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2022年ノーベル賞「量子もつれ」を手袋で考える。アインシュタインが最後まで疑った謎

2022年ノーベル賞「量子もつれ」を手袋で考える。アインシュタインが最後まで疑った謎

読む前に予想してみよう!

量子もつれを使えば、光より速く情報を送ることができる

研究カード(どんな研究?)
対象
もつれ合った光子・電子のペア
規模
1970年代以降の多数のベル不等式検証実験
研究の種類
物理実験(再現性の高い実験群)
確かさ
★★★★★
3秒でわかる

離れた2つの粒子の測定結果がそろう「量子もつれ」。手袋式の「最初から決まっていた」説明では足りないと実験で示した3人が2022年ノーベル賞に。

ひとことで言うとはなれていても、まるで心が通じているみたいにふるまう不思議な粒のペアがある!

もくじ
  1. まずは「手袋の箱」で考えてみる
  2. 量子の粒は「開けるまで決まっていない」
  3. 「どちらが正しいか」を確かめる方法
  4. 光より速く情報を送れる?
  5. 未来の技術につながる「もつれ」
  6. まとめ

2022年のノーベル物理学賞は、「量子もつれ」という、ちょっと不思議な名前の現象を実験で確かめた3人の物理学者に贈られました。フランスのアラン・アスペ、アメリカのジョン・クラウザー、オーストリアのアントン・ツァイリンガーです。

量子もつれとは、ざっくり言うと、遠く離れた2つの粒が、まるで心が通じ合っているかのようにふるまう現象。

あのアインシュタインでさえ「そんなはずはない」と疑い続けたこの謎。今日は手袋を使って、どこがそんなに不思議なのかを考えてみましょう。

01まずは「手袋の箱」で考えてみる

ここに、手袋が1組あるとします。右手用と左手用を、中が見えない2つの箱に1つずつ入れて、片方を東京に、もう片方を宇宙ステーションに送りました。

東京で箱を開けたら「右手用」だった。その瞬間、宇宙ステーションの箱の中身は「左手用」だとわかります。

…でも、これは別に不思議ではありませんよね。箱に入れた時点で、どちらが右か左かは最初から決まっていたからです。開けて「知った」だけで、遠くの手袋に何かが伝わったわけではありません。

手袋なら、中身は箱に入れたときから決まっている。では量子の世界では?
手袋なら、中身は箱に入れたときから決まっている。では量子の世界では?

02量子の粒は「開けるまで決まっていない」

ところが、光の粒(光子)や電子のような量子の世界では、話が変わります。

量子力学によると、もつれ合った2つの粒は、測定するまで、どちらの状態になるか決まっていないのです。手袋で言えば、箱の中の手袋は「右でもあり左でもある、どっちつかずの状態」。そして片方を開けて「右」と決まった瞬間、遠く離れたもう片方が「左」に決まる――そんなふうに見えるのです。

アインシュタインは、これを受け入れませんでした。1935年、彼は同僚のポドルスキー、ローゼンとともに学術誌 Physical Review に論文を発表し、「量子力学の説明は不完全だ。本当は、手袋のように最初から答えが決まっている『隠れた情報』があるはずだ」という考えを示しました(3人の頭文字から「EPRパラドックス」と呼ばれます)。のちに彼は、手紙の中でこうした遠く離れた影響を「不気味な遠隔作用」と呼んだことでも知られています。

03「どちらが正しいか」を確かめる方法

この論争は長い間、「考え方の違い」で片づけられていました。実験で白黒つける方法がなかったのです。

それを変えたのが、北アイルランド出身の物理学者ジョン・ベルです。1964年、ベルは「もし手袋のように最初から答えが決まっていて、しかも光より速い影響がないなら、2つの粒の結果のそろい方にはある上限がある」という不等式(ベルの不等式)を考え出しました。

ポイントは、測る「向き」を何通りも変えて比べること。手袋は「右か左か」の1通りしかありませんが、光の粒の偏光(光の振動の向き)は、測定器を何度傾けるかで結果の出方が変わります。いろいろな角度の組み合わせで「そろう割合」を集計すると、手袋式の説明ではどうしても越えられない壁ができるのです。

つまり、実験で結果のそろい方を調べて、その上限を超えたら、「最初から決まっていた」という手袋式の説明では足りない、ということになります。

その後も、残っていた細かい「抜け穴」をふさぐ実験が積み重ねられました。1998年にはツァイリンガーらが、測定の向きを乱数で本当にランダムに切り替える実験を行い、2015年にはオランダのデルフト工科大学のチーム(1.3km離れた電子のペアを使用)や、ウィーン、アメリカの研究所のチームが、主要な抜け穴を同時にふさいだ実験を報告しています。

04光より速く情報を送れる?

「片方を測ると、遠くのもう片方が瞬時に決まるなら、それを使えば光より速く通信できるのでは?」と思うかもしれません。

05未来の技術につながる「もつれ」

この不思議な性質は、今では未来の技術の土台になりつつあります。

ツァイリンガーは、量子もつれを使って、ある粒の状態を離れた場所の別の粒に写しとる「量子テレポーテーション」の実験などで知られています(物体そのものが瞬間移動するわけではありません)。

ほかにも、盗み見されるとすぐにわかる量子暗号や、ふつうのコンピューターでは時間がかかりすぎる計算に挑む量子コンピューターなど、研究が世界中で進められています。

06まとめ

  • 量子もつれは、離れた2つの粒の測定結果が、不思議なほどそろう現象
  • アインシュタインは「最初から答えが決まっているはず」と考えた
  • ベルの不等式と実験によって、手袋式の説明では足りないことが示された
  • それでも、光より速く情報を送ることはできない

アインシュタインが「おかしい」と感じたのは、決して間違った感覚ではありません。それほどまでに、自然は私たちの常識を超えていたのです。「当たり前」を疑い、実験で確かめる――それこそが、3人の受賞者が見せてくれた科学の面白さです。

この研究を英語で読もう原田英語の English CornerQuantum entanglement is a link between two particles: even when they are far apart, their measured results… 音声 4択クイズ9問A2・B1・B2タップして開く

原田英語の English Corner

この研究を英語で読もう

Quantum entanglement is a link between two particles: even when they are far apart, their measured results match in surprising ways. Einstein thought this was strange. In 1935, he argued that, like a pair of gloves in separate boxes, the results must be fixed in advance by hidden information.

In 1964, John Bell showed how to test this idea: if Einstein's view were correct, the results could only match up to a certain limit. Experiments by John Clauser in 1972 and Alain Aspect in 1982 went beyond that limit, supporting quantum mechanics. For this work, Aspect, Clauser, and Anton Zeilinger won the 2022 Nobel Prize in Physics.

107 words ・ CEFR B1

和訳を見る

量子もつれとは2つの粒子の間の結びつきのことで、遠く離れていても、測定結果が驚くような形でそろいます。アインシュタインはこれをおかしいと考えました。1935年、彼は、別々の箱に入った手袋のように、結果は隠れた情報によって前もって決まっているはずだと主張しました。1964年、ジョン・ベルはこの考えを確かめる方法を示しました。

もしアインシュタインの見方が正しければ、結果がそろう度合いにはある上限があるはずだというのです。1972年のジョン・クラウザーと1982年のアラン・アスペの実験は、その上限を超え、量子力学を支持しました。この業績により、アスペ、クラウザー、アントン・ツァイリンガーは2022年のノーベル物理学賞を受賞しました。

4択リーディングクイズ

Q1. What is the passage mainly about?

Q2. What did John Bell do in 1964?

Q3. What do the experiments suggest about Einstein's idea?

重要単語

  • entanglementC1
    名詞もつれ(量子もつれ)Quantum entanglement puzzled even Einstein. tangle(もつれる)→ entangle(からませる)→ entanglement。be entangled in ~「~に巻きこまれる」。
  • inequalityB2
    名詞不等式、不平等The experiment broke Bell's inequality. 社会問題では income inequality「所得格差」として頻出。数学では「不等式」。
  • hidden variableC1
    名詞(句)隠れた変数Einstein believed in hidden variables. variable は「変数」。形容詞では「変わりやすい」。vary(変わる)と同語源。
  • measurementB1
    名詞測定Each measurement gives a random result. measure(測る)+-ment。take measurements「寸法を測る」。
  • loopholeC1
    名詞抜け穴Later experiments closed the remaining loopholes. 本来は城壁の「銃眼」。tax loophole「税の抜け穴」のように法律でよく使う。close a loophole「抜け穴をふさぐ」。
  • correlateC1
    動詞相関する、関連し合うThe results correlate more strongly than expected. 名詞 correlation。correlate with ~「~と相関する」。因果関係(causation)との区別は入試頻出。

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4コマでわかる

2022年ノーベル賞「量子もつれ」を手袋で考える。アインシュタインが最後まで疑った謎の4コマ漫画
2022年ノーベル物理学賞の「量子もつれ」、アインシュタインが「おかしい」と疑い続けた現象を実験で確かめた話らしい。手袋のたとえで考えると、どこが不思議かよくわかる。

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  1. Einstein, Podolsky & Rosen (1935) Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?, Physical Reviewdoi.org
  2. Bell (1964) On the Einstein Podolsky Rosen paradox, Physics Physique Fizikadoi.org
  3. Freedman & Clauser (1972) Experimental Test of Local Hidden-Variable Theories, Physical Review Lettersdoi.org
  4. Aspect, Dalibard & Roger (1982) Experimental Test of Bell's Inequalities Using Time-Varying Analyzers, Physical Review Lettersdoi.org
  5. Hensen et al. (2015) Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres, Naturedoi.org