堀田先生の書籍『入門 現代の量子力学』のまえがきでは，「情報理論の観点からの最小限の実験事実に基づいた論理展開で、確率解釈のボルン則や量子重ね合わせ状態の存在などを証明する」と書かれています。堀田先生が提示された前提から量子論の数学的構造がただ一つに定まることを演繹的に導けるとのことです。私は，その主張には致命的な誤りがあることをいくつかの記事で述べてきました。 ほかの人が私の記事と堀田先生の記事の両方を読んで内容を理解することはきっと大変な作業であるため，結局どちらの主張が正しいのかがよくわからなかった人が少なからずいらっしゃったのではないかと思います。そこで，この記事では，堀田先生が提示されている前提のみからは量子論の数学的構造を演繹的に導くことは不可能であることを，量子論の基礎知識があればこの記事のみからほぼ完全に理解できるように，ていねいに説明します。 補足：今回の記事の主張は，こ

10月7日は、デンマークの物理学者ニールス・ボーア（Niels H. D. Bohr：1885〜1962）の誕生日です。 ボーアは、量子論の育ての親として、初期の量子論の展開を牽引し、量子力学の確立に多大な貢献をした人物です。水素原子の構造を研究し、ボーアの原子構造論を発表するなどの功績を残しました。1922年には、「原子構造と原子からの放射に関する研究についての貢献」によりノーベル物理学賞を受賞しています。 コペンハーゲン大学の教授に就任した彼の働きかけで同大学に「理論物理学研究所」が設置され、1920年に所長に就任しています。ボーアを中心とした研究者のグループは、大学や研究所の所在地から「コペンハーゲン学派」と呼ばれました。 ボーアが発表した相補性原理に基づく量子力学の解釈は、「コペンハーゲン解釈」と呼ばれるようになります。この解釈が多くの物理学者、とくにアインシュタインとの論争を生み

因果を破って充電します。 東京大学で行われた研究により、因果律の壁を打ち破る新たな手法によって、従来の量子電池の性能限界を超えることに成功しました。 これまで私たちは古典的な物理学も量子力学でも「AがBを起こす」と「BがAを起こす」いう因果律が存在する場合、一度に実行できるのは片方だけであると考えていました。 しかし新たな充電法では、2つの因果関係を量子的に重ね合わせる方法が用いられており、「AがBを起こす」と「BがAを起こす」という2つの因果の経路から同時に充電することに成功しました。 研究者たちはこの方法を使えば、既存の量子電池の充電能力を高めることができると述べています。 しかし因果律を破るとは、具体的にどんな方法なのでしょうか？ 今回はまず因果律を打ち破る不確定因果順序（ICO）と量子電池の基本的な仕組みを解説し、その後、2つの量子世界の現象を組み合わせた今回の研究結果について紹介

『不思議の国のアリス』では、主人公なアリスが迷い込んだ奇妙な世界が描かれています。 この「不思議の国」では常識的な物理法則が崩壊しており、物体のサイズや重さが変化し、時間の流れも簡単に逆転してしまいます。 しかし常識的な物理学の崩壊は、なにも不思議の国の専売特許ではありません。 量子力学の世界では、1つの物体が2つの場所に同時に存在し、何もない場所から粒子が現れては消えていくことが知られています。 そして誰かが観察をしない限り、世界を飛び回る粒子の状態を確定させることもできません。 ですが今回、米国のアマースト大学（AC）によって世界で初めて人工的に作られた「アリスのリング」は数ある量子世界の不思議さの中でも格別なものでした。 「アリスのリング」は物体が通過するとき、またはそれを通して他の物体をみたとき、その性質を変化させるという、極めて異常な性質があることが示唆されたのです。 研究者たち

『日経サイエンス』の記者兼編集者、古田彩さんによる「量子力学ってどうも騙されているようで納得できない」人のための、日経サイエンス７月号「特集:量子の地平線」の前説連ツイ。まだ続くようなので、暫定まとめです。

理化学研究所は27日、次世代の高速計算機、量子コンピューターの国産初号機の稼働を始めインターネット上のクラウドサービスで公開した。企業や大学に利用を促し、将来の産業応用に向けた知見を蓄える。日本は米中が主導してきた量子コンピューターの開発競争で名乗りをあげ、巻き返しを図る。理研は埼玉県和光市の拠点に量子コンピューターを設置した。国内では2021年に川崎市に米IBM製の量子コンピューターを設置し

コンプトン偏光計は、検出器内でコンプトン散乱を起こしたX線の散乱角度を測定する。多くのX線を入射した時の散乱角度の分布が、入射X線の偏光度に依存するという性質を利用することで、偏光度の計測が可能だ。 電子が多価イオンに捕獲される際にX線を放出する過程には、(1)捕獲されると同時にX線を放出する「放射性再結合過程」と、(2)捕獲された後に多価イオンの周りを短時間回ってからX線を放出する「二電子性再結合過程」がある。(1)は多価イオンに捕獲される電子のエネルギーがどの値でも起こるが、(2)はある特定のエネルギーの時にしか起きない(共鳴過程)。 今回の研究では、これまでの原子物理の常識でその遷移が無偏光と考えられていたことから、(2)の過程で放出されるX線の偏光度がEBIT-CCを用いて調べられた。そして、EBIT-CCが無偏光X線の偏光度を正しく0と測定することを確認するはずだったが、いくら測

電気通信大学(電通大)、東京大学(東大) 国際高等研究所 カブリ数物連携宇宙研究機構(Kavli IPMU)、筑波大学、核融合研究所(核融合研)、宇宙航空研究開発機構(JAXA)の5者は3月17日、多価イオンが高エネルギー電子を捕獲する際に放出する高エネルギーX線の偏光度を測定し、これまでの原子物理の常識では偏光していないと考えられていたX線遷移が大きく偏光していることを突き止めたと共同で発表した。 同成果は、電通大 レーザー新世代研究センターの中村信行教授、Kavli IPMUの高橋忠幸教授、JAXA 宇宙科学研究所(ISAS)の渡辺伸准教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、米国物理学会が刊行する機関学術誌「Physical Review Letters」に掲載された。 電磁波の持つ偏光度を調べることで、それを放出した原子やイオン中の電子がどの方向に運動していたかという「向き」に関す

量子もつれ、この言葉をきいて「それはね…」と説明できる人は、世界中のなかでも少数派ではないでしょうか。2022年のノーベル物理学賞は「量子もつれ」を研究してきた仏サクレー大学のアラン・アスペ博士、米クラウザー研究所のジョン・クラウザー博士、オーストリア・ウィーン大学のアントン・ツァイリンガー博士の3氏に贈られました。 言葉を聞いても、どのようなものかまったく想像がつかない量子の世界。恥ずかしながら今回の受賞がどのようにすごいのか、想像すらできませんでした。そこで、受賞の大きな理由となった「量子もつれ」がどのようなものか、大学で物理学を学んだことがない人でも理解のヒントになる情報を提供することを目的に、コラムとしてご紹介します。 【注】本記事は産総研マガジン編集部が理解できた限界のところまでをコラムにしています。学術上不十分かもしれませんが、その点ご了承の上、お読みいただけますと幸いです。

量子力学。それは物質の基本の姿、すなわち、この世界の基本の姿を解き明かそうとする理論だ。しかし、そこから導かれるさまざまな結論は、どれもわれわれの直観にあまりにも反している。 そんな量子力学をどう解釈するかをめぐっては、2つの代表的な方法がある。1つは、ニールス・ボーア（1885-1962）を中心に考えられた「コペンハーゲン解釈」。もう1つは、ヒュー・エベレット（1930-1982）が提唱した「多世界解釈」だ。現在、コペンハーゲン解釈が標準的な理論とされているが、それに異を唱える物理学者たちが主張しているのが多世界解釈である。しかしそれは、「この世界は無数に存在する」というSFとしか思えない世界像を主張する、一見、まともとは思えない解釈である。 多世界解釈では、なぜそんな世界が「必然」となるのだろうか？　その答えは、じつはごく自然なロジックの積み重ねで導くことができるのだ。 その前に今回は

理化学研究所（理研）革新知能統合研究センター数理科学チームの桑原知剛研究員（研究当時、現開拓研究本部桑原量子複雑性解析理研白眉研究チーム理研白眉研究チームリーダー、量子コンピュータ研究センター量子複雑性解析理研白眉研究チーム理研白眉研究チームリーダー）と慶應義塾大学理工学部の齊藤圭司教授の共同研究チームは、量子力学に従う多粒子系（量子多体系[1]）の熱平衡状態[2]では、一般に長距離に及ぶ「量子もつれ[3]」が存在しないことを示しました。 本研究成果は、量子機械学習[4]を含む量子計算に関する手掛かりを多く与えるとともに、有限温度[5]で観測されるさまざまな量子的物理現象に関与する量子もつれの分類研究に寄与すると期待できます。 量子コンピュータ[6]を使った量子計算には、量子もつれが本質的な役割を果たすため、量子もつれの有限温度における効果を解き明かすことは重要な未解決問題の一つでした。

小谷太郎『物理の4大定数　宇宙を支配するc、G、e、h』 幻冬舎plusで立ち読み・購入 Amazon 楽天ブックス 紀伊國屋書店 セブンネット 光速c、重力定数G、電子の電荷の大きさe、プランク定数h。これらの基礎物理定数は日常から宇宙までを支配する法則が数値となったものだ。我々はふだん物理定数など意識せずに暮らしているが、この値が違えば太陽はブラック・ホールと化し、人類は地球にいられず火星に住むハメになり、宇宙の姿は激変する。本書では人類がいかにして4大物理定数を発見したか、そのことでどんな宇宙の謎が解け、またどんな謎が新たに出現したかを解説。相対性理論、宇宙の構造、素粒子や量子力学までわかる画期的な書! 幻冬舎plusで立ち読み・購入 Amazon 楽天ブックス 紀伊國屋書店 セブンネット 小谷太郎『宇宙はどこまでわかっているのか』 幻冬舎plusで立ち読み・購入 Amazon 楽天

注射器やピストンに閉じ込めた空気を押し潰していくと、はじめは簡単に圧縮できますが、押せば押すほどさらに力が必要になってきます。 しかし閉じ込めたのもが空気ではなく光子の場合は少し違うようです。 ドイツのボン大学（University of Bonn）で2022年に行われた研究によれば、小箱に光子を入れて力をかけて圧縮していくと、ある瞬間からほとんど抵抗がなくなっていく様子が実験的に確認された、とのこと。 しかし、いったいどうして光は途中から圧縮に必要な力が減るのでしょうか？ 研究内容の詳細は2022年3月24日に『Science』にて掲載されました。

広島大学は、電気回路において擬似的なブラックホールを創生し、それを用いたレーザー理論を構築することに成功し、現在の技術では実際のブラックホールでの観測が不可能なホーキング輻射を観測可能にし、一般相対性理論(重力)と量子力学を統一する「量子重力理論」の完成に向けた取り組みを加速することになると発表した。 同成果は、広島大大学院 先進理工系科学研究科の片山春菜大学院生によるもの。詳細は、英オンライン総合学術誌「Scientific Reports」に掲載された。 自然界に存在する電磁気力、強い力、弱い力、重力の4つの力をすべて統一できるとされる超大統一理論は、重力を扱う一般相対性理論と、量子の世界を扱う量子力学を結びつけることができれば完成するとされることから、「量子重力理論」などとも呼ばれるが、重力と量子の世界は折り合いが悪く、その統一は困難とされ、4つの力の統一にはまだ長い時間がかかるとさ

量子テレポーテーション。 最近よく聞くバズワードかと思う。 物理学の世界においてこのテレポーテーションは実験もなされ、応用が試みられる段階だ。 しかし一般の方々の中には、本当に人類が瞬間移動の術を手に入れたと勘違いされている人もいらっしゃるようだ。 それに対して物理の専門家は、量子テレポーテーションでＳＦ的な瞬間移動装置を作るのはできないことも説明してきた。 この事実を強調することはとても意義があることだと思う。 このプロトコルではある古典的な情報を相手に伝える必要があるため、情報通信の最大速度である光速を超えてテレポーテーションを起こすことはできないのだ。 そのため物理学でいう「因果律」も破ることはない。 ただ認識論的な量子論解釈である現代的なコペンハーゲン解釈では、テレポーテーションの送り手側にとっては確かに瞬間移動のように見える現象ではある。 ただし受け手にとっては瞬間移動ではなく、

古典的世界では過去改変はわずかであっても重大な変化を引き起こす しかし量子世界では過去改変は現実には大きなダメージはない 量子世界では量子のもつれの複雑性はバタフライ効果の震源地ではなく過去改変による変化の抑制効果をもつ SF小説の世界で、タイムマシンを作った記念に幼少期のヒトラーを見に行く計画を実行したとします。 しかし未来に帰ると、ヒトラー率いるナチスが全世界を支配する世界に変わっていた…。 過去に”少し”干渉しただけで、世界に”大きな”影響を与えてしまったのです。 SFに詳しい人ならば、これはいわゆる「バタフライ効果」のせいだと気付くと思います。 バタフライ効果とは過去の些細な改変であっても、出来事の連鎖反応を引き起こし、未来を全く別物に変えてしまうという考え方です。 今回の研究のより、私たちの感覚とは大きく異なる量子の世界では、このバタフライ効果がほとんど起こらないと判明したようで

高橋義朗 理学研究科教授、田家慎太郎 同博士研究員らの研究グループは、「空間断熱移送」を質量を持った粒子で初めて実現しました。 量子力学で最も根本的な考え方の一つに、物質も波の性質を持つとすることが挙げられます。波の基本的な性質は、互いに重なり合って強めあったり打ち消しあったりする干渉効果です。この効果は真っ直ぐにつながった3つの容器の中の粒子でも見ることができます。3つの容器の間の遷移確率を上手くコントロールすると、干渉によって粒子が中央の容器には姿を現すことなく端から端へと飛び移る不思議な現象が起こります。この現象が 空間断熱移送と呼ばれています。 本研究は、レーザー光がつくる規則正しい格子パターンに原子を閉じ込める「光格子」を用いることで遷移確率を精密に制御し、格子点の間の空間断熱移送を観測することに成功しました。この過程で実現される状態は磁石の力の源になる強磁性とも深く関わっており

この例は規模が小さく、ちょっと頭で考えてれば答えがわかってしまうかもしれません。けれど、巨大なホテルだとしたら頭で考えるのが難しそうです。とにかくこの問題例をアニーリングマシンで解いてみることにします。 問題を量子アニーリングマシンで解くときは基本的に次のような流れに沿って解きます。 (1) 問題の抽出(2) 量子アニーリングマシン (イジングモデル) へのマッピング(3) アニーリングの実行(4) 解の解釈 (1) 問題の抽出 まずは、対象の問題を量子アニーリングで解くことのできるようにできる限りシンプルな問題に切り出すことが必要です。 この問題は実はグラフ頂点彩色問題に帰着させることができます。 グラフ頂点彩色問題とは、任意のグラフ G=(V,E) と色総数 K が与えられたとき、すべての頂点を、隣接する頂点 (すなわち、辺で接続されている頂点) が同色にならないという制約下でK色に塗