果たして物理学者は実験室で実際にワームホールを作ったのか？

先週、科学者たちがワームホールを生成したとされ、大きな話題となった。Nature誌に報告されたこの研究は、量子コンピュータを使って、物理学の単純化されたモデルでワームホールをシミュレートしたものである。

このニュースが報道された直後、物理学者や量子コンピュータの専門家は、実際にワームホールが生成されたことに懐疑的な見方を示した。

マスコミの報道は混沌としていた。物理学者が理論的なワームホールを作った、ホログラフィックワームホールを作った、あるいは小さくて粗悪なワームホールを作った、Googleの量子コンピュータがワームホールの実在を示唆している、と報じるメディアもあった。また、「物理学者はワームホールを作っていない」という冷静なニュースもあった。

もし、あなたが混乱しているのなら、それはあなただけではありません。実際は何が起こったのだろうか？

ワームホールと量子もつれ

宇宙は広大だ。あまりに大きいので、通常の手段で一方から他方へ移動することは現実的ではない。

ワームホールは一種の抜け道であり、宇宙の2つの領域を結ぶ近道で、長距離を短時間で移動することができるかもしれない。アインシュタインの相対性理論ではワームホールは許容されているが、自然界ではまだ発見されていない。

最近、物理学者たちは、ワームホールが「量子もつれ（エンタングルメント）」と呼ばれる別の現象に関連しているという考えを抱いている。

量子もつれとは、粒子が関与する特異な量子現象である。粒子をもつれた状態にすると、一方の粒子を測定すると、もう一方の粒子にもすぐに影響が及ぶように見える。この現象は、2つの粒子が離れていて因果関係がない場合でも起こる。

ワームホールは、ある種の量子もつれを表現しているに過ぎないのではないか、と指摘する物理学者もいる。もしこれが正しければ、量子力学と一般相対性理論という2つの物理学の著名な理論の間につながりが生まれることになる。

一般相対性理論は、重力の働きを説明し、大きなスケールでの宇宙を記述する。量子力学は、他の基本的な力を説明し、非常に小さなスケールの宇宙を記述する。

どちらも非常に成功した理論である。しかし、この2つの理論は、まだ1つの統一された理論にまとまっていない。

統一理論ができれば、量子力学と一般相対性理論の両方の見識が保たれると同時に、現在わかっていない量子の領域での重力の働きも説明することができる。

ワームホールは一般相対性理論の特徴であり、量子もつれは量子力学の特徴であるため、両者の類似性はエキサイティングだ。この2つの理論が、あるレベルではまったく同じものを記述している可能性を示唆しているのだ。

量子重力をチップで実現？

では、このワームホールと量子もつれの潜在的な類似性をどのように探せばいいのだろうか？

まず、私たちは粒子を実験的にもつれさせる方法を知っている。我々はすでにその種の実験をしばらく前から行ってきた。

そこで、ワームホールと同じ物理法則で記述できるような、特殊な量子系を構築することができる。もし、実験室でそのような系を作り、それがワームホールのように振る舞えば、量子もつれとワームホールは表裏一体であるという考えを支持することになるだろう。

量子コンピュータでは、基本コンポーネントをさまざまな量子状態にすることができ、それを使って量子実験を行うことができる。つまり、ワームホールと量子もつれの関係を検証する機会を提供するものだと思われる。

物理学者が量子コンピュータを使ってワームホールを生成したと報じられたのは、おそらくこのためだ。しかし、実際にはそうはならなかったようで、その理由は簡単にはわからない。

ワームホールではない

物理学者が行ったのは、量子コンピュータの基本構成要素を特定の量子状態にすることだった。そして、量子システムを通じて、コンピュータのある部分から別の部分へ情報を転送することができたのだ。

この量子システムと情報伝達の仕組みは、物理学のあるモデルを使って説明することができる。このモデルによると、コンピュータの中で起こった情報伝達は、ワームホールを通過するのと同じような現象であると説明できる。

しかし、使用されているモデルには少なくとも2つの限界がある。

まず、このモデルは、私たちの世界の物理学について非現実的な仮定をしているように見える。特に、宇宙の構成要素である時空が、ある種の性質を持つと仮定しているのだが、実際はそうではないかもしれないのだ。

第二に、このモデルは、量子コンピュータで実現可能な単純なシステムを記述するために単純化されている。このような単純化されたモデルは、物理的に不正確である可能性がある。

つまり、コンピュータの中で起こったことを、ある種のモデルを使ってワームホールのように記述することはできるが、そのモデルが私たちの知っている世界を表現しているかどうかは不明なのだ。

実験とシミュレーション

ワームホールは単なるシミュレーションに過ぎないという説もある。ある評論家は、このシステムをワームホールとみなすことは、「ビデオゲーム『Portal』をプレイすると、画面上に理論上の概念に似たものが描かれているので、実際のワームホールを作ることになると主張するようなものだ」と述べている。

確かに、シミュレーションから現実を推論することには注意が必要だ。しかし、このシミュレーションは、量子的な側面があるため、日常的なコンピュータで実行する通常のシミュレーションよりも実験に近いと言える。

そのため、このシミュレーションは、シミュレーションしている量子系について、正当に何かを教えてくれるように思える。しかし、このシステムは、特定の非現実的な物理モデルにおけるワームホールとしてしか解釈できないという問題が残されている。

ワームホールは存在しないが、それでも印象的

そのため、ワームホールができたかどうかは懐疑的であるべきかもしれない。しかし、感心させられる理由はある。

ひとつは、研究チームが機械学習の技術を駆使して、使用するモデルを簡略化し、有用な方法でシミュレーションを行ったことだ。

機械学習を用いて簡略化したモデルを作成したことは素晴らしいことであり、今後、このような機械学習の利用が増えることを期待したい。

また、量子コンピュータを使って、今回のような量子実験を行ったことも重要だ。これが実現できたことで、さらなる実験への道が開かれた。物理学の進歩につながる実験パラダイムを切り開くことができるかもしれない。

また、量子系を記述するのに使われたモデルのある側面が証明される可能性も、かなり遠い将来ではあるが、あり得る。その結果、将来的に量子もつれとワームホールの関係が明らかになるかもしれない。

しかし、これはまだ非常に憶測に過ぎない。

本記事はThe Conversationに掲載された記事「Did physicists make a wormhole in the lab? Not quite, but a new experiment hints at the future of quantum simulations」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。