あなたは、同時に2つ以上の場所にいたことがあるだろうか？もしあなたが原子よりずっと大きいのなら、答えは「ノー」だろう。
しかし、原子や粒子は、量子力学のルールに従って、複数の異なる状況が同時に存在することが可能だ。
量子力学は「波動関数」と呼ばれる数学的なオブジェクトによって支配されており、この関数には様々な可能性の確率が記述されている。
そして、これらの異なる可能性は、波動関数の中で、異なる状態の「重ね合わせ」と呼ばれる形で共存することができる。例えば、ある粒子が複数の異なる場所に同時に存在することを「重ね合わせ」と呼ぶ。
測定が行われたときに初めて、波動関数が「崩壊」し、系が1つの明確な状態になるのだ。
一般に、量子力学は原子や粒子の小さな世界に適用される。大規模な物体については、まだ審査が行われていない。
私たちは、この難問を解決できるかもしれない実験を提案し、『Optica』誌に発表した。
シュレーディンガーの猫
1930年代、オーストリアの物理学者エルヴィン・シュレーディンガーは、量子力学によって、箱の中の猫は生きていると同時に死んでいるという有名な思考実験を思いついた。
この実験では、密閉された箱の中に猫が入れられ、量子力学的なランダムな事象が発生すると、半々の確率で猫が死んでしまうというものだ。箱が開けられ、猫が観察されるまでは、猫は死んでいると同時に生きていることになる。
つまり、猫は観測される前は（複数の可能性を持つ）波動関数として存在している。観測されたとき、それは確定的な物体となる。
多くの議論を経て、当時の科学界は「コペンハーゲン解釈」でコンセンサスを得た。これは、量子力学が適用できるのは原子や分子だけで、もっと大きな物体を記述することはできないというものだ。
しかし、この解釈は間違っていた。
過去20年ほどの間に、物理学者は何兆個もの原子でできた物体に量子状態を作り出した。それは、肉眼で見ることができるほどの大きさである。しかし、これにはまだ空間的な重ね合わせは含まれていない。
波動関数はどのようにして実在するのか？
しかし、波動関数はどのようにして「現実」の物体になるのだろうか？
これは、物理学者が「観測問題」と呼ぶものである。この問題は、1世紀ほど前から科学者や哲学者を困惑させてきた。
もし、大規模な物体から量子の重ね合わせの可能性を取り除くメカニズムがあるとすれば、それは波動関数を何らかの方法で「乱す」必要があり、そうすれば熱が発生することになる。
もしそのような熱が見つかれば、大規模な量子の重ね合わせは不可能であることを意味する。もし、そのような熱を発生させないのであれば、自然界はどのような大きさでも「量子的であること」を気にしないのだろう。
もし後者であれば、技術が進歩すれば、大きな物体や、もしかしたら人間さえも、量子状態に置くことができるようになるかもしれない。
赤い波は波動関数を表している。(Image Credit: Christopher Baker)
赤い波は波動関数を表している。(Image Credit: Christopher Baker)
赤い波は波動関数を表している。(Image Credit: Christopher Baker)
物理学者は、大規模な量子的重ね合わせを防ぐメカニズムがどのようなものであるか分かっていない。ある人によれば、それは未知の宇宙論的な場であるとのことだ。また、重力が関係しているのではないかという説もある。
今年のノーベル物理学賞受賞者であるロジャー・ペンローズは、生物の意識の帰結ではないかと考えている。
微小な動きを追いかける
この10年余り、物理学者たちは、波動関数の乱れを示す微量の熱を必死で探し求めてきた。
これを見つけるには、正確な測定の邪魔になる他のすべての「余分な」熱源を（可能な限り完璧に）抑制する方法が必要である。
また、量子的な「逆作用」と呼ばれる、観測行為そのものが熱を発生させる効果も抑える必要がある。
私たちの研究では、このような実験を行うことで、大規模な物体に対して空間の重ね合わせが可能かどうかを明らかにしようとしている。今までの最高の実験では実現できなかったことだ。
振動する微小なビームに答えを見出す
私たちの研究では、超低温の冷蔵庫の中にある小さな共振器が、その答えになるかもしれないと考えている。この共振器は、ギターの弦のように振動する小さな物理的なビームだが、そのレベルははるかに小さく、周波数もはるかに高くなる。
これまでの実験と同じように、絶対零度より0.01度高い冷蔵庫を使う必要がある。(絶対零度とは、理論的に可能な最低温度である）。
今回の実験では、これまでの実験とは異なり、冷蔵庫の中で、これまでよりもはるかに高い周波数で振動する共振器を使用する。これなら、冷蔵庫の熱が邪魔になることもないだろう。
このように、冷蔵庫の温度が非常に低く、周波数が非常に高いという組み合わせにより、共振器の振動は「ボース＝アインシュタイン凝縮」と呼ばれるプロセスを経ることになる。
これは、共振器が冷蔵庫の熱で微動だにしないほど固く凍結している状態をイメージしてもらえばよい。原子や微粒子が非常に低いエネルギーに冷やされ、単一の量子状態に「凝縮」するのだ。
さらに、共振器の動きをまったく観察せず、共振器が持つエネルギー量を測定するという、別の測定方法を用いることもできる。この方法なら、背反熱も強く抑えられるだろう。
だが、どのように実現するのか？
光の粒子が共振器に入って、数百万回跳ね返って、余分なエネルギーを吸収する。そして、余分なエネルギーを吸収した光は、やがて共振器から外へ出て行く。
出てくる光の粒子のエネルギーを測定すれば、共振器の中に熱があるかどうかがわかるのだ。
もし熱があれば、未知の要因（コントロールできていない）によって波動関数が乱されたことになる。そうなると、大規模な重ね合わせは不可能ということになる。
すべてが量子なのか？
私たちが提案する実験は、挑戦的なものだ。日曜の午後に気軽にできるようなものではない。何年もかけて開発し、何百万ドルもかけて、熟練した実験物理学者を集めなければならないかもしれない。
それでも、私たちの現実に関する最も魅力的な疑問のひとつである「すべては量子なのか？」に答える可能性があり、その努力に見合うだけの価値があると考えている。
人間や猫を量子の重ね合わせ状態に置くことについては、それがその存在にどのような影響を及ぼすか、私たちには知る由もない。
幸いなことに、これは今のところこの問題は私たちが考える必要のないことなのだ。
論文の概要
自発的波動関数崩壊理論は、量子力学の測定問題を解決する可能性を提供する。しかし、これまでの実験では、熱揺らぎに制限され、また、崩壊の宇宙論的起源を特定するために想定される周波数よりはるかに低い周波数で動作していた。ここでは、これらの限界を超えるために、高周波のナノメカニカル共振器を用いることを提案する。私たちは、運動基底状態近くまで冷却された量子光学機械システムのブリージングモードを用いた具体的な実装を考えている。この方式は、フォノンカウンティングと、非線形光子変換や光子同時計数などの技術的ノイズの効率的な緩和を組み合わせたものである。これにより、崩壊モデルの決定的な検証に必要な非常に小さなフォノンフラックスを解決することができ、崩壊ノイズの宇宙論的起源という仮説も検証することができます。
