量子もつれ状態は空想ではない
今年のノーベル物理学賞は、アラン・アスペ、ジョン・F・クラウザー、アントン・ツァイリンガーの3人が、量子もつれ光子を用いた画期的な実験に対して共同で受賞しました。この実験が量子情報という全く新しい研究分野の扉を開いたのです。量子もつれ状態は、量子論の数学的構造からごく自然に起こる分離不可能な多粒子状態なのですが、その存在は、量子論が非局所性であるという帰結を伴うため、長い間大きな議論を呼んでいました。唯一、量子物理学の非局所性に関する実験的な追及を原理上可能にしたのが、有名なベルの不等式でした。そしてまさにこの実験こそが、今年のノーベル賞受賞者たちが重大な役割を果たした実験です。彼らの独創的な実験によってベルの不等式が検証されたことにより、量子物理学は非局所的であり、もつれ状態は空想ではない、ということがほぼ断言できるようになったのです。
ジョン・F・クラウザー、アラン・アスペ、アントン・ツァイリンガーをはじめとする研究者たちの先駆的な研究により、量子コンピュータ、量子テレポーテーション、量子暗号はもはや机上の空論ではなく、科学や産業への大きな可能性を秘めた、基礎研究における具体的なテーマとなっています。これらの分野では、個々の光子や原子を精密に制御する必要があるため、絶対零度に近い温度と信頼性の高い超高真空が必要とされます。そのため、ハイテクな真空バルブが非常に重要なのです。VAT は長年にわたり、この分野における主要な研究チームと緊密な連携をとっており、超高速量子コンピュータ、安全な量子暗号方式、高感度量子センサーなどの量子情報デバイスの開発において、豊富な経験を有しています。例えばVATは、こういった量子実験に必要な冷却装置に、高精度な真空バルブやガス注入バルブを提供しています。VATのソリューションの特徴としては、マルチバルブアセンブリと呼ばれるものがあり、複数のバルブ機能が1つのコンパクトな筐体にまとめられています。これにより、組み立てが簡単になるだけでなく、設置面積を減らすことができ、漏電の危険性も削減できるのです。
今年のノーベル物理学賞受賞者アントン・ツァイリンガーの研究室にて。彼の傍らには、VATの高精度UHV真空ゲートバルブ（シリーズ10.8）がある。
出典：VAT アーカイブ
今年のノーベル賞受賞者たちの功績の重要性を十分に理解するために、多粒子量子系の奇妙な世界を少し旅してみましょう。
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ハイゼンベルクとシュレーディンガーの思考をたどる
光子のような単一の粒子であっても、量子物理学は人間の頭脳にとってかなりの難題です。例えば、ハイゼンベルクの不確定性原理では、「通常の」直感とは全く逆に、量子粒子の位置と速度のどちらかを知ることはできても、両方を同時に知ることはできない、と述べています。この2つの量は、エネルギーと時間、あるいは他の同等な変数のペアのように、1927年にヴェルナー・ハイゼンベルクが提唱した不等式によって織り成されています。この不等式では、位置の測定精度と速度の測定精度の掛け算は、いわゆるプランクの作用量子よりも常に大きくなければならないとしています。この自然定数は、その名が示すように、約10-35Jsという途方もなく小さな値です。ハイゼンベルグの不確定性原理が、マクロなレベルでは顕著な結果をもたらさないのも、このためです。例えば、夜に車を駐車場に入れ、時速0kmにしておけば、その車がある場所は確実に分かります。（翌朝に駐車したことを覚えているかは別問題としましょう）しかし、分子、原子、素粒子の小宇宙に踏み込めば踏み込むほど、ハイゼンベルクの不等式はその存在を強く主張してきます。古典物理学の法則では、量子の世界で起こっている現象を十分に説明できないのです。典型的な例は、量子の波動性と、その結果生じる、2つの量子状態が重なり合い、その位相関係によって互いに合成または相殺されるという可能性です（それぞれ建設的干渉と破壊的干渉）。この重ね合わせの原理は、純粋な量子現象です。2つのサッカーボールを蹴り合い、互いに消滅させてみてください。
もう一つ、量子の世界の特殊性で、特に消化が難しいのは、「どっちつかず」の概念で行き詰まることが多いという点です。なぜなら、量子粒子が自由に展開する限り、「この粒子はXYという性質を持っている」というように、明確に状態を説明することは不可能だからです。粒子から引き出せる情報は、「ある状態にある」という確率だけです。しかし、具体的に調べない限り、つまり測定をしない限りは、妙に曖昧な確率を述べるしかありません。有名な理論物理学者のエルヴィン・シュレーディンガーは、この直感的でない量子の振る舞いを、「猫に巧妙に毒を盛り、観測を行うまでは、猫は生きている状態と死んでいる状態の両方であり、したがってその猫により猫の状態が確定する」という思考実験で見事に言い表しています。幸いなことに、このような確率現象は、マクロの世界に入ると平均化されます。もし、自分の車が車庫にある確率が80％しかなく、勝手に走り去ってしまっている確率が20％だとしたら、ゆっくり眠れないですよね？当然、量子物理学の先駆者たちも、「（見るか見ないかにかかわらず）あるシステムはある状態にある」という一般的な概念を、量子の世界にどのように持ち込むかについて、広範な議論を重ねました。しかし、結局のところ、議論は何の役にも立ちませんでした。というのも、量子粒子の性質は、誰かがわざわざ測定して初めて確定するということが、実験で何度も明らかになったからです。測定によって初めて、様々な状態の可能性から成る確率の雲が崩壊し、いわゆる固有状態となり、「粒子を名前で呼ぶ」ことができるようになるのです。
かなり混乱するのではないでしょうか。しかし、多粒子量子系に目を向けると、さらに混乱します。[0>●[1>という記号は、第一粒子が固有状態[0>、第二粒子が固有状態[1>の二つの粒子状態として直感的に解釈することが可能です。[0>●[0> + [0>●[1>という形の重ね合わせでも、因数分解することで2つの粒子を明確に分離することができます。[0>●[0> + [0>●[1> = [0>●([0> + [1>)、つまり、第一粒子は固有状態[0>にあり、第二分子は（重ね合わせ）状態[0> + [1>にある、ということです。では、同じように状態[0>●[0> + [1>●[1>を、はっきりと分離した2つの粒子空間に分解してみましょう。ありえません。 理論的には至極まっとうな2粒子系の状態ですが、単粒子が何らかの形で混ざっているように見える事実は、我々の常識と真っ向から対立します。
このような状態を「もつれ状態」と呼びます。その本質的な特徴は、それ以上個々の単一系になり得ないという点です。分かっているのは、[0>●[0> + [1>●[1>の場合、2番目の粒子が同じ状態[0>をとれば1番目の粒子は状態[0>をとること、2番目の粒子が状態[1>をとれば1番目の粒子は状態[1>をとることだけです。（そうでなければ、状態関数の中に[0>●[1>という形の混じった項が現れることになります）。この数学的な考察は、哲学的にも重要な結果をもたらします。例えば、上記のような「もつれ」状態を作り出した後、2つの粒子を互いに遠くへ飛ばし、通常の方法ではもはや何の情報も交換できないようにすることを想像してみてください。（古典物理学では、情報は光速より速く移動できないので、このような「情報のギャップ」を確保するだけの距離が必要となります）。ここで憂慮すべきなのが、この2つのもつれた粒子が互いのことを「知っている」という点です。実際、一方の粒子の状態を測定すると、瞬時にもう一方の粒子の状態も固定されてしまうのです。つまり、もしもつれ合った状態が本当に存在するならば、量子論は非局所的な理論ということになります。
アントン・ツァイリンガーらがその可能性を示した
量子分野において、古典物理学の聖域である局所性を犠牲にした考えは、当時、多くの物理学者からの激しい抵抗に遭いました。例えば、アルバート・アインシュタインは、量子もつれを「不気味な遠隔作用」と揶揄し、デビッド・ボームなどの理論物理学者は、隠れた変数に基づく代替量子論を展開し、量子世界を再び局所的に説明することに成功しました。しかし、これらの熱い議論は、長い間、哲学的・理論的なものでしかありませんでした。そんな折、アイルランド出身の理論物理学者ジョン・スチュワート・ベルが、独創的な数学的方程式（不等式）を導き出したことにより、量子世界が非局所的であるかどうか、あるいは量子物体がボームやアインシュタインの意味での他の局所的性質を持っているかどうかを、実験で検証することが可能となりました。ベルの不等式によって、量子物理学が局所的な理論であるかどうかという問いに、少なくとも原理的には突然、明確に回答できるようになったのです。
それでも、物理学者が技術的にベルの不等式を実験でテストできるようになるまでには、10年以上の歳月が必要でした。そして、まさにこの実験で、今年のノーベル賞受賞者たちが重大な役割を果たしたのです。例えば、1974年、ジョン・F・クラウザーらは、初めてベルの不等式が破られることを明確に指摘する実験、すなわち量子物理学の非局所性を確認する実験を行いました。もちろん、当時の研究者たちは、このような基本的な問いについては絶対的な確信を持ちたかったため、考え得る抜け穴をすべて潰せるよう、ベルの不等式にまつわる多くの実験が行われました。その中には、現在ノーベル賞を受賞しているアラン・アスペが、1982年に量子物理学における隠れたパラメータの存在を否定することに成功した実験も含まれています。そして1999年、第3回目の受賞者アントン・ツァイリンガーとそのチームは、量子物理学の非局所性をさらに包括的に証明しました。
アントン・ツァイリンガーの名前と関係が深いもう一つのトピックは、量子テレポーテーションです。「チャーリー、転送を頼む」のセリフ でもお馴染みですが、宇宙のある場所から別の場所へと、物や生命体を短時間で転送するというアイデアは、常に人々を魅了してきました。1998年、アントン・ツァイリンガーの研究チームが、初めて量子状態のテレポーテーションに成功し、大きな話題になったことも頷けます。ここでも、量子もつれ状態とその非局所的な性質が重要な役割を担っています。量子テレポーテーションでは、まずテレポートする粒子を別の粒子ともつれ状態にし、その粒子をテレポート先に転送します。そして、高度な測定手順により、元の粒子の状態が失われ、2番目の粒子がその状態を正確に再現します。ただし、これは単一光子とその偏光状態などの最も原始的な特性についての話であり、より複雑な物質や生物をもこの方法で転送できるようになるには、まだかなり長い道のりが必要です。しかし、アントン・ツァイリンガーとその同僚たちは、その事実と方法を示したのです。それだけでも間違いなくノーベル賞に値します！
クラウザー、アスペ、ツァイリンガーの3人の先駆的な研究がなければ、量子コンピュータもまた机上の空論に過ぎなかったでしょう。古典コンピュータとは対照的に、量子コンピュータは量子ビットと呼ばれる量子力学的な状態に基づいて計算を行います。量子ビットは、従来のコンピュータのように0か1のどちらかではなく、2つの基本的な状態の重ね合わせの可能性があります。その結果、従来は1つの状態だけに適用していた計算手順を、状態のまとまり全体に適用することができるのです。このようにデータ処理に並列性を持たせることで、息をのむような計算速度を備えた、情報技術におけるまったく新しいアプリケーションの領域が開かれるのです。これは理論上だけでなく、すでに実用化されています。詳しくは、[量子コンピューターの急速な発展は、ハイテクの真空バルブにかかっている」をご覧ください。
VATテクノロジーは、世界中の量子物理学・量子テクノロジー分野の研究チームをサポートしている
言うまでもなく、もつれ状態を扱う実験は、非常に繊細な作業です。というのも、もつれ現象は、量子粒子間の位相関係がいかに安定しているか（専門用語：コヒーレンス）に大きく依存するため、個々の光子や原子の量子状態を精密に制御する必要があるからです。テレポートする光子が空気分子と衝突してしまったら、実験が台無しになってしまいます。そのため、量子コンピュータのハードウェアもまた、極めて繊細です。どんなに小さな環境の変化でも、計算結果を大きく狂わせてしまう恐れがあるのです。つまり、絶対零度に近い温度への連続的な冷却や、信頼性の高い超高真空状態がなければ、これまで述べてきた実験はすべて失敗に終わっていたかもしれません。今後、量子コンピュータが普及するためには、ハイテク真空バルブが不可欠となることは言うまでもありません。VATは、量子情報技術の誕生以来、この分野をリードする多くの研究チームと密接に連携してきました。1998年、アントン・ツァイリンガーによる、もつれ状態のテレポーテーションを実証する有名な「もつれ交換実験」でも、VATバルブが大きく取り上げられています。
光子のような単一の粒子であっても、量子物理学は人間の頭脳にとってかなりの難題です。例えば、ハイゼンベルクの不確定性原理では、「通常の」直感とは全く逆に、量子粒子の位置と速度のどちらかを知ることはできても、両方を同時に知ることはできない、と述べています。この2つの量は、エネルギーと時間、あるいは他の同等な変数のペアのように、1927年にヴェルナー・ハイゼンベルクが提唱した不等式によって織り成されています。この不等式では、位置の測定精度と速度の測定精度の掛け算は、いわゆるプランクの作用量子よりも常に大きくなければならないとしています。この自然定数は、その名が示すように、約10-35Jsという途方もなく小さな値です。ハイゼンベルグの不確定性原理が、マクロなレベルでは顕著な結果をもたらさないのも、このためです。例えば、夜に車を駐車場に入れ、時速0kmにしておけば、その車がある場所は確実に分かります。（翌朝に駐車したことを覚えているかは別問題としましょう）しかし、分子、原子、素粒子の小宇宙に踏み込めば踏み込むほど、ハイゼンベルクの不等式はその存在を強く主張してきます。古典物理学の法則では、量子の世界で起こっている現象を十分に説明できないのです。典型的な例は、量子の波動性と、その結果生じる、2つの量子状態が重なり合い、その位相関係によって互いに合成または相殺されるという可能性です（それぞれ建設的干渉と破壊的干渉）。この重ね合わせの原理は、純粋な量子現象です。2つのサッカーボールを蹴り合い、互いに消滅させてみてください。
もう一つ、量子の世界の特殊性で、特に消化が難しいのは、「どっちつかず」の概念で行き詰まることが多いという点です。なぜなら、量子粒子が自由に展開する限り、「この粒子はXYという性質を持っている」というように、明確に状態を説明することは不可能だからです。粒子から引き出せる情報は、「ある状態にある」という確率だけです。しかし、具体的に調べない限り、つまり測定をしない限りは、妙に曖昧な確率を述べるしかありません。有名な理論物理学者のエルヴィン・シュレーディンガーは、この直感的でない量子の振る舞いを、「猫に巧妙に毒を盛り、観測を行うまでは、猫は生きている状態と死んでいる状態の両方であり、したがってその猫により猫の状態が確定する」という思考実験で見事に言い表しています。幸いなことに、このような確率現象は、マクロの世界に入ると平均化されます。もし、自分の車が車庫にある確率が80％しかなく、勝手に走り去ってしまっている確率が20％だとしたら、ゆっくり眠れないですよね？当然、量子物理学の先駆者たちも、「（見るか見ないかにかかわらず）あるシステムはある状態にある」という一般的な概念を、量子の世界にどのように持ち込むかについて、広範な議論を重ねました。しかし、結局のところ、議論は何の役にも立ちませんでした。というのも、量子粒子の性質は、誰かがわざわざ測定して初めて確定するということが、実験で何度も明らかになったからです。測定によって初めて、様々な状態の可能性から成る確率の雲が崩壊し、いわゆる固有状態となり、「粒子を名前で呼ぶ」ことができるようになるのです。
かなり混乱するのではないでしょうか。しかし、多粒子量子系に目を向けると、さらに混乱します。[0>●[1>という記号は、第一粒子が固有状態[0>、第二粒子が固有状態[1>の二つの粒子状態として直感的に解釈することが可能です。[0>●[0> + [0>●[1>という形の重ね合わせでも、因数分解することで2つの粒子を明確に分離することができます。[0>●[0> + [0>●[1> = [0>●([0> + [1>)、つまり、第一粒子は固有状態[0>にあり、第二分子は（重ね合わせ）状態[0> + [1>にある、ということです。では、同じように状態[0>●[0> + [1>●[1>を、はっきりと分離した2つの粒子空間に分解してみましょう。ありえません。 理論的には至極まっとうな2粒子系の状態ですが、単粒子が何らかの形で混ざっているように見える事実は、我々の常識と真っ向から対立します。
このような状態を「もつれ状態」と呼びます。その本質的な特徴は、それ以上個々の単一系になり得ないという点です。分かっているのは、[0>●[0> + [1>●[1>の場合、2番目の粒子が同じ状態[0>をとれば1番目の粒子は状態[0>をとること、2番目の粒子が状態[1>をとれば1番目の粒子は状態[1>をとることだけです。（そうでなければ、状態関数の中に[0>●[1>という形の混じった項が現れることになります）。この数学的な考察は、哲学的にも重要な結果をもたらします。例えば、上記のような「もつれ」状態を作り出した後、2つの粒子を互いに遠くへ飛ばし、通常の方法ではもはや何の情報も交換できないようにすることを想像してみてください。（古典物理学では、情報は光速より速く移動できないので、このような「情報のギャップ」を確保するだけの距離が必要となります）。ここで憂慮すべきなのが、この2つのもつれた粒子が互いのことを「知っている」という点です。実際、一方の粒子の状態を測定すると、瞬時にもう一方の粒子の状態も固定されてしまうのです。つまり、もしもつれ合った状態が本当に存在するならば、量子論は非局所的な理論ということになります。
アントン・ツァイリンガーらがその可能性を示した
量子分野において、古典物理学の聖域である局所性を犠牲にした考えは、当時、多くの物理学者からの激しい抵抗に遭いました。例えば、アルバート・アインシュタインは、量子もつれを「不気味な遠隔作用」と揶揄し、デビッド・ボームなどの理論物理学者は、隠れた変数に基づく代替量子論を展開し、量子世界を再び局所的に説明することに成功しました。しかし、これらの熱い議論は、長い間、哲学的・理論的なものでしかありませんでした。そんな折、アイルランド出身の理論物理学者ジョン・スチュワート・ベルが、独創的な数学的方程式（不等式）を導き出したことにより、量子世界が非局所的であるかどうか、あるいは量子物体がボームやアインシュタインの意味での他の局所的性質を持っているかどうかを、実験で検証することが可能となりました。ベルの不等式によって、量子物理学が局所的な理論であるかどうかという問いに、少なくとも原理的には突然、明確に回答できるようになったのです。
それでも、物理学者が技術的にベルの不等式を実験でテストできるようになるまでには、10年以上の歳月が必要でした。そして、まさにこの実験で、今年のノーベル賞受賞者たちが重大な役割を果たしたのです。例えば、1974年、ジョン・F・クラウザーらは、初めてベルの不等式が破られることを明確に指摘する実験、すなわち量子物理学の非局所性を確認する実験を行いました。もちろん、当時の研究者たちは、このような基本的な問いについては絶対的な確信を持ちたかったため、考え得る抜け穴をすべて潰せるよう、ベルの不等式にまつわる多くの実験が行われました。その中には、現在ノーベル賞を受賞しているアラン・アスペが、1982年に量子物理学における隠れたパラメータの存在を否定することに成功した実験も含まれています。そして1999年、第3回目の受賞者アントン・ツァイリンガーとそのチームは、量子物理学の非局所性をさらに包括的に証明しました。
アントン・ツァイリンガーの名前と関係が深いもう一つのトピックは、量子テレポーテーションです。「チャーリー、転送を頼む」のセリフ でもお馴染みですが、宇宙のある場所から別の場所へと、物や生命体を短時間で転送するというアイデアは、常に人々を魅了してきました。1998年、アントン・ツァイリンガーの研究チームが、初めて量子状態のテレポーテーションに成功し、大きな話題になったことも頷けます。ここでも、量子もつれ状態とその非局所的な性質が重要な役割を担っています。量子テレポーテーションでは、まずテレポートする粒子を別の粒子ともつれ状態にし、その粒子をテレポート先に転送します。そして、高度な測定手順により、元の粒子の状態が失われ、2番目の粒子がその状態を正確に再現します。ただし、これは単一光子とその偏光状態などの最も原始的な特性についての話であり、より複雑な物質や生物をもこの方法で転送できるようになるには、まだかなり長い道のりが必要です。しかし、アントン・ツァイリンガーとその同僚たちは、その事実と方法を示したのです。それだけでも間違いなくノーベル賞に値します！
クラウザー、アスペ、ツァイリンガーの3人の先駆的な研究がなければ、量子コンピュータもまた机上の空論に過ぎなかったでしょう。古典コンピュータとは対照的に、量子コンピュータは量子ビットと呼ばれる量子力学的な状態に基づいて計算を行います。量子ビットは、従来のコンピュータのように0か1のどちらかではなく、2つの基本的な状態の重ね合わせの可能性があります。その結果、従来は1つの状態だけに適用していた計算手順を、状態のまとまり全体に適用することができるのです。このようにデータ処理に並列性を持たせることで、息をのむような計算速度を備えた、情報技術におけるまったく新しいアプリケーションの領域が開かれるのです。これは理論上だけでなく、すでに実用化されています。詳しくは、[量子コンピューターの急速な発展は、ハイテクの真空バルブにかかっている」をご覧ください。
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言うまでもなく、もつれ状態を扱う実験は、非常に繊細な作業です。というのも、もつれ現象は、量子粒子間の位相関係がいかに安定しているか（専門用語：コヒーレンス）に大きく依存するため、個々の光子や原子の量子状態を精密に制御する必要があるからです。テレポートする光子が空気分子と衝突してしまったら、実験が台無しになってしまいます。そのため、量子コンピュータのハードウェアもまた、極めて繊細です。どんなに小さな環境の変化でも、計算結果を大きく狂わせてしまう恐れがあるのです。つまり、絶対零度に近い温度への連続的な冷却や、信頼性の高い超高真空状態がなければ、これまで述べてきた実験はすべて失敗に終わっていたかもしれません。今後、量子コンピュータが普及するためには、ハイテク真空バルブが不可欠となることは言うまでもありません。VATは、量子情報技術の誕生以来、この分野をリードする多くの研究チームと密接に連携してきました。1998年、アントン・ツァイリンガーによる、もつれ状態のテレポーテーションを実証する有名な「もつれ交換実験」でも、VATバルブが大きく取り上げられています。