量子物理学者はどのように時間を反転させたか（そしてさせなかったか）

物理学者たちは、人間が狼男に変身すると同時に狼男が人間に変身するように、光の粒子が同時に相反する変化を起こすように誘導した。綿密に設計された回路では、光子はあたかも時間が量子的に前進と後退の組み合わせで流れているかのように振る舞う。

「史上初めて、双方向に進むタイムトラベルマシンのようなものができた」と、この研究には関わっていないスコットランドのグラスゴー大学の量子物理学者、ソニア・フランケ＝アーノルド氏は語った。

SFファンにとって残念なことに、これらの装置は1982年製のデロリアンとは全く共通点がない。中国とオーストリアの2つの独立したチームが行った実験の間、実験室の時計は着実に進み続けた。回路を飛び交う光子だけが時間的な混乱を経験した。そして、光子に関してさえ、時間の矢の反転は現実のものか、それともシミュレーションによるものなのか、研究者たちは議論している。

いずれにせよ、この不可解な現象は新たな種類の量子技術につながる可能性がある。

「情報が双方向に流れる回路を思いつくことはできる」とブリストル大学の研究者ジュリア・ルビーノ氏は言う。

いつでも何でも一度に

物理学者たちは、量子力学の奇妙な法則が時間に関する常識的な概念を覆すということを10年前に初めて認識した。

量子ストレンジネスの本質は、粒子を探すと、常に単一の点状の場所で検出されるということです。しかし、測定される前の粒子は、波のように振る舞います。粒子は「波動関数」を持ち、それが複数の経路に広がり、波紋のように広がります。この不確定な状態において、粒子は重ね合わせと呼ばれる、複数の可能性のある位置の量子的な混合状態にあります。

2013年に発表された論文で、現在香港大学に所属する物理学者ジュリオ・チリベラと共著者らは、空間における位置の重ね合わせを一歩進め、事象を時間的順序の重ね合わせの状態に置く回路を提案した。4年後、ルビーノと同僚たちはこのアイデアを実験的に直接実証した。彼らは光子を2つの経路の重ね合わせに送った。1つは事象Aを経験してから事象Bを経験する経路、もう1つは事象Bを経験してから事象Aを経験する経路である。ある意味では、それぞれの事象が他の事象を引き起こしているように見え、この現象は「不定因果律」と呼ばれるようになった。

チリベラと同僚の劉子軒は、単に時間の進行方向、つまり矢印そのものに狙いを定め、出来事の順序を乱すだけでは満足せず、今度は時間の進行方向、つまり矢印そのものに狙いを定めた。彼らは、過去から未来へ、そして未来から過去へ流れる重ね合わせの状態、つまり無限の時間の矢印となる量子装置を求めた。

これを実現するために、チリベラとリューは、腕を左右に振ることができるメトロノームのように、互いに逆方向に変化できるシステムが必要だと気づきました。彼らは、そのようなシステムを重ね合わせた状態、つまり、音楽家が量子メトロノームを同時に左右に振るのと同じような状態を想像しました。そして2020年に、そのようなシステムを構築するための計画を発表しました。

光学の魔術師たちは、すぐに研究室で対決する時間の矢の製作に着手しました。そして昨秋、2つのチームが成功を宣言しました。

二股ゲーム

チリベラとリューは、量子二刀流の達人だけが勝てるゲームを考案した。光を使ったこのゲームでは、光子を2つの結晶装置AとBに照射する。装置を前方に通過させると、光子の偏光は装置の設定に応じた量だけ回転する。装置を後方に通過させると、偏光は正反対に回転する。

ゲームの各ラウンドの前に、審判は秘密裏にガジェットを2通りのいずれかの方法で設定します。Aを通って前進し、次にBを通って後進する経路は、時間反転した経路（Aを通って後進し、次にBを通って前進する経路）に対して光子の波動関数をシフトさせるか、シフトさせないかのどちらかです。プレイヤーは審判がどちらの選択をしたかを推測する必要があります。プレイヤーはガジェットやその他の光学素子を好きなように配置した後、光子を迷路に送り込みます。おそらく、半銀鏡を使って光子を2つの経路の重ね合わせに分割するでしょう。光子は2つの検出器のいずれかに到達します。プレイヤーが十分に巧妙な方法で迷路を設定した場合、光子が入った検出器がクリックすることで審判の選択が明らかになります。

プレイヤーが光子が各ガジェットを一方向にのみ通過するように回路を設定すると、AとBの因果関係が不確定であっても、検出器のクリックが秘密ガジェットの設定と一致する確率は最大で約90%です。光子が重ね合わせ状態を経験し、両方のガジェットを前後に通過する場合にのみ、つまり「量子時間反転」と呼ばれる戦術によって、プレイヤーは理論上すべてのラウンドに勝利することができます。

昨年、中国合肥のチリベラ氏の指導を受けたチームと、ウィーンの物理学者チャスラフ・ブルックナー氏の指導を受けたチームが、量子時間反転回路を構築しました。100万ラウンド以上をかけて、ウィーンのチームは99.45%の確率で正解しました。一方、チリベラ氏のグループは99.6%の勝率でした。両チームとも理論上の90%という限界を破り、光子が2つの相反する変換の重ね合わせ、つまり無限の時間軸を持つことを証明しました。

タイムフリップの解釈

研究者たちは量子タイムフリップを実行し、これに名前を付けたが、自分たちの成果を最もよく表す言葉については完全に一致していない。

チリベラ氏の目には、今回の実験は時間の矢の反転をシミュレートしたものに映る。実際に反転させるには、時空構造そのものを、時間が異なる方向を指す二つの幾何学的構造の重ね合わせのように配置する必要がある。「言うまでもなく、今回の実験は時間の矢の反転を実現しているわけではない」と彼は述べた。

一方、ブルックナー氏は、この回路はシミュレーションをわずかに超える程度にしか進歩していないと考えている。彼は、光子の測定可能な特性は、2つの時空幾何学の真の重ね合わせを通過した場合と全く同じように変化すると指摘する。そして量子の世界では、測定可能な範囲を超えた現実は存在しない。「状態そのものから見れば、シミュレーションと現実の間に違いはない」と彼は述べた。

確かに、この回路は偏光の変化を受けている光子だけを時間反転できると彼は認めている。もし時空が本当に重ね合わせの状態にあるなら、対立する時間方向がすべてに影響するはずだ。

2つの矢印の回路

物理学者たちは、哲学的な傾向がどうであれ、同時に双方向に流れる量子回路を設計する能力によって、量子コンピューティング、通信、計測のための新しいデバイスが実現できるのではないかと期待している。

「これにより、単に操作を特定の順序で実行するだけでなく、より多くのことが可能になります」と、フランスのネール研究所の量子情報理論家シリル・ブランシアールは述べています。

一部の研究者は、量子タイムフリップのタイムトラベル的な性質が、将来的に量子「元に戻す」機能を可能にするのではないかと推測しています。また、双方向に同時に動作する回路によって量子マシンの動作効率が向上すると予測する研究者もいます。「これは、いわゆるクエリ複雑性（query complexity）を削減したいゲームに利用できる可能性があります」とルビーノ氏は述べました。これは、あるタスクを実行するために必要なステップ数を指しています。

こうした実用化は到底保証されていない。チリベラとリューの推測ゲームでは、タイムフリップ回路は理論上の性能限界を突破したが、それは一方向回路に対する優位性を強調するためだけに考案された、非常に不自然な課題だった。

しかし、奇妙で一見ニッチな量子現象は、有用性を証明する才能を持っています。著名な物理学者アントン・ツァイリンガーはかつて、量子もつれ（離れた粒子間のつながり）は何の役にも立たないと考えていました。今日では、量子もつれは初期の量子ネットワークのノードやプロトタイプの量子コンピューターの量子ビットを結びつけており、ツァイリンガーはこの現象に関する研究で2022年のノーベル物理学賞を共同受賞しました。量子時間の反転可能な性質について、フランケ＝アーノルドは「まだ非常に初期段階だ」と述べています。

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。