スイスのバーゼル大学のパオロ・コルチアギ氏とイーファン・リー氏率いる研究者らは、最近重要な実験を実施した。彼らは、これまでにテストされた最大のもつれ系である、それぞれ 700 個の原子からなる 2 つのボース・アインシュタイン凝縮を使用して、量子力学の中心的なパラドックスを調査しました。チームの目標は、アインシュタイン・ポドルスキー・ローゼンのパラドックス (EPR パラドックス) をテストすることでした。この現象は、80 年以上にわたり、量子力学の文脈における現実の理解に挑戦してきました。彼らの結果は、このパラドックスが複数の粒子を含む系に適用された場合でも存続することを示し、これは量子理論に基づく測定の研究である量子計測学に重要な意味を持ちます。
量子力学の「遠くでの不気味な動き」
量子力学は現代物理学の基礎であり、古典物理学の規則が当てはまらない原子や素粒子の挙動を記述するために 20 世紀初頭に開発されました。しかし、この理論には落とし穴があります。
1935 年、アルバート アインシュタイン、ボリス ポドルスキー、ネイサン ローゼンは、EPR のパラドックスをフィジカル レビュー誌の記事で発表しました。それは本当に量子論を打ち破ったようでした。具体的には、アルバート・アインシュタインが「離れた場所での不気味な作用」として有名に表現した現象である、2 つ以上の粒子が密接に結びつき、距離に関係なく互いに影響を与える、特有の量子もつれに関するものです。
この現象の影響は深く、複雑です。量子力学の文脈では、粒子の特性は測定されるまで定義されません。これは、有名なシュレーディンガーの猫の思考実験で表現された考えです。さらに、ハイゼンベルクの不確定性原理は、粒子の位置と運動量などの 2 つの相補的な特性を絶対的な確実性で同時に知ることはできないと述べています。
「スーパーアトム」はパラドックスを解決することを目的としている
EPR のパラドックスは、シュレーディンガーとハイゼンベルクの考えに疑問を投げかけます。絡み合った粒子を測定すると、そのパートナー粒子の特性について、不確定性原理が許す以上に瞬時に知ることができます。これは、光速度の限界と、物体やエネルギーが相互に影響を与えるには物理的に相互作用しなければならないという局所的実在論の概念の両方に違反しているように見えます。
EPR のパラドックスは、これまで主に、ベル テストとして知られる方法を使用して、通常は原子または光子のペアで構成される小さなもつれ系でテストされてきました。このパラドックスは、量子力学の理論が私たちの現実を完全には説明していないことを示唆しているようですが、このパラドックスはどこまで深刻なのでしょうか?
この疑問を調査するために、バーゼルの研究チームは、ボース・アインシュタイン凝縮、つまりボース群を絶対零度近くまで冷却することによって達成される特別な物質状態に研究を集中させた。これらの条件下では、粒子の量子特性が重なり合い、高密度の原子雲が単一の超原子のように動作します。
量子計測に関する洞察
EPR のパラドックスをより大規模にテストするために、コルシアギ、リー、および彼らの同僚は、2 つの 700 原子のルビジウム 87 雲を含む 2 つのボース アインシュタイン凝縮を作成しました。彼らはこれらの凝縮物を最大 100 マイクロメートルの距離で分離し、その特性を測定しました。研究チームは、これら 2 つの凝縮物の特性がランダムに相関しているわけではないことを発見しました。これは、EPR のパラドックスが以前の Bell テストと比較して大規模なシステムにも当てはまることを裏付けています。
このチームの発見は、将来の量子研究、特に量子計測の分野に説得力のある影響を及ぼします。研究者らによると、実験設定により、一方のシステムを高空間分解能で場と力を測定する小型センサーとして使用し、もう一方のシステムを量子ノイズを低減するための基準として使用できる可能性があるという。
この方法で EPR もつれを実証することは、量子力学に対する重要な洞察を提供するだけでなく、多粒子系における EPR もつれの潜在的な応用も提供します。発見が実用化されるまでには、まだ時間がかかるだろう。それでも、より大きなスケールで量子力学がどのように機能するかをより深く理解できるようになるため、これは重要な前進です。これは最終的に、量子コンピューターから高度なセンサーに至るまで、新たな技術開発への扉をさらに開くのに役立つ可能性があります。
出典: 「物理的現実の量子力学的記述は完全であると考えられるか?」(Physical Review、1935)。 「2 つのボース アインシュタイン凝縮体を用いたアインシュタイン ポドルスキー ローゼン実験」 (Physical Review、2023)