量子イベントの視聴者も不確実性にさらされている

この物語 のオリジナル版はQuanta Magazineに掲載されました。

駅のプラットホームに立って、トロッコが通り過ぎるのを見ているところを想像してみてください。トロッコに乗っていた女の子が真っ赤なボールを落とします。彼女にはボールがまっすぐ下に落ちていくように見えます。しかし、プラットホームから見ると、ボールは弧を描いてからトロッコの床に落ちるのが見えます。二人は同じ出来事を観察していますが、それぞれ異なる参照系から観察しています。片方はトロッコに固定され、もう片方はプラットホームに固定されているのです。

基準系の概念は古典物理学において長い歴史を誇ります。アイザック・ニュートン、ガリレオ、そしてアルバート・アインシュタインは皆、運動の研究において基準系に依拠していました。基準系とは本質的に、あるゼロ点、つまり「原点」を基準として位置と時間を指定する座標系であり、それ自体が運動している可能性も否定できません。アインシュタインは基準系を用いて相対性理論を展開し、空間と時間は宇宙の固定された背景ではなく、伸びたり縮んだり歪んだりする弾性体であることを明らかにしました。

しかし、量子物理学はこれまで、参照系をほとんど無視してきました。量子物理学の多くの実験に登場する架空の観測者であるアリスとボブは、通常、物理的には異なる場所にいますが、共通の参照系を持っていると想定されています。しかし、これは今、変わりつつあります。量子物理学者たちは、アリスが固定されている参照系（トロリーやプラットフォームのようなもの）が、同時に複数の位置を持つ可能性があるという事実を無視できないことに気づき始めています。あるいは、ボブが時間を計測するために使っている時計が、量子不確定性の影響を受けている可能性もあるのです。

「量子の世界では、基準フレームも量子理論の形式論によって記述されるはずだ」と、スイス連邦工科大学チューリッヒ校の理論物理学者レナト・レナー氏は語った。

ウィーン大学量子光学・量子情報研究所の物理学者チャスラフ・ブルックナー氏らは今年発表した論文で、量子座標系が重ね合わせやエンタングルメントといった長年研究されてきた量子現象に新たな視点をもたらすことを示した。この発見から、レナー氏は量子座標系が量子思考実験で生じる奇妙なパラドックスのいくつかを解決するのに役立つのではないかと考えている。

さらに野心的に、ブルックナー氏とその同僚は、量子基準系の論理を徹底的に考えることで、量子重力に関する新たな洞察が得られるかもしれないと期待している。量子重力とは、重力を他の基本的な力と同じ理論的枠組みに組み入れようとする研究プログラムである。

量子参照フレームへのこの新たな進出について、レナー氏は「私たちはまだ非常に大きなことの始まりに過ぎない」と語った。

曖昧な場所

量子座標系の概念は1984年に初めて導入されましたが、2019年頃に複数のグループによって復活し、近年の研究が急増しました。これらの議論は、2つの典型的な量子特性、すなわち物体が複数の状態を同時に取り得る重ね合わせと、異なる粒子が単一の量子状態を共有する量子もつれ（つまり、粒子間の距離に関係なく、一方の粒子を測定するともう一方の粒子の状態が瞬時に決定される）に対する考え方を変えるよう促しています。

どのように動作するかを確認するために、2つの参照系を考えてみましょう。これらをAとBと名付けます。Aの原点は、様々な場所に出現する確率を持つ量子物体に固定されているとします。Bの視点から見ると、Aの位置は特定の領域に分散して見えます。しかし、Aの視点から見ると、Bまでの距離は分散して見えます。Bは重ね合わせ状態にあるように見えます。

さらに良くなる。もしBが、二つの位置の重ね合わせにある量子物体にも固定されていたらどうなるだろうか？そうすると、Aの量子状態は、Bの取り得る位置に応じて、二つの異なる方法で拡散する。Bの量子状態が決定されればAの状態も決定されるため、AとBはエンタングルメント状態になる。

上記の例では、量子システムの2つの本質的な特性、すなわち重ね合わせとエンタングルメントが、参照フレームに依存することが判明しています。「重要なメッセージは、私たちが非常に重要で、ある意味で絶対的だと考えている多くの特性が、関係的、つまり相対的であるということです」と、最近の論文の共著者であるアンヌ＝カトリーヌ・ドゥ・ラ・ハメット氏は述べています。

事象の順序さえも、量子座標系の厳密さに屈する。例えば、ある座標系では、検出器のクリック音がある特定の時間に発生したと観測されるかもしれない。しかし、別の座標系では、そのクリック音は他の事象の前後に発生した重ね合わせの状態で観測される可能性がある。クリック音を特定の時間に発生したものとして観測するか、異なる順序の事象の重ね合わせとして観測するかは、座標系の選択によって決まる。

重力への踏み石

研究者たちは、こうした量子的な視点の変化を利用して、重力の不可解な性質を解明したいと考えている。重力の古典理論であるアインシュタインの一般相対性理論によれば、重力とは質量の大きい物体によって時空が歪むことである。しかし、物体自体が二つの位置の重ね合わせ状態にある場合、時空はどのように歪むのだろうか？「通常の量子物理学と重力では、この問いに答えるのは非常に難しい」と、ブルックナー研究グループの研究者であり、今回の論文の共著者であるヴィクトリア・ケーベル氏は述べた。

しかし、原点が重ね合わせにあるような基準系に切り替えると、質量の大きい物体は特定の位置に到達する可能性があります。これにより、その重力場を計算することが可能になります。「便利な量子基準系を見つけることで、これまで解決できなかった問題を、既存の標準的な物理学を適用できる問題に変えることができます」とケーベル氏は述べています。

このような視点の変化は、極めて小さな質量を重ね合わせた状態に置くことを目的とした将来の実験を分析するのに役立つはずです。例えば、オックスフォード大学の物理学者キアラ・マルレットとヴラトコ・ヴェドラルは、2つの質量をそれぞれ2つの位置の重ね合わせに置き、それがそれぞれの重力場にどのような影響を与えるかを調べることを提案しています。量子基準系を正式に記述しようとする最近の試みは、重力と量子理論の相互作用に関するこれらの研究を理解するのに役立つ可能性があり、これは量子重力理論への重要な足がかりとなります。

レナーは、量子座標系が量子物理学の基礎を解明する上で中心的な役割を果たす可能性があると考えている。数年前、彼と同僚のダニエラ・フラウチガーは、論理矛盾を生み出す量子思考実験を設計した。結果として生じたパラドックスは、物理学者が私たちの世界について広く受け入れられている多くの概念のうち、少なくとも一つを放棄しなければならないことを示唆しているように思われる。例えば、量子論は普遍的であり、原子だけでなく人間にも当てはまるという概念などだ。

しかしレナー氏は現在、このパラドックスは物理学者が量子座標系を注意深く考慮していないために生じたのではないかと疑っている。この思考実験や他の思考実験を量子座標系を用いて書き換える方法はまだ誰も解明していないが、そうすることで「パラドックスの解決につながる可能性が非常に高い」とレナー氏は述べた。

量子座標系には未解決の問題が山積しているため、容易な道のりではないでしょう。例えば、古典座標系では、視点をある座標系から別の座標系へ変更しても、この変換は可逆的であり、元の視点に戻ることができます。しかし、量子座標系ではこれが現時点で普遍的に可能であるかどうかは明らかではありません。

また、現時点では、量子参照系を定義し、それらを相互に変換する標準的な方法はありません。物理学者のグループごとにアプローチが異なります。「一見するとどれも合理的に見えますが、互いに同等ではありません」とレナー氏は言います。

しかし、最終的には、量子の世界を理解するために量子参照フレームが不可欠であることが証明されるかもしれません。

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。