皆さんは「もしもあのとき違う選択をしていたら、今ごろどうなっていただろう？」と考えたことはありませんか。 人間は誰しも、日常生活の中で小さなターニングポイントをいくつも迎えます。 たとえば、今この瞬間、この文章を読んでいる“あなた”とはほんの少しだけ違う行動や選択をしている“もうひとりのあなた”が、見えない別の世界に同時に存在している──そんな奇妙な話は、いかにもSF小説に出てきそうな設定です。 しかし実は、この「並行世界（パラレルワールド）」の概念は、量子力学という現代物理学の基礎理論の解釈として、真剣に議論されてきた歴史があります。 これがいわゆる「多世界解釈（MWI）」です。 多世界解釈の根本的なアイデアは、「量子力学において生じる“重ね合わせ”のすべての可能性が、実際に現実として同時に存在する」というものです。 たとえば有名なシュレディンガーの猫の思考実験では「生きている猫」と「死

2024年度、量子力学の世界はこれまでの常識を覆す衝撃的なニュースが次々と飛び出しています。 たとえば「加熱の反対は冷却じゃない？」「時間は量子もつれの副産物？」「一方向に動くときだけ質量が生じる粒子とは？」といった、思わず目を疑うような研究結果が世界中の大学や研究機関で報告されました。 さらに「絶対零度を超える負の温度は“この世の何よりも熱い”」「因果律を崩壊させるかもしれない光の超常現象」「脳の意識は量子現象なのか」「量子エネルギーテレポーテーションがSFの世界を現実化する可能性」など、物理や化学、さらには生物学の領域をも巻き込む“量子革命”が進行中です。 果たしてこれらの新発見は、私たちの世界観をどこまで変えてしまうのでしょうか？ 今回は話題沸騰中の「2024年度版・量子力学ニュースTOP7」を厳選し、要点をわかりやすくまとめました。 最新の量子研究がもたらす“未来”を実感してみてく

おかげ様で多くの方からご好評を頂いております、通称「堀田量子」の拙書ですが、第3章における物理量の操作的な定義についてわかりにくいというご意見が一部ありました。執筆時には厳しいページ数制限があったため、初版では詳しく説明ができませんでしたが、その正しい理解のための補助線として、第2章と第3章を繋ぐ位置づけの「第2.5章」を、ここに書いておこうと思います。 2.5-1節　操作的に定義される物理量の考え方 本書は、前期量子論や正準量子化を論理の基盤とした前世紀の教科書とは異なる構成を採用しています。そのため、従来の教育を通じて培われた先入観を持ったまま読み進めると、ギャップを感じる場面が多々あるかもしれません。その代表的な例が、「物理量を人間が操作的に定義する」という点です。一方で正準量子化を採用している従来の書籍では、「物理量はエルミート行列（またはエルミート演算子）である」といった表現がよ

「負の温度」はこの世の何よりも熱いこの世でもっとも冷たい温度として知られているのが、絶対零度（0K＝－273.15℃）です。 古典物理によれば、物体の温度は内部の粒子の運動エネルギーによって決まり、0Kの物体は粒子がまったく動かず、エネルギーレベルがすべてゼロにそろった状態と解釈されます。 しかし、そこから少し温度を上げると、粒子のエネルギーは多様化していきます。 たとえば100℃の液体内では、“すべてが100℃相当のエネルギーを持つ”わけではなく、少数の高エネルギー粒子と多数の低エネルギー粒子に分かれているのです。 たとえば100℃の液体の内部にある粒子のエネルギー状態を調べ上げると、全てが100℃に匹敵するエネルギーを平均して持っているわけではなく、一部の高エネルギー粒子とその他多くの低エネルギー粒子によって構成されていることがわかります。 正の温度の世界では一部の高エネルギー粒子とそ

時間は存在するのか？時間とは、私たちの日常や科学の礎を支える、きわめて基本的な概念の一つです。 時計の針が刻む秒や、昼から夜へと移り変わる一日の流れは、時間が絶対的に存在すると信じさせるに十分でしょう。 しかし20世紀以降、物理学の飛躍的な発展によって「時間は本当に普遍なのか？」という根本的な疑問が浮かび上がってきました。 もしかすると、時間はある特定の条件下で姿を現す“派生的”な性質なのではないか、というのです。 アインシュタインの一般相対性理論では、時間は空間とともに「時空」を形づくり、重力の影響で歪んだり遅れたりします。 私たちが当たり前だと思っていた「絶対の時間」は、観測者の場所や状態によって変わる相対的な存在であることが示されたのです。 たとえば、強い重力場に近いほど時計はゆっくり進み、重力の弱い場所ではわずかに速く進むことが予測されます。 実際、東京大学と理化学研究所の研究チー

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

このコーナーでは、2014年から先端テクノロジーの研究を論文単位で記事にしているWebメディア「Seamless」（シームレス）を主宰する山下裕毅氏が執筆。新規性の高い科学論文を山下氏がピックアップし、解説する。 X： ＠shiropen2 米メリーランド大学と米ロチェスター大学に所属する研究者らが発表した論文「Non-Abelian Transport Distinguishes Three Usually Equivalent Notions of Entropy Production」は、量子系において、従来同等と考えれてきた3つのエントロピー増大の計算式が異なる結果を示すことを証明した研究報告である。 （関連記事：“エントロピー増大”を永遠に回避できる？　量子系が示す新たな数学的証明、米コロラド大学が報告） 水に浮かぶ氷が溶ける過程では、氷と水の間で熱が交換され、無秩序さが増大する

このコーナーでは、2014年から先端テクノロジーの研究を論文単位で記事にしているWebメディア「Seamless」（シームレス）を主宰する山下裕毅氏が執筆。新規性の高い科学論文を山下氏がピックアップし、解説する。 X： ＠shiropen2 米パデュー大学と米ノースカロライナ州立大学に所属する研究者らが発表した論文「Extracting and Storing Energy From a Quasi-Vacuum on a Quantum Computer」は、量子力学の性質を利用して、一見空っぽに見える空間からエネルギーを抽出し、瞬間移動させ、さらには貯蔵する方法を実証した研究報告である。 量子力学の世界では、完全に空の空間は存在しない。どんなに何もない場所でも、量子場の微小な揺らぎ（真空の量子揺らぎ）が常に存在する。これは、ハイゼンベルクの不確定性原理に基づく現象で、エネルギーと時間の

過去と未来の順序は曖昧で重なり合う？　量子電池の最新研究：今こそ知りたい電池のあれこれ（23）（2/2 ページ） 今回の研究には不確定因果順序という考え方が採用されています。従来の古典物理学の世界では「Aという事象の後にBという事象が起こる」と、その反対の「Bという事象の後にAという事象が起こる」は、どちらか一方しか成立しません。特に、AとBの間に明確な因果（過去と未来の関係性）がある場合、「未来のBという事象の後に過去のAという事象が起こる」とは、通常考えられないことかと思います。 しかし「AからB」「BからA」のどちらの順序で成立するのかを明確に確定できず、ときにはそのどちらもが同時に成立しうるというのが不確定因果順序の考え方です。このような因果律の非対称性（過去の原因があるから未来の結果があるという因果関係）に反する実験結果というのは、ますますもって感覚的に理解しにくい内容ではありま

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

遊園地は入らなければ出れない量子の世界は常識が通じない遊園地の敷地に入った時間は、出る時間よりも必ず前になります。 この常識はお客だけでなく、遊園地のスタッフや上空を通過する鳥、銃弾のような無生物にも適用されます。 生物も無生物も一定の領域を「通過」するならば、入るのが先で出るのは後、逆はできません。 それは子供でもわかることです。 しかし量子の世界においては日常の常識が通じないことが知られています。 量子の世界では1つのものが2つの通路を同時に通ったり、何もない空間から粒子が現れては消えていくことが確認されています。 また量子の世界の曖昧さは、物体の場所だけでなく、時間にも及ぶことが示されており、実験室レベルでは過去と未来を干渉させることにも成功しています。 二重スリット実験を物理的スリットではなく「時間の切れ目」で再現成功！ さらに物体の持つ電荷のような「性質」を、物体の「質量」から切

量子テレポーテーションを使った疑似的な超光速通信は可能量子もつれや量子テレポーテーションを扱う科学記事のコメントではしばしば「超光速通信」に触れた書き込みが散見されます。 量子もつれによれば「一方を観測することでもう一方の状態が瞬時に確定する」「たとえ銀河の端と端にいたとしても一瞬で粒子の状態が伝わる」といった説明がされるため、この部分が「超光速通信」と関連していると思う人が多いでしょう。 一方、量子力学について詳しい人々にとってそのような勘違いは非常に滑稽に映るため、しばしば量子力学に関する記事のコメント欄は混乱状態に陥ります。 結論から言えば、量子もつれや量子テレポーテーションを使った超光速通信は疑似的には可能です。 近年の研究では、もつれ状態にある粒子に対して、もつれ状態が壊れない弱い観測を、恣意的な結果が得られるように行う方法が注目されています。 画像情報を物理的に送信せず「テレポ

前世紀には観測問題を論じる人が多かったのですが、標準的な量子力学にはそのような観測問題はなかったことが現在では分かっております。例えば以下のように理解されています。 （１）波動関数の収縮について: 量子力学は情報理論の一種であり、波動関数は古典力学の粒子のような実在ではなく、情報の集まりに過ぎません。測定によって対象系の知識が増えることで、対象系の物理量の確率分布の集まりである波動関数も更新されるのが波動関数の収縮です。 「系を観測をすると、その波動関数（または状態ベクトル）は収縮し、その変化はシュレディンガー方程式に従わない」と聞いて、前世紀の「観測問題」に目覚めてしまって、「波動関数とは？収縮とは？」と懊悩してしまっている物理学徒は、まず箱の中の古典的なサイコロの目の確率を考察してみて下さい。 この場合は古典的な確率で、実際には箱の中のサイコロの目は決まっていますが、ここで問題とすべき

『量子革命』より ボーアは愕然とし、アインシュタインは微笑んだ。 ボーアはそれまでの三年間、アインシュタインが一九二七年十月のソルヴェイ会議で提案した想像上の実験を、何度も繰り返し吟味していた。いずれも量子力学には矛盾があることを示すためにデザインされていたが、ボーアは、どの場合にもアインシュタインの分析に欠陥を見つけた。しかしボーアはその勝利に安んじることなく、自分の解釈に何か弱点はありはしないかと、自分でもスリット、シャッター、時計などを使った思考実験を考えてみたが、それでも弱点は見つからなかった。だが、ボーアが考え出した思考実験のなかには、第六回ソルヴェイ会議の開かれているブリュッセルで、たった今アインシュタインが説明したような、シンプルで独創的なものはひとつもなかった。 第六回会議は「物質の磁気的性質」をテーマとして、一九三〇年十月二十日から六日間にわたり開催された。会議の組み立て

地球に住む私たちは、太陽が発する光エネルギーの恩恵を受けています。 植物が光合成をしたり太陽光パネルで発電できるのは、光エネルギーを利用しているからです。 そして光のエネルギーが消費されれば、光は消えてしまいます。 一方、光はエネルギーだけでなく運動量も持っていることが知られています。 そのためソーラーセイルのような光から運動量を受け取って徐々に加速していくシステムも考案されています。 ではこの光の運動量を0にしたら何が起こるのでしょうか？ 米国ハーバード大学（Harvard University）で行われた研究によれば、光を全く屈折しない材料に入れると、運動量が0になり、存在確率が材料内部全体に拡散して、どこにあるか全く不明になる、とのこと。 また運動量が0になった光を二重スリット実験に使用すると、理論上、光の波長が無限になって「しま模様」がなくなってしまうことが示されました。 運動量が

意識は量子効果で形成されているのかもしれません。 カナダのアルバータ大学（University of Alberta）とアメリカのプリストン大学（Princeton University）で行われた研究によれば、ヒトの意識は量子的な効果で発生しているという量子意識仮説を支持する発見あった、とのこと。 量子意識仮説はブラックホールの存在を示した業績で2020年にノーベル物理学賞を受賞したロジャーペンローズ博士らによって提唱されており、脳科学と量子論を融合した野心的な理論となっています。 かつてはブラックホールの存在と同じく「荒唐無稽」であるとみなされていましたが、新たな研究では量子意識仮説を裏付けるような実験的な結果が得られました。 ヒトの意識は本当に量子効果で形成されているのでしょうか？ 研究内容の詳細は2022年4月18日に開催された『Science of Conciousness』会議

回答: 専門外ですが、少しググってみました。 おそらく、 Arrow of time and its reversal on the IBM quantum computer が一番詳しく書かれているように思います。 残念ながら内容は理解出来ませんでした。(^-^; たとえ話では、ビリヤードの例で示されていましたが、余計に分かりにくいものでした。バラバラになったビリヤードの玉が元に戻ったというものです。 実際は、下記の図の左のように収束していた波束が広がるが、それを右側のように元に戻したという話のようです。ただし１００％戻したのではなく、８５％まで戻ったようです。 この世の...