量子の不思議な振る舞いを説明できるかもしれない量子思考実験を、目に見える液滴を使って再現することにマサチューセッツ工科大学（MIT）の研究チームが成功した事を報告している。

物体が原子かそれ以下の大きさである量子の世界は、粒子が奇妙な、時には逆説的な振る舞いをする混乱した世界である。例えば、量子もつれの概念は、2つの粒子が距離に関係なくつながっていることを示唆しており、まるで魔法のようにも感じられるだろう。

この目に見えない世界の混乱した性質を説明するのに役立つ思考実験のひとつに、「量子爆弾テスター」がある。この実験では、光子などの量子が、爆弾と物理的に相互作用することなく、爆弾を検出できる可能性を提案している。

この概念は何十年もの間、数学的に検証されてきたもので、粒子が通ったことのない経路の物体を検出できることを示すことで、量子力学の逆説的性質を実証するのに役立ってきた。

しかし今回、MITの研究者たちは、シリコンオイルを入れたプールという、よりありふれた設定でこの結果を再現出来た事を報告している。液滴の挙動が量子、特に光子について予測される特定の統計的挙動を模倣していることを実証した。

研究者らは、これは以前の実験と同じ結果を得ることができ、量子と古典の世界のギャップを埋めることに成功したと主張している。

量子爆弾テスターの原理を模倣

MITの発表によると、この実験では、光子などの量子が念力爆弾の検知器として機能する可能性があることが提案された。

研究の中で著者らは、液滴とその波との相互作用を観察しているとき、そのやりとりが量子力学における波動的性質と粒子的性質の両方を示す光子の挙動に似ていることに注目した。

声明では、液滴を量子爆弾実験の設定に似たシナリオに置くと、光子に予測されるのと同じ振る舞いを統計的に示すと説明している。例えば、仮に爆弾が50％の確率で存在するとすると、液滴は光子の挙動と同様に、25％の確率で直接の物理的相互作用なしに爆弾の存在を検出する。

この観察は、液滴系の統計的挙動と、類似の状況における光子のような量子粒子の予測される挙動との類似性を示している。

量子が、自分たちが通ったことのない経路の物体を検出できるという理論は、相互作用のない測定として知られている。この概念は、量子ビット（量子ビット）が、どちらか一方にしかなれない2進ビットとは異なり、同時に1にも0にもなれるという考え方に似ている。

この実験によって、パイロット波理論が証明されるかもしれない。これは、粒子の量子的挙動が、可能な状態の統計的波によってではなく、粒子を空間中に導く、粒子自身が作る物理的パイロット波によって決定されることを示唆する量子の考え方である。

「この流体力学的なパイロット波実験は、古典的な観点からは理解できないと考えられていた量子系の多くの特徴を示していることがわかりました」とBush氏は述べている。

2つの現実の橋渡し

研究者たちはこの研究を、「観測可能な古典的世界と、よりファジーな量子領域」という、2つの異なる現実をつなぐ架け橋として捉えている。

Bush氏は次のように述べている：「ここでは、量子世界の驚異のひとつとされる量子爆弾テストと同じ統計量を示す古典系があります。実際には、この現象はそれほど素晴らしいものではありません。そして、これは局所実在論の観点から理解できる量子の振る舞いのもう一つの例です」。

量子爆弾テスター実験では、爆弾は2つの通路のうちの1つに設置される。粒子が爆弾のある通路を進むと、爆弾と相互作用して爆発する。しかし、もし粒子が爆弾のない通路を通った場合、その粒子の波動関数、つまり可能なすべての状態の総和は、実際に爆発させることなく、爆弾によって切断される。

統計的には、爆弾が実験中に50％存在する場合、粒子が爆弾と相互作用することなく爆弾を検出する確率は25％ということになる。

MITの研究者たちは、シリコンオイルを満たした浴槽を使ってこの実験を再現した。この浴槽には、通路のある水没した構造物があり、ある通路には爆弾を模した小さな物体が置かれていた。そして、小さな油滴を浴槽に散布し、その経路を追跡した。

研究者たちは、液滴が「爆弾」のない通路で跳ね返った時間のうち25パーセントは、その「パイロット波」が爆弾の構造と相互作用し、液滴を爆弾から押しやったと主張している。

この結果は統計的に同じであるため、油滴が量子論的な振る舞いをすることを示唆している。しかし、研究チームは、この挙動が液滴の実際の液体中の波動から現れたものであり、液滴を爆弾から遠ざける物理的な助けになったことを確認することができた。その結果、この古典的な結果は、量子粒子の混乱した振る舞いを説明するのに役立つ可能性がある。

「統計が同じであるだけでなく、謎であったダイナミクスもわかっています。して、類似の力学が量子動作の根底にある可能性があると推論されています」と、共著者のValeri Frumkin氏は述べている。

「この系は、量子的ではないが、強い波動-粒子特性を共有する、我々が知っている唯一の例です」と、ESCIパリの理論物理学者Matthieu Labousse氏は付け加えた。

「量子の世界特有のものと考えられていた多くの例が、このような古典的な系で再現できることは、非常に驚くべきことです。量子系に特有なものとそうでないものの間の障壁を理解することができます。グループの最新の研究結果は、この障壁を大きく押し広げるものです」と、この研究には参加していない理論物理学者のMatthieu Labousse氏は言う。

論文

• PHYSICAL REVIEW A: Misinference of interaction-free measurement from a classical system

参考文献

• MIT: MIT researchers observe a hallmark quantum behavior in bouncing droplets

研究の要旨

相互作用のない測定は、量子粒子が通ったことのない経路に沿って物体を検出することを可能にすると考えられている。そのため、量子現象の中でも最も魅力的な現象の一つである。ここでは、流体力学的なパイロット波系を用いて、無相互作用測定の古典的な類似性を示す。この系では、液滴は自ら作った波に導かれながら、振動する流体表面を自走する。我々は、粒子が波形によって導かれるという点で、相互作用のない量子測定の既存の合理化が、我々の流体力学系では明らかに相互作用のない測定であるという古典的な記述を可能にしていると主張する。