量子のもつれって何？意味を簡単に

量子のもつれとは、物事が少しずつ、または量子領域内で発生するときに見られる非常に奇妙な現象の 1 つです。2 つ以上の粒子が特定の方法でリンクすると、それらが空間でどれだけ離れていても、それらの状態はリンクされたままになります。つまり、それらは共通の統一された量子状態を共有しています。そのため、ある粒子を観測すると、粒子間の距離に関係なく、自動的に他のもつれた粒子に関する情報を得ることができるのです。また、1つの粒子に何らかの操作を加えると、必ず他の粒子にも影響を与えることが分かっています。

今回の記事は量子のもつれを簡単に解説します。








物理学者たちは、20世紀初頭の数十年間、量子世界の力学を研究する中で、もつれの背後にある基本的な考え方を発展させてきました。彼らは、素粒子システムを適切に記述するためには、量子状態と呼ばれるものを用いなければならないことを発見したのです。

例えば、原子の中の電子がどこにあるかは正確にはわかりませんが、どこにあるかもしれないということだけはわかります。量子状態とは、ある粒子の位置や角運動量など、ある性質を測定したときの確率をまとめたものです。例えば、電子の量子状態は、電子が存在する可能性のあるすべての場所と、それらの場所で電子が見つかる確率を記述しています。

また、量子状態は他の量子状態と相関があり、ある量子状態を測定すると、他の量子状態に影響を与えることができるのも特徴となっています。1935年の論文で、アルバート・アインシュタイン、ボリス・ポドルスキー、ネイサン・ローゼンは、強く相関した量子状態が互いにどのように影響し合うかを研究しました。その結果、2つの粒子が強い相関を持つと、それぞれの量子状態が失われ、代わりに1つの統一された状態が共有されることが明らかになったのです。つまり、1つの数学的な「容器」が、個々の粒子の性質に関係なく、すべての粒子を同時に記述することができるのではと 考えています。このような統一的な状態は、「量子もつれ」と呼ばれるようになります。

スタンフォード大百科辞典　Stanford Encyclopedia of Philosophy　によると、2つの粒子がもつれ、つまり量子状態が強く相関して統一されると、粒子の一方を測定すると、粒子同士がどれだけ離れていても、もう一方に自動的に影響を与えることを発見したそうです。

量子力学の創始者の一人であるエルヴィン・シュレーディンガーは、「エンタングルメント」という言葉を最初に使った物理学者で有名です。彼は「もつれ」を量子力学の最も本質的な側面であるとし、その存在は古典的な思考回路から完全にかけ離れたものであると述べました。


アインシュタイン、ポドルスキー、ローゼンが発見したように、エンタングルメントは瞬時に出現します。ある量子状態を知ることができれば、もつれた粒子の量子状態も自動的に知ることができるのです。原理的には、2つのもつれた粒子を銀河系の反対側に置いても、この瞬時の知識が得られるが、これは光速の限界に反しているように見えます。

アメリカ物理学会によれば、この結果はEPRパラドックス（アインシュタイン、ポドルスキー、ローゼンの略）として知られています。アインシュタインは、この効果を "spooky action at a distance" と名付けました。アインシュタインは、このパラドックスを、量子論が不完全であることの証拠としました。しかし、絡み合った粒子は距離に関係なく互いに影響し合うことが実験で繰り返し確認されており、量子力学は現在も検証されています。

パラドックスに対する一般的な解答はありません。しかし、絡み合った系は局所性（絡み合った系の一部が直ちに遠くの粒子に影響を与えること）は保たれないが、因果性（結果には必ず原因があること）は尊重される。遠くの粒子にいる観測者は、ローカルな観測者がもつれ合った系を乱したかどうかを知らないし、その逆もまた然りです。また、その逆も然りです。確認するためには、光速を超えない範囲で情報を交換する必要があるからです。

つまり、光速の限界は、もつれ合った系にも存在するのです。遠くの粒子の状態を知ることはできても、その情報を光速より速く伝達することはできないの です。


粒子をもつれさせるには、さまざまな方法があります。ひとつは、粒子を冷却し、量子状態（位置の不確かさを表す）が重なるように粒子を近づけ、一方の粒子と他方の粒子の区別がつかなくなるようにする方法です。

もうひとつの方法は、核崩壊のような、自動的にもつれた粒子を生成する素粒子プロセスに依存する方法です。NASAによると、1個の光子を分割して2個の光子を生成するか、光ファイバーケーブルの中で2個の光子を混合することによって、もつれたペアの光子（光の粒子）を生成することも可能であるとされています。

量子もつれの応用として最も広く使われているのは、おそらく暗号技術で、Caltech Magazineによれば、量子もつれの応用として、暗号化技術で使用されています。Caltech Magazineによると、このシナリオでは、送信者と受信者が、もつれ合った粒子のペアを含む安全な通信リンクを構築します。送信者と受信者は、もつれた粒子を用いて、自分たちだけが知っている秘密鍵を生成し、それを使ってメッセージを暗号化します。もし誰かが信号を傍受し、秘密鍵を読み取ろうとすれば、もつれた粒子を測定することでその状態が変化するため、もつれが解けてしまいます。つまり、送信者と受信者は、自分たちの通信が危険にさらされていることを知ることになります。

量子コンピュータは、大量の粒子をもつれさせることで、複雑な大問題を解決することが可能になります。例えば、10個の量子ビットを持つ量子コンピュータは、従来の2^10個の量子ビットと同じ量のメモリを表現することができます。




参考文献　量子もつれとは？ ポール・サッター著 2021 年 5 月 26 日　（英文）


















これは2日前いつものスーパーにお買い物に行ったときに話です。