定の位置が選択されると、その量子記述に内在する他の可能性はどうなるのだろうか？それらはそもそも現実のものだったのだろうか？研究者たちは、この問いに実験的に答える方法を誰も見つけられないがゆえに、量子力学の哲学的解釈を採用せざるを得ないのだ。

研究室へ

量子ダーウィニズムは理論上はかなり説得力があるように見える。しかし、最近までその程度にしか進んでいなかった。昨年、3つの研究チームがそれぞれ独立してこの理論を実験的に検証し、その重要な特徴、すなわち量子システムがどのようにして自身の複製を環境に刻み込むのかを探ってきた。

実験は、量子システムに関するどのような情報が環境に伝達されるかを綿密に監視できるかどうかにかかっていました。例えば、無数の空気分子の中に漂う塵粒子では、これは現実的ではありません。そこで2つのチームは、数個の粒子しか存在しない一種の「人工環境」の中に量子物体を作り出しました。どちらの実験も――1つはローマ・ラ・サピエンツァ大学のパテルノストロ氏と共同研究者によるもので、もう1つは中国科学技術大学の量子情報専門家、潘建偉氏と共著者によるものです――単一の光子を量子システムとして用い、少数の光子を「環境」として用いて、光子と相互作用し、情報を送信しました。

両チームは、レーザー光子を光学装置に通し、多重エンタングルメントを形成した。次に、環境光子を調べ、それがシステム光子のポインタ状態（この場合は偏光（振動する電磁場の向き））についてどのような情報をエンコードしているかを調べた。これは、量子ダーウィン淘汰のフィルターを通過できる量子特性の一つである。

QDの重要な予測は飽和効果です。量子系について収集できるほぼすべての情報は、周囲の粒子をほんの一握り監視するだけで得られるはずです。「相互作用する環境のどんな小さな部分でも、観測対象系に関する最大限の古典情報を提供するのに十分です」とパン氏は述べています。

両チームはまさにこのことを発見した。環境光子の1つを測定するだけで、システム光子の偏光に関する多くの情報が得られ、環境光子の割合を増やすと、収穫逓減の現象が見られた。パン氏は、たとえ1つの光子であっても、孤立したシステム光子と十分に強く相互作用すれば、デコヒーレンスと選択を引き起こす環境として作用する可能性があると説明した。相互作用が弱い場合は、より広い環境を監視する必要がある。

量子ドットの3番目の実験的検証は、ドイツのウルム大学の量子光物理学者フェドール・イェレツコがズレックらと共同で行ったもので、ダイヤモンドの結晶格子中の炭素原子を孤立した窒素原子が置換するという、全く異なるシステムと環境が用いられた。これはいわゆる窒素空孔欠陥である。窒素原子は炭素原子よりも電子を1つ多く持つため、この過剰な電子は隣接する炭素原子の電子と対になって化学結合を形成することができない。その結果、窒素原子の不対電子は孤立した「スピン」として振る舞い、これは上向きまたは下向きの矢印、あるいは一般的には両方向の重ね合わせのような形をとる。

このスピンは、ダイヤモンド中に存在する約0.3%の炭素原子核（同位体炭素13）のスピンと磁気的に相互作用します。炭素13は、より豊富な炭素12とは異なり、スピンを持っています。平均して、窒素空孔スピン1つは、約1ナノメートル以内の距離にある4つの炭素13スピンと強く結合しています。

研究者たちは、レーザーと高周波パルスを用いてスピンを制御・監視することで、窒素スピンの変化が環境の核スピンの変化にどのように記録されるかを測定することができました。昨年9月のプレプリント論文で報告したように、彼らもまた量子ドットによって予測される特徴的な冗長性を観察しました。窒素スピンの状態は周囲に複数のコピーとして「記録」され、環境を考慮するにつれてスピンに関する情報は急速に飽和します。

ズーレック氏によると、光子実験では実際の環境を模倣した人工的な方法でコピーを作成するため、デコヒーレンス耐性を持つ「自然な」ポインタ状態を選択する選択プロセスが組み込まれていないという。むしろ、研究者自身がポインタ状態を強制するのだ。対照的に、ダイヤモンド環境はポインタ状態を誘発する。「ダイヤモンド方式にも、環境の大きさという問題があります」とズーレック氏は付け加え、「しかし、少なくとも、まあ、自然と言えるでしょう」。

量子ダーウィニズムの一般化

量子ダーウィニズムは今のところ順調だ。「これらの研究はすべて、少なくとも大まかには予想通りの結果を示しています」とズレック氏は述べた。

しかしリーデル氏は、それ以外のことはほとんど期待できないと述べている。「彼の見解では、量子力学とは、量子系とその環境との相互作用に標準的な量子力学を注意深く体系的に適用したものに過ぎません。ほとんどの量子測定において、これは実際には事実上不可能ですが、測定を十分に単純化できれば予測は明確になります」と彼は述べた。「量子力学は、量子理論そのものの内部的な自己整合性検証に最も似ています。」

しかし、これらの研究は量子力学と一致しているように見えるものの、それが古典性の出現の唯一の記述であること、あるいはそれが完全に正しいことの証拠と見なすことはできない。カベロ氏によると、まず第一に、3つの実験は現実の環境がどのようなもので構成されているかを模式的に示したに過ぎない。さらに、これらの実験は古典性の出現を他の視点から捉えることを明確に排除するものではない。例えば、ポーランドのグダニスク工科大学のパヴェル・ホロデッキ氏らが開発した「スペクトルブロードキャスト」と呼ばれる理論は、量子力学の一般化を試みるものである。スペクトルブロードキャスト理論（これはいくつかの理想的なケースについてのみ検討されている）は、量子もつれのあるシステムと環境において、多くの観測者がそのシステムを乱すことなく客観的な情報を得ることができる状態を特定する。言い換えれば、この理論は、異なる観測者が環境内のシステムのレプリカにアクセスできるだけでなく、それによって他のレプリカに影響を与えないことを保証することを目指している。これもまた、真に「古典的な」測定の特徴である。

ホロデッキ氏をはじめとする理論家たちは、量子力学を、世界をシステムとその環境に恣意的に分割することを要求するのではなく、様々な量子システム間の相互作用から古典的現実がどのように出現するかのみを考察する理論的枠組みに組み込もうと試みてきた。パテルノストロ氏は、これらの理論の予測間の微妙な違いを識別できる実験手法を見つけるのは難しいかもしれないと述べている。

それでも、研究者たちは試みを続けており、その試み自体が量子領域の仕組みを探る能力を高めることになるはずだ。「これらの実験を行う最大の理由は、おそらく良い練習になるということでしょう」とリーデル氏は述べた。「量子ドットを直接的に実証するには、既存の実験技術の限界を押し広げるような非常に困難な測定が必要になる場合があります。」測定の真の意味を理解する唯一の方法は、より良い測定を行うことであるように思われる。

オリジナルストーリーは、数学、物理科学、生命科学の研究の進展や動向を取り上げることで科学に対する一般の理解を深めることを使命とする、シモンズ財団の編集上独立した出版物であるQuanta Magazineから許可を得て転載されました。

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