物理学者は量子飛躍を観測し、それを阻止し、そして逆転させる

量子力学が1世紀前、原子スケールの世界を理解するための理論として初めて開発されたとき、その主要概念の一つは非常に革新的で大胆、そして直感に反するものであったため、「量子飛躍」という俗語で広く知られるようになりました。純粋主義者は、この用語を大きな変化に当てはめるという一般的な慣習は、2つの量子状態間の変化は典型的にはごくわずかであるという点を見落としていると反論するかもしれません。だからこそ、これまで気づかれなかったのです。しかし、真のポイントは、それが突然起こるということです。実際、あまりにも突然なので、量子力学の先駆者の多くは、それが瞬間的なものだと考えていました。

新たな実験は、そうではないことを示した。量子飛躍のハイスピードムービーのようなものを撮影することで、このプロセスは太陽の下で雪だるまが溶けるのと同じくらい緩やかであることを明らかにした。「量子飛躍を十分速く、効率的に測定できれば、それは実際には継続的なプロセスです」と、イェール大学のミシェル・デヴォレット氏は述べた。デヴォレット氏の研究室に所属する大学院生、ズラトコ・ミネフ氏が主導したこの研究は、月曜日にネイチャー誌に掲載された。すでに研究者たちの間では興奮が広がっている。「これは本当に素晴らしい実験です」と、この研究には関わっていないマサチューセッツ工科大学の物理学者ウィリアム・オリバー氏は述べた。「本当に驚くべきことです」

しかし、それだけではありません。研究者たちは高速モニタリングシステムを用いて、量子ジャンプが現れそうになった瞬間を捉え、その途中で「キャッチ」し、反転させてシステムを最初の状態に戻すことができました。このようにして、量子の先駆者たちにとって物理世界における避けられないランダム性だと思われていたものが、今や制御可能であることが示されました。私たちは量子を制御できるのです。

すべてがあまりにもランダム

量子ジャンプの突発性は、1920年代半ばにニールス・ボーア、ヴェルナー・ハイゼンベルク、そして彼らの同僚たちが量子論を定式化する上で中心的な柱であり、現在ではコペンハーゲン解釈と呼ばれる概念が提唱されている。ボーアは以前、原子内の電子のエネルギー状態は「量子化」されていると主張していた。つまり、特定のエネルギーのみが利用可能であり、その間のエネルギーはすべて禁制である。彼は、電子がエネルギーを変化させる仕組みとして、許容される電子状態間のギャップに一致するエネルギーを持つ量子光の粒子（光子）を吸収または放出すると提唱した。これは、原子や分子が特徴的な波長の光を吸収・放出する理由、例えば多くの銅塩が青色であり、ナトリウムランプが黄色である理由を説明した。

ボーアとハイゼンベルクは1920年代にこれらの量子現象の数学的理論の構築に着手しました。ハイゼンベルクの量子力学は、許容されるすべての量子状態を列挙し、それらの間の遷移は瞬時、つまり数学者の言葉で言えば不連続であると暗黙のうちに仮定しました。「瞬時の量子遷移という概念は…コペンハーゲン解釈の基礎概念となった」と科学史家マラ・ベラーは記しています。

量子力学のもう一人の立役者であるオーストリアの物理学者エルヴィン・シュレーディンガーは、この考えを嫌った。彼は、一見ハイゼンベルクの離散的な量子状態とそれらの間の瞬間的なジャンプという数学に代わるものと思われたものを考案した。シュレーディンガーの理論は、量子粒子を波動関数と呼ばれる波のような実体で表現した。波動関数は、外洋の穏やかなうねりのように、時間の経過とともに滑らかに連続的に変化する。現実世界の物事はゼロ時間で突然切り替わることはない、とシュレーディンガーは考えていた。不連続な「量子ジャンプ」は単なる心の空想に過ぎないのだ。1952年の論文「量子ジャンプは存在するか？」の中で、シュレーディンガーは断固として「ノー」と答えた。彼がそれを「量子ジャーク」と呼んだことに、彼の苛立ちは明らかだった。

この論争は、シュレーディンガーが突然の変化に不快感を抱いていたことだけを理由としていたわけではない。量子ジャンプの問題は、それが単にランダムな瞬間に起こるとされ、なぜその瞬間に起こるのかを説明するものが何もなかったことにある。つまり、それは原因のない結果であり、自然の核心に押し込まれた見かけ上のランダム性の例だった。シュレーディンガーと親友のアルベルト・アインシュタインは、偶然性と予測不可能性こそが現実の最も根源的なレベルに君臨しているという事実を受け入れることができなかった。ドイツの物理学者マックス・ボルンによれば、この論争全体は「物理学の内部的な問題というよりも、哲学や人類の知識全般との関係の問題」だった。言い換えれば、量子ジャンプの現実性（あるいは非現実性）には多くのことがかかっているのだ。

見ずに見る

さらに詳しく調べるには、量子ジャンプを一つずつ観察する必要があります。1986年、3つの研究チームが、電磁場によって空間に浮かぶ個々の原子において量子ジャンプが起こることを報告しました。原子は、光子を放出できる「明」状態と、光を放出しない「暗」状態の間をランダムに遷移し、数十分の1秒から数秒間、どちらかの状態を維持してから再びジャンプします。

それ以来、このようなジャンプは、光子の量子状態間の遷移から固体物質中の原子の量子化された磁気状態間のジャンプまで、様々なシステムで観測されてきました。2007年には、フランスの研究チームが「個々の光子の誕生、生、そして死」に相当するジャンプを報告しました。

これらの実験では、ジャンプは確かに突然でランダムに見えました。量子システムが監視されていたため、ジャンプがいつ起こるかは予測できず、ジャンプの様子を詳細に描写することもできませんでした。これに対し、イェール大学の研究チームの装置は、ジャンプがいつ起こるかを予測し、ズームインして詳しく調べることができました。この実験の鍵は、ジャンプに関する入手可能な情報をほぼすべて収集できることです。そのため、測定前に情報が環境に漏れ出すことはありません。そうすることで初めて、個々のジャンプをこれほど詳細に追跡できるのです。

研究者たちが用いた量子システムは原子よりもはるかに大きく、超伝導材料で作られたワイヤーで構成されています。人工原子は、実際の原子の電子状態に類似した離散的な量子エネルギー状態を持つことから、「人工原子」と呼ばれることもあります。エネルギー状態間の遷移は、原子内の電子の場合と同様に、光子の吸収または放出によって誘発されます。

デヴォレット氏らは、単一の人工原子が最低エネルギー（基底状態）と高エネルギー励起状態の間を遷移する様子を観察したいと考えました。しかし、量子系を測定すると波動関数のコヒーレンス（滑らかな波のような振る舞い）が破壊されるため、その遷移を直接監視することはできませんでした。量子遷移を観察するには、このコヒーレンスを維持する必要がありました。そうでなければ、波動関数が「崩壊」し、人工原子はどちらか一方の状態に置かれてしまいます。これは、シュレーディンガーの猫でよく例証される問題です。シュレーディンガーの猫は、生状態と死状態のコヒーレントな量子「重ね合わせ」状態にあると言われていますが、観測時にはどちらか一方の状態しか存在しません。

この問題を回避するため、デヴォレット氏らは第二の励起状態を利用する巧妙なトリックを採用した。系は基底状態から異なるエネルギーの光子を吸収することで、この第二の状態に到達できる。研究者たちは、系がこの第二の「明るい」状態にあるかどうかのみを判定する方法で系を検査する。この状態は目に見えるため「明るい」状態と名付けられている。一方、研究者が実際に量子ジャンプを探している状態は「暗い」状態である。なぜなら、この状態は直接観察できないからである。

研究者たちは超伝導回路を光空洞（適切な波長の光子が跳ね回ることができる空間）に設置し、システムが明状態にある場合、空洞内での光の散乱の仕方が変化するようにした。光子の放出によって明状態が減衰するたびに、検出器はガイガーカウンターのクリック音に似た信号を発する。

オリバー氏によると、ここで重要なのは、測定によって系の状態を直接調べることなく、その状態に関する情報が得られるという点だ。実質的には、系が基底状態と暗状態の両方にあるのか、そうでないのかを問うことになる。この曖昧さは、これら2つの状態間の遷移中に量子コヒーレンスを維持するために極めて重要だ。この点で、イェール大学のチームが用いた手法は、量子コンピュータのエラー訂正に用いられる手法と密接に関連しているとオリバー氏は述べた。量子コンピュータにおいても、量子計算の基盤となるコヒーレンスを損なうことなく、量子ビットに関する情報を得る必要がある。繰り返しになるが、これは問題の量子ビットを直接調べるのではなく、それに結合した補助状態を調べることで行われる。

この戦略は、量子測定がプローブによって引き起こされる物理的な摂動ではなく、その結果として何がわかるか（そして何がわからないままにするか）に関するものであることを明らかにする。「ある出来事の不在は、その出来事が存在するのと同じくらい多くの情報をもたらす可能性がある」とデヴォレット氏は述べた。彼はこれを、犬が夜中に何もしなかったという「奇妙な事件」から探偵が重要な手がかりを推測するシャーロック・ホームズの物語に例える。犬を題材にした別のホームズ物語（しかししばしば混同される）から引用し、デヴォレット氏はこれを「バスカヴィルの犬とシュレーディンガーの猫の出会い」と呼んでいる。

ジャンプをキャッチする

イェール大学の研究チームは、検出器から一連のクリック音を観測しました。クリック音はそれぞれ明状態の減衰を示し、通常は数マイクロ秒ごとに発生していました。このクリック音の流れは、数百マイクロ秒ごとに、どうやらランダムに、クリック音が全く聞こえない休止期間によって中断されました。その後、通常は100マイクロ秒程度の休止期間の後、クリック音が再開しました。この沈黙時間の間、システムは暗状態へと遷移していたと考えられます。なぜなら、暗状態こそが、基底状態と明状態の間を行き来するのを防ぐ唯一の手段だからです。

つまり、「クリック」状態から「クリックなし」状態への切り替えには、個々の量子ジャンプが存在します。これは、トラップされた原子などの以前の実験で観察されたものと全く同じです。しかし、今回のケースでは、デヴォレット氏らは新たな発見をすることができました。

暗状態へのジャンプの前には、通常、クリック音が一時停止しているように見える短い期間があります。これは、ジャンプが迫っている前兆となる一時停止です。「クリック音のない期間の長さが、2回のクリック音の間隔の典型的な時間を大幅に超えると、ジャンプが間近に迫っているという確かな警告となります」とデボレット氏は言います。

この警告のおかげで、研究者たちはこの遷移をより詳細に研究することができました。この短い休止を確認した後、研究者たちは遷移を駆動する光子の入力を遮断しました。驚くべきことに、光子が駆動していなくても、暗状態への遷移は起こりました。まるで、この短い休止が始まる頃には、運命は既に決まっているかのようです。つまり、遷移自体はランダムなタイミングで起こるものの、その過程には決定論的な何かが潜んでいるのです。

光子をオフにした状態で、研究者たちは微細な時間分解能で量子ジャンプにズームインし、その展開を観察した。これはボーアとハイゼンベルクの突然の量子ジャンプのように瞬時に起こるのだろうか？それとも、シュレーディンガーが主張したように、滑らかに起こるのだろうか？もしそうなら、どのように起こるのだろうか？

研究チームは、量子ジャンプは実際には段階的であることを発見しました。これは、直接観察ではシステムがどちらか一方の状態にあることしか明らかにできないにもかかわらず、量子ジャンプの間は、システムがこれら2つの最終状態の重ね合わせ、つまり混合状態にあるためです。ジャンプが進むにつれて、直接測定は初期状態ではなく最終状態をもたらす可能性が高まります。これは、私たちの意思決定が時間の経過とともに進化する様子に少し似ています。パーティーに残るか去るかのどちらかしかできません。これは二者択一です。しかし、夜が更け、疲れてくると、「残りますか、それとも去りますか？」という質問に対して、「行きます」という答えが返ってくる可能性が高まります。

イェール大学のチームが開発した技術は、量子ジャンプ中のシステムの思考様式の変化を明らかにしました。トモグラフィー再構成と呼ばれる手法を用いることで、研究者たちは重ね合わせ状態における暗状態と基底状態の相対的な重みを解明することができました。研究者たちは、これらの重みが数マイクロ秒かけて徐々に変化するのを観察しました。これはかなり速いですが、瞬時に起こるわけではありません。

さらに、この電子システムは非常に高速であるため、研究者たちは2つの状態間の切り替えが起こっている瞬間を「捉える」ことができ、その後、光子パルスをキャビティに送り込み、システムをダーク状態に戻すことで、切り替えを逆転させることができます。こうして、システムを説得して考えを変えさせ、結局パーティーに残るようにすることも可能です。

ひらめき

オリバー氏は、「この実験は、量子ジャンプが『よくよく見れば確かに瞬間的なものではなく、一貫したプロセスである』ことを示している」と述べ、「時間の経過とともに展開する実際の物理的イベントである」と付け加えた。

この「ジャンプ」の緩やかな変化は、量子軌道理論と呼ばれる量子理論によって予測されている通りであり、このような個々の事象を記述することができる。「理論が観測結果と完全に一致していることは安心材料です」と、ドイツのアーヘン大学の量子情報の専門家であるデイヴィッド・ディヴィンチェンツォ氏は述べた。「しかし、これは微妙な理論であり、私たちが完全に理解するには程遠いのです。」

デヴォレット氏によると、量子ジャンプを発生直前に予測できる可能性は、火山の噴火に似ているという。個々の噴火は予測不可能だが、その前の異常な静穏期間を観察することで、大規模な噴火を予測できる場合もある。「私たちの知る限り、この[量子ジャンプの]前兆となるシグナルは、これまで提案も測定もされたことはありません」と彼は述べた。

デヴォレット氏は、量子ジャンプの前兆を捉える能力は、量子センシング技術への応用が期待できると述べた。例えば、「原子時計の測定では、基準となる原子の遷移周波数に時計を同期させたい」とデヴォレット氏は述べた。しかし、遷移が起こりそうなことを、遷移が完了するのを待つのではなく、まさにその開始時点で検知できれば、同期はより高速になり、長期的にはより高精度になる可能性がある。

ディヴィンチェンツォ氏は、この研究が量子コンピューティングのエラー訂正にも応用できる可能性があると考えているものの、それは「かなり先の話」だと見ている。しかし、そのようなエラーに対処するために必要なレベルの制御を実現するには、このような徹底的な測定データの収集が必要になるだろう。これは、データ集約型の素粒子物理学における状況とよく似ている、とディヴィンチェンツォ氏は述べた。

しかし、この結果の真の価値は、実用上の利点にあるのではなく、量子の世界の仕組みについて何を学ぶかという点にある。確かに、そこにはランダム性が存在するが、瞬間的な衝撃によって中断されることはない。シュレーディンガーは、まさにその通りで、同時に正しくも間違っていたのだ。

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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