量子もつれは宇宙で最も奇妙な概念です。2つ以上の物体が、その間に光ですら測定可能な接続がないにもかかわらず、互いに依存できる能力です。
しかし、魔法的、疑似科学的な力でもありません。ここでは量子もつれが実際にどう動くかを説明します。あなた自身で判断できるように。
定義
量子もつれは2つの量子測定間の依存関係です。
注: 2つを何も接続しておらず、光すらその間を移動しません。
自分で試してみる
下はアリスとボブで共有された2つのもつれ量子ビットのデモです。量子ビットを「測定」してパターンを見つけてみてください!
No measurements yet.
No measurements yet.
Whichever basis you measure in, Alice and Bob always come out opposite.
何を発見しましたか?2つのテイクアウェイがあります:
1. 両方の量子ビットで同じ方向で測定すると、常に反対方向を向きます。 ボブの量子ビットは、アリスが何を得たかをどうやって知るのでしょうか?それが不気味なところです。実際のもつれ量子ビットは、巨大な距離で離れて瞬時に測定されても本当に知っていることを証明できます。この接続は光より速く、本来不可能なはずです。
2. もつれ量子ビットが測定されると、もうもつれていません。 量子ビットは決定論的に何度も同じ答えを返すだけです。したがって、量子もつれを消費可能なリソースとして見ることができます。測定で使われると消えます。
実生活で量子もつれをどう作るか?
短い答え:2つの量子ビットを近づける。
多くの種類の量子ビットは近づけると自然にもつれます。例えば、ヘリウムの2つの電子のように、同じ軌道にある2つの電子。これらは自然にもつれています。
別の例:中性原子量子コンピュータの電子スピン。これらの電子を保持する原子を近づけ、特殊なレーザーで撃つことでもつれさせます。これはリュードベリ相互作用と呼ばれる相互作用をトリガーし、2つをもつれさせます。
「上」を誰が決めるのか?
ここが重要です。宇宙には絶対的な「上」はありません。あなたの上はオーストラリアの上と違います。だから2つの原子が常に反対方向を向くと言うとき、どの軸に沿って反対なのでしょうか?
答えはこのすべての中で最も奇妙な部分です。なんと:測定装置が何が上として数えるかを決めるのです。
原子のスピンを測定するとき、その方向を直接読み取ることはできません。スピンは空間のどこを指していても構いませんが、1つの質問しかできません:この軸に沿って整列しているか、それに反しているか? 軸はあなたが選びます。答えは「上」または「下」で返ってきます。これは厳しい限界で、これを回避できる測定は今まで作られていません。量子力学によると、それは可能でもないはずです。(といっても、誰が知るでしょう。あなたが方法を見つけるかも。)
「でもただ事前決定されているだけでは?」
あなたはこう言うかもしれません:方向は単に原子を近づけたときに設定されたのかもしれません。測定したときではなく。一方の原子は常に上で、もう一方は常に下だったのかもしれません。測定するときに発見しているだけで、何もクレイジーなことは起こっていないのかも。
それは明らかな結論のように見えます。しかしそれは間違っており、その理由は次のとおりです。
なぜか、量子ビットを測定した後、もう一方の量子ビットはあなたが測定した軸に即座にスナップします。上下で測定したなら、もう一方は上か下にスナップします。横向きで測定した場合も同じです。あなたの意図がもう一方の量子ビットに何らかの形で転送されます。
実際、これを証明した実験は2022年のノーベル物理学賞を受賞しました。下のセクションで一端を見ることができますが、実験自体を理解したい場合は、CHSH不等式に関する次のガイドに進んでください。
そうは言っても:量子ビットがどちらに行く(上または下)かを決められないため、この方法で実際に情報を送ることは不可能です。それは純粋にランダムです。
光より速く
これが2つの原子間を光が移動できるよりも著しく速く起こっていることを測定できます。
2012年、アントン・ツァイリンガーのグループは、カナリア諸島の2つの島 - ラ・パルマとテネリフェの間、143 km(約89マイル)離れた場所で、まさにこの種の実験を行いました。彼らはこの目的では原子スピンと同じ動作をするフォトンのペアをもつれさせ、ギャップを越えて送り、両端を測定しました。
彼らの時計は約3ナノ秒まで同期されていました。光は移動に約477,000ナノ秒かかります。フォトン間の相関は、その間の光速信号で説明できるよりも速く現れました。
この種の実験により、ツァイリンガーは2022年ノーベル物理学賞を、1982年と1972年に以前のバージョンを実行したアラン・アスペとジョン・クラウザーと共に受賞しました。
メッセージを送るために使えるのか?
つまり最終的に、光より速い物事の間の接続があり、それらは距離を気にしません。ワームホールのようです。なぜか、どの方向で測定するかというあなたの決定がパートナーに影響します。
しかしここに最後のひねりがあります:これを使って情報を送ることはできません。接続は本物ですが、信号を運べません。もう一方の人が何を見るかを制御する方法はありません。
なぜかは次のガイドのトピックです。お楽しみに。