量子もつれを利用して不確定性原理を「拡張」し、量子測定の精度を向上させる方法が見つかる

約100年前、ドイツの物理学者ヴェルナー・ハイゼンベルグは、量子力学の法則が、ミクロな物体のある特性を正確に測定することに、いくつかの基本的な制限を課していることに気づいた。

しかし、量子力学の法則は、他の方法では不可能なほど正確な測定を可能にする方法を提供することもできる。

今回、量子コンピュータを用いてミクロな物体をより正確に測定する方法について、私たちが行い、『Nature Physics』に掲載された新しい研究結果を紹介しよう。この方法は、バイオメディカルセンシング、レーザー測距、量子通信など、さまざまな次世代技術に役立つと期待される。

また、ハイゼンベルクの「不確定性原理」を変形させたもので、ある特定の状況下でその限界を超えることができたことから、シナリオによって異なる不確定性原理が必要である可能性が示唆されたのだ。

量子力学的な不確かさ

自動車のような日常の大きな物体の性質を調べるのは簡単な作業だ。

例えば、自動車は位置、色、速度が明確に決まっている。それらを次々に測定しても、一度に測定しても問題はない。車の位置を測定しても、色や速度は変わらない。

ところが、電子や光子（光の小さな小さな粒子）のようなミクロの量子物体を調べようとすると、これがかなり厄介なことになるのだ。

量子力学的な物体のある性質は、互いに結びついている。ある性質を測定すると、別の性質に影響を与えることがあるのだ。

例えば、電子の位置を測定すれば、その速度に影響を与え、逆に電子の位置を測定すれば、その速度に影響を与える。

このような性質を「共役」という。

これらの性質の関連性は、ハイゼンベルクの不確定性原理をそのまま表している。ある量子力学的な物体について、2つの共役的性質を同時に、好きな程度の精度で測定することはできない。一方について知れば知るほど、他方について知ることができなくなるからだ。

不確定性原理は、ある測定の精度に限界を与えるが、実際にその限界に到達するのは非常に困難なことである。しかし、量子力学的な物体を可能な限り詳細に測定することは、基礎科学の発展や新しい技術の開発にとって重要である。

絡み合う物体

私たちの新しい研究では、量子物体の共役特性をより正確に決定する方法を考案している。そして、私たちの共同研究者たちが、世界中のさまざまな研究所でこの測定を実施することができたのだ。

この新しい技術は、「量子もつれ」と呼ばれる量子系の奇妙な癖を中心に展開される。2つの物体がもつれ合うと、もつれ合わない場合よりも正確に測定することができるのだ。

私たちは、量子物体の状態を精密に制御できる量子コンピュータを使って、同じ量子物体を2つ作り、それをもつれさせることができることに気づいた。そして、そのもつれ合った物体を一緒に測定することで、個別に測定するよりも精度の高い物性測定が可能になったのだ。

また、もつれ合った2つの同一の量子物体を測定することで、測定時のノイズを減らし、より正確な測定が可能になる。

ノイズの少ない未来

理論的には、3つ以上の量子系をもつれさせて測定することで、さらに精度を上げることも可能である。しかし、今のところ実験的には実現できていない。

同じもつれた物体を3つ一緒に測定した結果は、非常にノイズが多かったのだ。しかし、量子コンピュータが改良されて精度が上がれば、将来的には量子系のコピーを3つ同時に忠実に測定できるようになるかも知れない。

この研究の重要な強みは、非常にノイズの多い環境下でも量子的な増幅が観測されることだ。このことは、ノイズの多い実環境で行われることが避けられない生体計測など、将来の実用化に向けて良い兆候である。

不確定性原理はどうなる？

この研究は、前述した不確定性原理に対しても示唆を与えている。

不確定性原理の解釈のひとつは、量子物体の共役な性質を無制限に正確に測定することは不可能である、というものだ。しかし、もう一つの解釈は、ある量子物体の共役な性質を測定すると、必然的に2番目の共役な性質がある最小限の量だけ乱されるというものである。

今回の研究では、2番目の解釈に基づく不確定性原理を破ることができた。このことは、どのような物理設定を考えるかによって、異なる不確定性原理が必要になる可能性を示唆している。

世界的な共同研究

私たちは、超伝導体、イオントラップ、フォトニクスの3種類の量子コンピューティング技術を用いた計19台の量子コンピュータで、私たちの理論を検証した。これらの装置はヨーロッパとアメリカの各地に設置され、インターネットを通じてアクセスすることができるため、世界中の研究者がつながり、重要な研究を行うことができるのだ。

私たちは、ARCの量子計算通信技術センター（CQC2T）の同僚と、シンガポールのA*STARの材料研究工学研究所、イエナ大学、インスブルック大学、マッコーリー大学、Amazon Web Servicesの研究者と共同で研究を実施した。

本記事はThe Conversationに掲載された記事「Physicists have used entanglement to ‘stretch’ the uncertainty principle, improving quantum measurements」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。