この世のモノは見るまで存在しない“非実在性”は巨視的世界にも当てはまる

　電子や光子などの極めて小さい素粒子は、その振る舞いが量子力学で記述される。そして、量子力学によれば、これらの素粒子は、普段は確率として、ぼんやりとした霧の塊ように存在しており、観測を行なうまではその厳密な位置や速度などの状態を確定できない。つまり、見ていない(観測をしていない)素粒子は、見るまでは存在していないとも表現できる。

　この非実在性(見るまでは存在しない)は、素粒子のような微視的世界では厳密な実験で実証されているが、人間スケールの巨視的世界では、例えば月の非実在性(誰も見ていない間は月は存在していない)というのは、通常の常識的にはあり得ないと考えられる。だが、本当に巨視的世界にも物理学的見地から量子力学的非実在性が当てはまらないのかどうかは、これまで未解決だった。

　具体的には、ある物理系で実在性の破れを確認するためには実在性が満たすレゲット・ガーグ不等式と呼ばれる条件がその物理系で破れることを示す必要がある。この不等式は実在性が成り立てば必ず満たされるが、量子力学のように実在性が成り立たない系では満たされない場合がある。しかし、実験で直接レゲット・ガーグ不等式の破れを示すためには、量子性が保たれる時間内に3回の高精度な測定が必要などの厳しい条件があり実証が困難だった。

　そういった中、日本電信電話株式会社と米国イリノイ大学は、アルミニウム超伝導回路から成る超伝導磁束量子ビットにおいて実在性の破れの検証実験を行ない、実験誤差標準偏差の84倍の精度で超伝導磁束量子ビットの電流状態の非実在性を実証した。

超伝道磁束量子ビット

測定方法

　実験は、超伝導磁束量子ビットを10ｍKの極低温に冷却して行なった。この温度領域では熱による状態励起が無いため、量子ビットを最低エネルギー状態(基底状態:-1)に用意できる。-1状態に用意した超伝導磁束量子ビットに2回の状態操作を行なった後に量子状態を読み出し、2回の状態操作の間に観測を行なう場合と行なわない場合で結果を比較した。

　1回目の状態操作によって-1と+1の重ね合わせ状態を生成。実在性が成り立っているのであれば観測前に既に状態が決まっているので、観測の有無によらず読み出しの結果は変わらないことが期待されるが、量子重ね合わせによって実在性が破れている場合には、観測によって状態が+1または-1に定まる。この重ね合わせ状態が実現し非実在性が現れるとき観測の有無による差は最も大きくなることが期待される。次に、観測が状態を乱さないことを確認するための実験を行なう(コントロール実験)。1回目の状態操作によって-1または+1状態を用意し、観測の有無で差を測る。この差が十分小さいことにより状態が観測によって変わらないことが分かる。実験の結果、メイン実験での差がコントロール実験での差を大きく超えており、電流状態という巨視的な量での実在性の破れを実証した。

　超伝導磁束量子ビットには毎秒10の12乗個の電子の流れに相当する電流が流れているが、今後は観測による状態の乱れを更に抑えた測定を行なうほか、超伝導磁束量子ビットの電流を大きくしたり、集団の超伝導磁束量子ビットを用いることでさらに巨視的なスケールでの実在性の破れの検証を目指す。