量子世界の抜け穴と「反実在論」

理論物理学者ジョン・ウィーラーはかつて、光源から光子計数器へと向かう光の粒子を「煙のような巨大な竜」と表現した。「竜の口は鋭く、計数器に噛み付く。竜の尻尾も鋭く、光子が始まる場所だ」とウィーラーは記している。言い換えれば、光子は始まりと終わりにおいて明確な実体を持つ。しかし、中間にある状態、つまり竜の体の状態は漠然としている。「その間の竜の行動や姿については、我々には口出しする権利はない」

ウィーラーは、量子素現象は観測されるまで実在しないという見解、つまり反実在論と呼ばれる哲学的立場を主張していた。彼は、光子などの量子物体は常に明確な固有の性質を持つという実在論（より古典的な現実観を包含する立場）を堅持すれば、未来が過去に影響を与える可能性があることを認めざるを得なくなることを示す実験を設計した。逆方向への時間旅行の不合理性を考慮すると、ウィーラーの実験は量子レベルにおける反実在論の論拠となった。

しかし5月、ブラジルのナタールにある国際物理学研究所のラファエル・チャベス氏らは、抜け穴を発見した。彼らは、ウィーラー氏の実験は、特定の仮定を前提とすれば、光子に固有の性質を付与する古典的モデルを用いて説明できることを示した。彼らはドラゴンに明確に定義された物体を与えたが、それは標準的な量子力学の数学的形式からは隠されていた。

チャベス氏のチームは、この抜け穴を検証するために、ウィーラー氏の実験に工夫を加えることを提案した。異例の速さで、3つのチームがこの修正実験に着手した。6月初旬に報告された彼らの結果は、実在論を主張する古典的モデルではこの実験結果を説明できないことを示した。量子力学は奇妙な理論かもしれないが、奇妙なことに、依然として最もシンプルな説明である。

ドラゴントラップ

ウィーラーは1983年に、量子力学における主要な概念的難問の一つである波動粒子二重性を浮き彫りにするためにこの実験を考案した。量子物体は粒子のように振舞うか波のように振舞うかのどちらかに見えるが、同時に両方のように振舞うことはない。量子力学のこの特徴は、物体は観測されるまでは固有の実在性を持たないことを示唆しているように思われる。「物理学者は1世紀もの間、量子論の本質的かつ奇妙な特徴である波動粒子二重性と格闘しなければならなかった」と、マサチューセッツ工科大学の物理学者で科学史家のデイビッド・カイザー氏は述べている。「この考えは、ハイゼンベルクの不確定性原理やシュレーディンガーの猫といった、量子論の他の典型的な奇妙な特徴よりも古い。」

この現象は、マッハ・ツェンダー干渉計と呼ばれる有名な二重スリット実験の特殊なケースによって強調されています。

この実験では、単一の光子を半銀鏡、つまりビームスプリッターに照射します。光子は等確率で反射または透過するため、2つの経路のいずれかを取ることができます。この場合、光子は経路1または経路2のいずれかを取り、その後、検出器D1またはD2に等確率で到達します。光子は分割できない全体であるかのように振る舞い、粒子のような性質を示しています。

しかし、ちょっとした工夫があります。経路1と経路2が交差する地点に、2つ目のビームスプリッターを追加することで、状況が変わります。この設定では、量子力学によれば、光子は波のように両方の経路を同時に進むように見えます。2つの波は2つ目のビームスプリッターで再び合流します。実験は、波がD1に向かう場合にのみ、ピーク同士、谷同士が建設的に合流するように設定できます。一方、D2に向かう経路は、相殺的な干渉を表します。このような設定では、光子は常にD1に存在し、D2には決して存在しません。ここで、光子は波としての性質を示します。

ウィーラーの天才的な発想は、次の点にあった。「第2のビームスプリッターを追加するかどうかの選択を遅らせたらどうなるだろうか？」と。仮に、第2のビームスプリッターが取り付けられていない状態で光子が干渉計に入るとしよう。光子は粒子のように振舞うはずだ。しかし、第2のビームスプリッターを最後のナノ秒で追加することもできる。理論と実験の両方から、それまで粒子のように振舞い、D1かD2のどちらかに進んでいたはずの光子が、波のように振舞い、D1にのみ進むようになることが分かっている。そのためには、光子がどちらか一方の経路ではなく、両方の経路に同時に存在するように見えなければならなかった。古典的な考え方では、まるで光子が過去に戻り、粒子から波へと性質を変えたかのようだ。

このような逆因果律を避ける一つの方法は、光子の本質的な実在性を否定し、測定によってのみ光子は実在すると主張することである。そうすれば、元に戻す余地は何もない。

量子力学のコペンハーゲン解釈としばしば結び付けられるこうした反実在論は、少なくともこの実験の文脈においては、チャベスの研究によって理論的に打撃を受けた。彼のチームは、量子力学の直感に反する側面を、コンピューター科学者のジューディア・パールらが提唱し、過去 10 年で人気が高まっている因果モデリングと呼ばれる新しい一連のアイデアを用いて説明しようとした。因果モデリングでは、実験のさまざまな要素間の因果関係を確立する。相関のあるイベント (これらを A と B と呼ぶ) を研究する際に、A が B を引き起こす、あるいは B が A を引き起こすと断言できない場合は、これまで疑われていなかった、あるいは「隠れた」第 3 のイベント C が両方の原因となっている可能性がある。このような場合、因果モデリングは C を発見するのに役立つ。

チャベス氏と同僚のガブリエラ・レモス氏、ジャック・ピエナール氏は、ウィーラーの遅延選択実験に焦点を当てた。彼らは、光子の本質的実在性を認めつつ、逆因果律を援用することなくその挙動を説明できる隠れたプロセスを持つモデルを見つけることは不可能だと覚悟していた。彼らは、遅延選択実験が「それを説明できる因果モデルが存在しないという意味で、極めて直感に反する」ことを証明できると考えていたとチャベス氏は述べた。

しかし、彼らは驚くべき結果に直面することになった。課題は比較的容易だったのだ。彼らはまず、光子が最初のビームスプリッターを通過した直後に「隠れた変数」と呼ばれる固有の状態を持つと仮定した。ここで言う隠れた変数とは、標準的な量子力学には存在しないが、光子の挙動に何らかの影響を与えるもののことである。実験者は次に、2つ目のビームスプリッターを追加するか削除するかを選択する。因果モデルは過去の時間移動を禁じているため、実験者の選択が光子の過去の固有の状態に影響を与えないことが保証される。

隠れた変数、つまり実在性を示唆する変数を与えられた研究チームは、その変数の値と第二のビームスプリッターの有無を用いて、量子力学の予測を模倣する方法で光子をD1またはD2に導く規則を記述することが可能であることを示した。これは古典的で因果的で現実的な説明であり、彼らは新たな抜け穴を発見したのだ。

ニューヨーク大学上海校の理論量子物理学者ティム・バーンズ氏は、この結果に一部の物理学者を驚かせたと述べた。「人々があまり理解していなかったのは、この種の実験は、実験結果を完全に模倣する古典的なバージョンに影響を受けやすいということです」とバーンズ氏は述べた。「量子力学を介さない隠れた変数理論を構築できるのです。」

「これがゼロステップでした」とチャベス氏は語った。次のステップは、ウィーラーの実験をどのように修正すれば、この古典的な隠れた変数理論と量子力学を区別できるかを見つけることだった。

彼らの修正された思考実験では、マッハ・ツェンダー干渉計全体はそのままで、2つ目のビームスプリッターは常に存在する。代わりに、実験の開始時と終了時にそれぞれ1つずつ存在する2つの「位相シフト」が、研究者が自由に調整できる実験ダイヤルの役割を果たす。

2つの位相シフトの最終的な効果は、経路の相対的な長さを変えることです。これにより干渉パターンが変化し、それに伴い、光子の「波のような」あるいは「粒子のような」振る舞いと想定される挙動も変化します。例えば、最初の位相シフトの値は光子が干渉計内で粒子のように振る舞うような値になる可能性がありますが、2番目の位相シフトは光子を波のように振る舞わせる可能性があります。研究者たちは、2番目の位相シフトを最初の位相シフトよりも後に設定することを要求しています。

この設定を整えて、チャベスのチームは古典的な因果モデルと量子力学を区別する方法を思いついた。最初の位相シフトは3つの値のうちの1つを取り、2番目の位相シフトは2つの値を取るとしよう。これで全部で6つの実験設定が可能になる。彼らは、これら6つの設定それぞれについて、何が起こると予想されるかを計算した。ここで、古典的な隠れた変数モデルと標準的な量子力学の予測は異なる。次に、彼らは式を作成した。この式は、光子が特定の検出器に当たる回数（2つの位相シフトの設定に基づく）から計算された確率を入力として取る。式がゼロに等しい場合、古典的な因果モデルで統計を説明できる。しかし、式がゼロより大きい数を吐き出す場合、隠れた変数に対する何らかの制約を条件として、実験の結果に対する古典的な説明は存在しない。

チャベス氏は、ローマ・ラ・サピエンツァ大学の量子物理学者ファビオ・シアリーノ氏とその同僚らと共同で、この不等式を検証した。同時に、中国合肥市にある中国科学技術大学（USTC）の実験物理学者、潘建偉氏が率いるチームと、同じくUSTCの郭光燦氏が率いるチームの2つのチームが、この実験を行った。

各チームは少しずつ異なる方法でこの方式を実装した。郭氏のグループは基本に忠実に従い、実際のマッハ・ツェンダー干渉計を用いた。「ウィーラー氏の当初の提案に最も近いのは郭氏の方式だと言えるでしょう」と、オーストラリア・ブリスベンのグリフィス大学の理論物理学者ハワード・ワイズマン氏は述べた。ワイズマン氏はどのチームにも属していなかった。

しかし、3つの研究はいずれも、その式が0より大きいことを示し、統計的に有意な反駁の余地がないことを実証した。彼らは、ウィーラーの遅延選択実験を説明できるような古典的な因果モデルを排除した。抜け穴は塞がれた。「我々の実験は、ウィーラーの有名な思考実験を救済したのです」とパン氏は述べた。

残る隠れた変数

カイザー氏は、チャベス氏の「洗練された」理論的研究とそれに続く実験に感銘を受けている。「最近の実験のそれぞれが、新たな不等式を明確に破っているという事実は、量子力学的な予測が最新の結果と見事に一致するにもかかわらず、そのようなシステムの『古典的な』モデルが世界の仕組みを実際には捉えていないという説得力のある証拠を提供している」と彼は述べた。

この式にはいくつかの仮定が伴う。最大の仮定は、因果モデルで用いられる古典的な隠れ変数は、1ビットの情報にエンコードされた2つの値のうちの1つを取り得るというものだ。チャベス氏は、量子システム（光子）も1ビットの情報しかエンコードできないため、これは妥当だと考えている（光子は干渉計のどちらかのアームに入る）。「隠れ変数モデルも2次元であるべきだというのは、非常に自然なことです」とチャベス氏は述べた。

しかし、追加の情報伝達能力を持つ隠れた変数は、修正された遅延選択実験で観察された統計を説明する古典的な因果モデルの能力を回復することができます。

さらに、最も広く用いられている隠れた変数理論は、これらの実験の影響を受けません。標準的な量子力学に代わる決定論的かつ現実的な理論であるド・ブロイ＝ボーム理論は、遅延選択実験を完全に説明することができます。この理論では、粒子は常に位置（隠れた変数）を持ち、したがって客観的な実在性を持ちますが、波によって導かれます。つまり、実在は波と粒子の両方です。波は両方の経路を通り、粒子はどちらか一方の経路を通ります。2つ目のビームスプリッターの有無は波に影響を与え、波は粒子を検出器へと導きます。そして、標準的な量子力学と全く同じ結果が得られます。

ワイズマン氏にとって、遅延選択実験におけるコペンハーゲン理論とド・ブロイ＝ボーム理論の論争は、決着には程遠い。「つまり、コペンハーゲン理論においては、光子の過去について何も言う権利がないため、奇妙な時間の逆転は起こらないのです」と彼はメールで述べた。「ド・ブロイ＝ボーム理論においては、私たちの知識とは独立した現実が存在しますが、逆転が起こらないので問題は生じません。つまり、すべての事象には唯一の因果的（時間的に前進する）記述が存在するのです。」

カイザー氏はこれまでの取り組みを称賛しつつも、さらに研究を進めたいと考えている。現在の実験では、古典的な遅延選択実験において、2つ目の位相シフトを追加するか、2つ目のビームスプリッターを追加するかの選択は、量子乱数発生器によって行われていた。しかし、これらの実験で検証されているのは量子力学そのものであり、循環論法の匂いがする。「全く異なる乱数源に依存する補完的な実験設計においても、実験結果が一貫しているかどうかを確認することは有益でしょう」とカイザー氏は述べた。

この目的のために、カイザー氏と彼の同僚たちは、宇宙の半分以上も離れた遠方のクエーサーから来る光子を用いて、そのようなランダム性の源を構築した。光子は、カリフォルニア州テーブルマウンテン天文台の1メートル望遠鏡で収集された。光子の波長が特定の閾値未満の場合、乱数生成器は0を、そうでない場合は1を吐き出した。原理的には、このビットを使って実験設定をランダムに選択することができる。もし結果がウィーラー氏の当初の主張を支持し続けるならば、「粒子と波動の二重性は古典物理学の説明では説明できないと言える新たな根拠となる」とカイザー氏は述べた。「量子力学に代わる概念的選択肢の範囲は再び縮小され、片隅に追いやられてしまった。それこそが、私たちが本当に求めているものだ」

今のところ、数週間の間焦点が合った状態だったドラゴンの体は、再び煙のようにぼやけて見えなくなっている。

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。