時の流れは川の流れに例えられる。その流れは途中で分かれることはあっても、決してさかのぼることはない。これは誰しもが常識的に感じている事で、だからこそ過去にさかのぼり未来を変えるタイムトラベル物語に我々は胸を躍らされるのだ。

だが、量子力学の世界では我々の常識とはかけ離れた事が起こりうる。ケンブリッジ大学の研究者らは、「ある出来事を4回に1回はそれが起こった後に変更できる、過去にさかのぼるタイムトラベルのシミュレーションに成功した」と発表した。ただし、これはタイムマシンを作ったという事ではない事に注意を促している。

「誰かにプレゼントを送りたい場合を想像してみてください。3日目に届くように、1日目に送る必要があります。しかし、その人の欲しいものリストを受け取るのは2日目です。2日目に受け取った欲しいものリストの情報を使って、1日目に送ったものを変更できると想像してみてください。私たちのシミュレーションでは、量子もつれ操作を使って、最終的な結果があなたの望むものになるように、あなたの以前の行動を過去にさかのぼって変更する方法を示しています」と、日立ケンブリッジ研究所の主執筆者David Arvidsson-Shukur氏は説明する。

量子もつれを利用して、プレゼントを送った後に正しいものに変える

量子もつれとは、量子のある基本的な性質が2つ以上の粒子で共有され、ある1つの粒子でその性質を変化させると、他の粒子にも同じ変化が起こるというプロセスである。Physical Review Letters誌に掲載されたこのシミュレーションで、ケンブリッジ大学の研究チームは2つの粒子のもつれをシミュレートした。その後、粒子のひとつが実験に使われるために送り出される。

実験終了後、粒子は新たな情報を得た。この状況では、「実験者が2番目の粒子を操作することで、1番目の粒子の過去の状態を効果的に変化させ、実験結果を変えることができる」と、研究の共著者である米国立標準技術研究所（NIST）とメリーランド大学の研究者、Nicole Yunger Halpernは説明している。

少なくともシミュレーション上では、残った粒子を変えることで、研究者たちは過去を変えることに成功した。もつれた粒子を利用して、物理的空間を越えて情報をテレポートするだけでなく、時間を逆行させることに成功したのだ。しかし、研究者たちによれば、これには問題がある。この実験では、約25％の確率でしか新しい情報で過去を変えることができないのだ。

「言い換えれば、シミュレーションは75％の確率で失敗するのです。プレゼントに例えるなら、4回に1回は希望通りのもの（例えばズボン）が贈られ、もう1回はズボンのサイズや色が違ったり、ジャケットが贈られたりするということです」と、Arvidsson-Shukur氏は説明する。

幸いなことに、彼らのシミュレーションでは、少なくともいつ失敗したかはわかるので、研究者はシステムを作り直すことができる。この一見不可能に見える目標を達成するために、彼らは、理論的な実験者が多くの解決策を送ることを可能にするフィルタを使用することを提案している。

ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所で修士課程在学中にこの研究を行った共著者のAidan McConnell博士は言う。「安価な贈り物を初日に大量に送り出すことができるとします。2日目には、どのプレゼントを送るべきだったかがわかります。3日目に小包が届く頃には、4個に1個の割合で正しいプレゼントが届くことになります。どの配達物を廃棄するのかを受取人に伝えて正しい贈り物を送る事ができるのです」。

つまり、量子もつれ状態の光子を大量に送り、そのうちのいくつかが正しい情報を持つようにすれば、事後的にこの方法で実験を改良することができる。フィルターを使って、タイムトラベルしたように見える光子を実際に見るのだ。

タイムマシンではない

ただし、研究者らはこれらは単なるシミュレーションであり、もつれた粒子の既知の振る舞いをプログラムした成功例であることを強調している。つまり、少なくとも25％の確率で過去の実験結果を変更する方法が効果的に証明されたとはいえ、タイムトラベルの一種を実現する能力はないということだ。また、このようなループが存在するという主張はしていない。量子論はこのようなループのシミュレーションを可能にし、その結果として量子もつれが利用できるのだという。

「私たちの実験を成功させるためにフィルターを使う必要があるということは、実はとても心強いことなのです。もし私たちのタイムトラベルシミュレーションが毎回機能していたら、世界はとても奇妙なことになっていたでしょう。相対性理論や、我々が宇宙についての理解を深めているすべての理論は、窓から消えてしまうでしょう」とArvidsson-Shukur氏は言う。

「私たちが提案しているのはタイム・トラベル・マシンではなく、量子力学の基礎を深く掘り下げることなのです。このシミュレーションでは、過去に戻って過去を変えることはできませんが、昨日の問題を今日修正することで、より良い明日を作ることができるのです」。

論文

• Physical Review Letters: Nonclassical Advantage in Metrology Established via Quantum Simulations of Hypothetical Closed Timelike Curves

参考文献

• University of Cambridge: Simulations of ‘backwards time travel’ can improve scientific experiments

研究の要旨

我々は、計量士が、閉じたタイムリープ曲線（時間を逆行する世界線）をシミュレートすることによって、入力状態を修正することができる計量実験を構築する。閉じたタイムリープ曲線の存在は仮説である。しかし、量子テレポーテーション回路によって確率的にシミュレートすることができる。我々は、このようなシミュレーションを利用して、量子もつれによって達成可能な直感に反する非古典的な利点を突き止める。我々の実験は、一般的な情報処理と同じである：計量学者は、未知の量子相互作用に入力するプローブを準備しなければならない。計量学者は、未知の量子相互作用に入力するプローブを準備しなければならない。入力が最適であれば、プローブ1個あたり得られる情報は、古典的に達成可能な値を超えることができる。問題は、どの入力が最適であったかを計測学者が知るのは、相互作用の後であるということである。メトロロジストは、量子もつれ操作によって最適な入力を効果的に過去にテレポートすることで、入力を変更しようと試みることができる。効果的なタイムトラベルは失敗することもあるが、試行回数を合計すると、メトロロジストの勝率は確実にプラスになる。我々のゲダンケン実験では、量子もつれが古典的な時系列尊重の理論では禁じられている操作上の利点を生み出すことができることを示している。