『量子』第４回量子の振る舞い ③

『量子』第４回

「量子の振る舞い ③」

＜量子もつれ（からみ合い）＞

（エンタングルメント Entanglement)

＜量子もつれ　エンタングルメント Entanglement＞

量子（電子）はもともと「スピン自由度」というものを持っている。量子（電子）の基本的な「スピン状態」は２つあり、しばしば“上向き”と“下向き”というように言い表される。ここで“上向き”、“下向き”というのは便宜上使っているだけであり、要するに２つの状態を示しただけのことだ。

そして、1つの量子（電子）は、全く同時にこの“上向きスピン”と“下向きスピン”の両方の状態を持つことができる。これを量子（電子）が“上向きスピン状態”と“下向きスピン状態”の「重ね合わせ状態」にあるという。これが量子力学のいう「重ね合わせ」の一例だ。観測するまではどちらの状態にあるのかはわからないが、観測することで、重ね合わせ状態からどちらかの確定した状態へと変わる。この変化を「状態の収縮」と呼ぶ。（「量子論の観測の問題」）

さらに、この「重ね合わせ」の真の不思議さは２つの粒子の「重ね合わせ」において決定的になる。それが「量子もつれ（量子エンタングルメントquantum entanglement）」という状態だ。

一つの量子から生まれた双子（ペアリング）の量子が、媒介もなしに同期してスピン状態になり、片方は上回転でもう片方は下回転するという性質がある。

これは、先ほどの一つの量子から生まれた双子（ペアリング）の量子になった特別な状態の場合だ。例えば、ペアになった粒子Aと粒子Bのそれぞれのスピンの向きが“Aが上向き・Bが下向き”と“Aが下向き・Bが上向き”との重ね合わせ状態を形成している場合、一方の粒子を観測してその状態が分かれば、もう一方の粒子の状態は観測するまでもなく決まってしまう。Aが下向きだと観測されれば、その瞬間Bは上向き状態に決まる。これは状態の瞬間収縮により瞬時に起こりる（時間や距離といったものを無視します）。

量子もつれのある双子の量子は、お互いどんなに離れていても（何光年離れていても）、量子が何であっても（電子と中性子）、片方に何らかの変化が生じれば対象に触れずにどんな連鎖もなく、瞬時に他方に物理的影響をおよぼすというものだ。

どのようにして相互関係が伝わったのだろうか？

もしも何らかの粒子が媒介しているのであれば、その粒子は光の速度を超えていることになり、アインシュタインの相対性理論では説明ができない。そのため、「不気味な遠隔操作」と呼んでいた。この「量子エンタングルメント」による粒子間の遠く離れた相関を予言する量子力学の性質のことを「量子力学の非局所性」という。

この問題でアインシュタインとポドルスキーとローゼンの３人で、量子論の不完全さを指摘する論文を発表した。３人の名前をとって「EPRパラドックス」といわれる。

しかし、現実に現象として起こっていることはあらゆるところで公認されている。

現在では、それは瞬時に影響が遠方に伝わるのではなく、二つの量子の状態がセットで決まっており（からみ合っており）、個別には決められないことになっていると考えられている。

言い換えると、双子のそれぞれの量子は観測しない段階では、右回りと左回りの時点のかさね合わせの状態にあるということだ。観測によって片方の量子が右回りに回転していることが確定すると、他方の量子は左回りに確定する。

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News！

2022年のノーベル物理学賞は，量子もつれ光子を用いたベルの不等式の破れの実験と量子情報科学の先駆的研究で，仏パリ・サクレー大学のアスペ（Alain Aspect）教授，米のクラウザー（John Clauser）博士，オーストリア・ウィーン大学のツァイリンガー（Anton Zeilinger）教授に授与すると発表された。

彼らの実験で、量子もつれの存在は完全に実証され，相対性理論と矛盾するというパラドックスは解消された。

（アインシュタインの言った「神はサイコロを振らない」は「神はサイコロを振る」になった。）

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この量子のからみ合いは、見方を変えると一方に何らかの刺激を与えることによって他方を変化させるという遠隔操作が出来るということだ。これを量子テレポーテーションといい、将来的に高度な技術応用が期待されている。

＜量子テレポ-テ-ションQuantum teleportation＞