アインシュタインが間違っていたことがまた証明されました!科学者らが超伝導回路における有名なベルテストを初めて検証

2022年、ベルの不等式の違反を検証した画期的な実験により、3人の物理学者がノーベル物理学賞を受賞しました。科学界で最高の栄誉を受けたにもかかわらず、ベルの不等式の進歩は終わらなかった。つい最近（2023年5月）、ネイチャー誌に掲載された新しい研究により、2つの超伝導回路におけるベルの不等式の違反が初めて検証され、超伝導回路内の量子ビット間でエンタングルメントが実際に発生したことが証明されました。

では、量子もつれとは何でしょうか?ベルの不等式とは何ですか?新しい実験の意義は何ですか?みなさんこんにちは。私はXue Pengです。今日はこれらの問題についてお話ししたいと思います。

私たちの物語は、1930 年代の物理学界における有名な議論から始まります。当時、アインシュタインは量子力学と、ボーアに代表されるコペンハーゲン学派の量子力学の解釈に懐疑的でした。

アインシュタインは量子力学が不完全であることを証明しようと、次々と思考実験を提案した。最も有名な思考実験の一つは、プリンストン大学の彼と彼の助手ローゼン、ポドルスキーによって提案されたもので、有名な EPR パラドックスです。この実験では、最初は合計スピンがゼロである 2 つのスピン 1/2 粒子 A と B について説明します。

粒子に |up> と |down> の 2 つのスピンがあると仮定すると、粒子 A のスピンが |up> の場合、全体的な保存を維持するためには粒子 B のスピンは |down> でなければなりません。逆もまた同様です。この時点で、これら 2 つの相関粒子は量子もつれ状態を構成すると言えます。

さて、もつれた 2 つの粒子を分離し、反対方向にどんどん離れて飛ばすとどうなるでしょうか?

この疑問を探るために、観測者のアリスとボブに、遠く離れた 2 つの粒子を測定してもらいます。量子力学によれば、アリスとボブが測定を行っていない限り、各粒子は重ね合わせ状態、たとえば |up> と |down> の確率が 50% の重ね合わせ状態にあるはずです。しかし、アリスが A を測定すると、A の重ね合わせ状態は瞬時に崩れ、たとえば |上> に崩れます。

問題は、アリスが A を |上> と測定したので、保存則により、B は |下> になるはずだということです。しかし、この時点で A と B は、たとえば数万光年と非常に離れています。量子力学の理論によれば、B は |up> の確率が 50%、|down> の確率が 50% になるはずです。なぜ常に |down> を選択できるのでしょうか?粒子 A と粒子 B がタイムリーに「相互に通信」できる何らかの方法があるのなら別ですが。たとえお互いを感知できたとしても、遠くからでも瞬時に信号が送られるようです！この遠隔作用は、光速を超えることはできないという特殊相対性理論と矛盾します。つまり、これはパラドックスを構成します。

そのため、アインシュタインは量子力学が不完全であると信じ、量子論の欠点を補い遠隔作用を排除するために、より普遍的な局所的実在論の理論を確立することを望みました。ボームは、アインシュタインの考えを引き継いで、1952 年に「隠れた変数」を導入し、局所的実在論に基づく完全に決定論的な理論、つまり局所的隠れた変数の理論を形成しました。

量子力学が正しく完全であるかどうか、あるいは局所隠れた変数理論が正しく完全であるかどうかを判断するには、実験を通じて検証する必要があります。この時、ジョン・ベルが登場しました！ 1964年、ベルは彼の名にちなんで名付けられた数学的な不等式を提案しました。彼は観測可能なものを定義し、局所隠れ変数理論に基づいて測定値が 2 を超えることはないと予測しました。量子力学の理論を使用すると、その最大値は 2\sqrt{2} に達する可能性があると結論付けることができます。実験測定結果が 2 より大きい場合、局所隠れ変数理論が間違っていることを意味します。

ベルの不等式の誕生は量子力学理論の局所的な論争を告げ、それは哲学的な色合いを帯びた純粋な推測から実験によって反証できる科学理論へと変化した。ベルはアインシュタインの信奉者だった。隠れた変数理論を研究した彼の当初の目的は、量子力学の非局所性が間違っていることを証明することだった。しかし、その後のすべての実験により、局所隠れ変数理論の予測は間違っており、量子力学の予測が正しかったことが証明されました。

1972年、ジョン・クラウザーとスチュアート・フリードマンはカリフォルニア大学バークレー校で最初のベルの定理の実験を行い、ベルの不等式が実際に破られていることを証明しました。しかし、この実験にはいわゆる局所性ループホールがあるため、その結果は決定的なものではない。局所性ループホールとは、もつれ合った粒子間の相関の対応する時間が光速を超えるという事実を指します。例えば、1 つの粒子を検出した結果が得られると、他の粒子の結果も瞬時に得られます。しかし、2 つの粒子間の距離が十分に長くない場合、光速での伝播の時間が、実験で別の光子の結果を得るのにかかる時間よりもはるかに長いことを証明するには不十分です。

1982年、パリ第11大学のアラン・アスペクトらはクラウザーとフリードマンの実験を改良し、測定精度を向上させ、測定の抜け穴を減らしました。アラン・アスペクトは、局所性脆弱性を回避するための実験を設計した最初の人物でもあります。

1998年、オーストリアのインスブルック大学のアントン・ツァイリンガーらは、厳密な局所性条件下でベルの不等式をテストし、局所性の抜け穴を排除しました。実験結果は決定的な意味を持っていた。

アスペクト、クラウザー、ツァイリンガーの3人は、もつれ合った光子を用いてミクロの世界ではベルの不等式が成り立たないことを実験的に検証し、量子力学の完全性を証明し、量子情報分野の発展を先導・促進した功績が認められ、昨年（2022年）のノーベル物理学賞も受賞しました。

その後も物理学者たちは、他の抜け穴を埋めることを目的として、さまざまなもつれ合った粒子のペアを通してベルの不等式の検証を続けた。たとえば、局所的な脆弱性に加えて、検出の脆弱性もあります。検出器の抜け穴は、検出器の効率が 100% ではないため、検出された粒子はベルの不等式に違反しているが、検出されなかった粒子は違反していないことが分かります。

オランダのデルフト工科大学のロナルド・ハンソン氏の研究グループがダイヤモンドカラーセンターシステムで実行したベルテストで、初めて完璧な結果を達成したのは2015年のことでした。場所による抜け穴を避けるため、2つのダイヤモンドカラーセンターを1.3キロ離れた2つの研究所に設置した。研究者たちは、エンタングルメント光子対とエンタングルメントスワッピング技術を利用して、ダイヤモンドの色中心内の電子間のエンタングルメントを実現しました。 2 つの色中心間の直接光通信に必要な時間は約 4.27 マイクロ秒ですが、実験を完了するのにかかる時間は 4.18 マイクロ秒で、光通信時間よりも 90 ナノ秒短いため、局所性の抜け穴が解決されます。さらに、カラーセンターの測定効率は96％と高く、測定の抜け穴も塞がれています。

これらの実験はすべて、もつれ合った光子に基づいています。冒頭で述べたスイス連邦工科大学チューリッヒ校（ETH）の科学者による最新の進歩は、2つの超伝導回路でベルの不等式の違反が初めて検証されたというものである。

ベルテストを本当に完璧にするために、研究チームは量子測定が完了する前に、2つのエンタングルメント回路間で情報が交換されないようにする必要があります。情報を伝送できる最速の速度は光の速度であるため、測定に必要な時間は、光粒子が 1 つの回路から別の回路に移動するのにかかる時間よりも短くなければなりません。 ETHの研究者らは以前、抜け穴のないベルテストを成功させる最短距離は約33メートルであると判定していた。これは、光粒子が真空中でその距離を移動するのに約110ナノ秒かかるためであり、これは研究者らが実験に要した時間よりも数ナノ秒長い。

最新の研究では、ETHの科学者らは、それぞれ超伝導回路を備えた2つのクライオスタットを、内部が絶対零度よりわずかに高い温度に冷却された長さ30メートルのチューブで接続し、人間の偏見を避けるために、乱数発生器を使用して量子ビットに対してどのような測定を行うかを決定した。研究者たちは、1秒あたり1万2500回の測定の速度で400万回以上の測定を行い、これらすべてのデータポイントをまとめて分析し、量子ビットが実際にアインシュタインの言う「遠隔での不気味な作用」を経験していることを高い確信を持って発見した。

研究者らは、超伝導回路は強力な量子コンピュータを構築するための有望な候補であると述べた。今回の研究により、量子コンピューティングや量子通信の発展が促進され、超伝導回路に基づく量子コンピューターの規模が拡大すると期待されている。

量子もつれの距離における幽霊のような動作をまだ理解するのが難しい場合は、この問題を因果関係の観点からまだ考えている可能性があります。先ほど述べた粒子Aと粒子Bの話に戻りましょう。

アリスが A を測定すると、A の重ね合わせ状態は、たとえば |上> のように瞬時に崩れます。アリスは A が |上> であると測定したので、保存則により B は |下> である必要があります。これは、粒子 A の測定結果が原因であり、粒子 B の状態崩壊が結果であるように聞こえます。 「原因」が「結果」を引き起こすプロセスには時間は必要なく、「瞬間的」な誘導です。これは、アインシュタインでさえ理解できなかった、いわゆる「幽霊のようなつながり」です。

しかし、ランダムに 100 組の粒子を選択し、各組にマークを付け、一方を A、もう一方に B とすると、A とラベル付けされた 100 個の粒子のうち半分 (確率) が |up> で、残りの半分 (確率) が |down> であることがわかります。同様に、B というラベルの付いた 100 個の粒子のうち半分 (確率) は |up> であり、残りの半分 (確率) は |down> です。 1 つずつ見ていくと、合計スピン数がゼロなので、同じペアの A と B は常に 1 つが |上>、もう 1 つが |下> になります。

結論: 量子もつれは因果理論では理解できない。 2 つのランダム シリーズ A と B は関連しています (因果関係なし)。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: 薛鵬

レビュアー: 張文卓、Quami Quantum の創設者兼 CEO、Mozi サテライト チームの元メンバー

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司