量子もつれとは？

量子もつれ：ミクロの世界の不思議な繋がり

2022年、ノーベル物理学賞は「量子もつれ」と呼ばれる不思議な現象の存在を実証した3名の研究者に授与されました。1 量子もつれは、量子力学の世界で起こる現象の中でも特に興味深いもので、2つ以上の量子が空間的にどれだけ離れていても、互いに強い相関を持つ状態を指します。2 まるで目に見えない糸で繋がっているかのように、一方の量子の状態が確定すると、もう一方の量子の状態も瞬時に決まってしまうのです。NHKスペシャルでも特集が組まれるなど 3、近年注目を集めている現象です。

本稿では、量子もつれの定義、発生メカニズム、応用例、そして将来展望について詳しく解説していきます。

量子もつれの定義

量子もつれとは、複数の量子系が、古典物理学の枠組みでは説明できない相関関係を持つ現象です。4 例えば、2つの電子がもつれ状態にある場合、一方の電子のスピンが上向きに観測されると、もう一方の電子のスピンは必ず下向きになります。5 驚くべきことに、この相関関係は2つの電子が空間的にどれだけ離れていても、瞬時に成立します。5 アインシュタインはこれを「薄気味悪い遠隔作用」と呼び、量子力学の奇妙さを示す象徴的な例として挙げました。5 このような不思議な相関関係は、古典物理学では説明することができず、量子力学特有の現象です。

量子もつれはどのように発生するのか？

量子もつれは、様々なメカニズムで発生します。

  • 自然発生: 例えば、原子や分子が相互作用する際に、量子もつれが生じることがあります。6
  • 人工的な生成: 特殊な光学系を用いることで、人工的に量子もつれ状態を作り出すことができます。7

量子もつれの発生メカニズムを深く理解するためには、まず量子力学における「重ね合わせ」の概念を理解する必要があります。量子力学では、粒子は複数の状態を同時に取ることができます。これを重ね合わせ状態と言います。5 2つの粒子が重ね合わせ状態にあるとき、それぞれの粒子の状態は独立ではなく、互いに相関を持つようになります。これが量子もつれの発生メカニズムです。

外部からの干渉があると、量子もつれは壊れてしまいます。この現象は「量子デコヒーレンス」と呼ばれ 8、量子コンピュータなどの量子技術における大きな課題の一つとなっています。

興味深いことに、量子もつれの境界則は広範囲な量子力学系で存在することが分かっています。9 これは、基底状態を探る数値計算を探索できることを示唆しており、テンソルネットワークを使った量子アルゴリズムや、量子計算、量子機械学習など多くの分野に重要な知見をもたらすものと期待されています。

量子もつれの応用

量子もつれは、量子コンピュータ、量子通信、量子センシングなど、様々な分野への応用が期待されています。その可能性は、私たちの社会や生活を大きく変える可能性を秘めています。

 

ApplicationDescriptionPotential Use Cases
量子コンピュータ量子力学の原理を利用して計算を行うコンピュータ。10 従来のコンピュータでは不可能な計算を高速に行うことができます。11創薬、材料開発、人工知能、金融モデリング、暗号解読
量子通信量子力学の原理を利用して情報を伝送する通信技術。12 盗聴が不可能な安全な通信を実現することができます。12機密情報の保護、金融取引、安全保障
量子センシング量子力学の原理を利用して、高感度なセンサーを実現する技術。13 従来のセンサーでは検出できなかった微弱な信号を検出することができます。医療診断、環境計測、材料科学、地震予知

量子コンピュータ

量子コンピュータは、量子力学の原理を利用して計算を行うコンピュータです。10 従来のコンピュータでは、情報は0または1のビットで表されますが、量子コンピュータでは、0と1の重ね合わせ状態を表す量子ビットを使用します。14 量子もつれを利用することで、量子ビット間の相関関係を制御し、従来のコンピュータでは不可能な計算を高速に行うことができます。11 量子コンピュータの実現には、超大規模な量子もつれ状態を作り出すことが不可欠です。15

近年では、半導体において電子と正孔の間の量子もつれ生成に初めて成功したという報告もあります。16 これは、量子コンピュータの実現に向けた重要な一歩と言えるでしょう。

量子通信

量子通信は、量子力学の原理を利用して情報を伝送する通信技術です。12 量子もつれを利用することで、盗聴が不可能な安全な通信を実現することができます。12 量子通信は、機密情報の保護や金融取引など、セキュリティが重要な分野での応用が期待されています。

量子通信の実現には、量子もつれ状態を長距離間で伝送する技術が不可欠です。近年、多重化技術を活用することで、従来の効率を維持しつつ、位相制御の難易度を大幅に緩和する新しい手法が提案されています。17 また、ソフトバンクと横浜国立大学発ベンチャーのLQUOM株式会社は、実用環境における量子もつれの伝送実験を開始しており 18、量子通信の実用化に向けた取り組みが加速しています。

量子センシング

量子センシングは、量子力学の原理を利用して、高感度なセンサーを実現する技術です。13 量子もつれを利用することで、従来のセンサーでは検出できなかった微弱な信号を検出することができます。量子センシングは、医療診断、環境計測、材料科学など、様々な分野での応用が期待されています。

量子もつれ光を用いた量子計測は、標準量子限界を超える高感度な測定を可能にします。13 例えば、量子もつれ光を用いた位相差顕微鏡は、従来の顕微鏡では不可能だった微細な構造の観察を可能にすることが期待されています。

量子もつれの巨視的効果

量子もつれは、ミクロの世界だけでなく、巨視的な世界にも影響を与える可能性があります。近年、スピンと軌道の「量子もつれ」の巨視的効果が発見され、その制御に成功したという報告があります。19 これは、量子もつれが物質の性質に大きな影響を与えることを示唆しており、今後の研究により、新たな材料開発やデバイス設計に繋がる可能性があります。

量子もつれの最新研究動向

量子もつれに関する研究は、近年急速に進展しています。

  • 伝達速度の限界: 理化学研究所の研究チームは、量子もつれの伝達速度が光速を超えるか否かという疑問に答えました。20 結果として、量子もつれの伝達は光速以下であることが確認され、従来の物理法則との整合性が再確認されました。
  • 重力測定への応用: ドイツの研究チームは、原子の量子もつれを活用して重力を高精度で測定する新しい原子重力計を実証しました。21 これは、将来的に、地下資源探査や火山活動の監視など、様々な分野への応用が期待されています。
  • 可視化: 国際的な研究チームは、「量子もつれ」をリアルタイムに可視化することに成功しました。22 これにより、量子もつれの性質をより深く理解することができると期待されています。
  • 情報伝達の限界速度: 物理学者のリーブとロビンソンは、量子多体系における情報伝達の限界速度を1972年に理論的に明らかにしました。23 これは、量子もつれを用いた情報伝送技術の開発において重要な知見となります。

量子もつれの将来展望

量子もつれは、まだ基礎研究段階にある技術ですが 20、その可能性は計り知れません。

  • 量子コンピュータの実用化: 量子コンピュータの実用化に向けて、量子ビットの集積化、エラー訂正技術の開発など、様々な課題に取り組まれています。24 量子コンピュータが実用化されれば、創薬、材料開発、人工知能など、様々な分野に革新をもたらすと期待されています。25 ソフトバンクと慶應義塾大学は、原子核の量子力学的な効果を量子コンピューター上でシミュレーションし、ユースケースを検証するなどの共同研究をスタートしています。18
  • 量子インターネットの構築: 量子通信技術を基盤とした量子インターネットの構築が進められています。26 量子インターネットが実現すれば、安全な通信、分散型量子コンピューティングなど、新たな可能性が広がると期待されています。
  • 新たな量子技術の創出: 量子もつれの研究は、量子テレポーテーション、量子暗号など、新たな量子技術の創出にも繋がると期待されています。
  • 量子技術の歴史: 量子技術は、1980年代に第一次ブーム、1990年代に第二次ブームを迎え、現在は第三次ブームと言われています。27 量子もつれの研究は、この第三次ブームの中心的な役割を担っており、今後の発展が期待されます。

量子もつれ：更なる探求

量子もつれについてより深く学びたいという方のために、入門書や解説書、教育的な動画を紹介します。

書籍

  • 古澤 明. (2011). 量子もつれとは何か. 講談社28.
  • 古澤 明. (2011). 量子もつれとは何か―「不確定性原理」と複数の量子を操る量子力学 (ブルーバックス). 講談社29.
  • 竹内 繁樹. (2008). 単一光子と量子もつれ光子. 共立出版30.

動画

  • 量子技術高等教育拠点. 量子通信の基礎31.
  • 村山斉. (2022). 量子もつれって結局何なの？ノーベル物理学賞の解説【量子力学入門】. YouTube32.

結論

量子もつれは、量子力学における最も不思議な現象の一つであり、現代物理学の根幹を揺るがす可能性を秘めています。量子もつれの研究は、量子コンピュータ、量子通信、量子センシングなど、様々な分野に革新をもたらすと期待されており、今後の発展が注目されます。

量子もつれは、単なる物理学の理論的な概念ではなく、私たちの社会や生活、そして宇宙に対する理解を根本的に変える可能性を秘めています。その技術的な可能性に加えて、量子もつれは、私たちに現実の性質、因果関係、そして宇宙における私たちの場所について、深い哲学的な問いを投げかけています。 11

引用文献

  1. 2022年ノーベル物理学賞「量子もつれ」とは – 産総研, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.aist.go.jp/aist_j/magazine/20230308.html
  2. www.riken.jp, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.riken.jp/pr/closeup/2022/20220802_1/index.html#:~:text=%E9%87%8F%E5%AD%90%E3%82%82%E3%81%A4%E3%82%8C%E3%81%A8%E3%81%AF%E3%80%812,%E3%82%92%E6%8C%81%E3%81%A4%E3%81%93%E3%81%A8%E3%82%92%E3%81%84%E3%81%86%E3%80%82
  3. NHKスペシャル「量子もつれ」今夜22時。量子コンピュータやテレポーテーションも可能に!?, 12月 28, 2024にアクセス、 https://av.watch.impress.co.jp/docs/news/1650772.html
  4. 量子もつれ(りょうしもつれ)とは？ 意味や使い方 – コトバンク, 12月 28, 2024にアクセス、 https://kotobank.jp/word/%E9%87%8F%E5%AD%90%E3%82%82%E3%81%A4%E3%82%8C-185744
  5. 量子力学が創り出す不思議な世界ー量子テレポーテーション！ー | サイエンス＆テクノロジー | 研究・社会連携 | 京都産業大学, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.kyoto-su.ac.jp/project/st/st04_04.html
  6. 光格子中の強く相互作用するボース粒子系での量子もつれの生成 – 中央大学, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.chuo-u.ac.jp/aboutus/communication/press/2023/11/68560/
  7. 多様な量子もつれの実現と新たな応用(<小特集>量子もつれ) – J-Stage, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.jstage.jst.go.jp/article/butsuri/69/12/69_KJ00009732335/_article/-char/ja/
  8. www.itmedia.co.jp, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.itmedia.co.jp/news/articles/2406/05/news045.html#:~:text=%E3%80%8C%E9%87%8F%E5%AD%90%E3%82%82%E3%81%A4%E3%82%8C%E3%80%8D%E3%81%A8%E3%81%AF%E3%80%81,%E9%87%8F%E5%AD%90%E3%83%87%E3%82%B3%E3%83%92%E3%83%BC%E3%83%AC%E3%83%B3%E3%82%B9%E3%80%8D%E3%81%A8%E5%91%BC%E3%81%B6%E3%80%82
  9. 量子もつれの境界則に対する新しいメカニズムの発見 – 理化学研究所, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.riken.jp/press/2020/20200908_2/index.html
  10. 量子コンピュータ | 用語解説 | 野村総合研究所(NRI), 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.nri.com/jp/knowledge/glossary/lst/ra/quantum_computer
  11. 量子力学の反常識が創り出す量子コンピュータの世界, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.sci-museum.jp/wp-content/themes/scimuseum2021/pdf/study/universe/2018/03/201803_04-10.pdf
  12. 2023年に注目すべき技術 （4）量子通信—量子インターネット実現を目指して—, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.mitsui.com/mgssi/ja/report/detail/__icsFiles/afieldfile/2023/03/14/2301report_4.pdf
  13. 量子ニュース – 国立情報学研究所, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.nii.ac.jp/qis/first-quantum/e/newsLetter/pdf/newsletter_no15.pdf
  14. 量子コンピュータとは何か？概要や仕組み、課題について解説, 12月 28, 2024にアクセス、 https://ems.ttsystems.com/post-3233/
  15. 量子コンピュータ実現に導く超大規模量子もつれの実現 | 夢ナビ講義, 12月 28, 2024にアクセス、 https://yumenavi.info/vue/lecture.html?gnkcd=g006437
  16. 半導体を用いた量子もつれ光子の発生に成功, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.jst.go.jp/pr/info/info109/
  17. 量子インターネットへ向けた多重通信による高レート 量子もつれ生成手法の発明 – 横浜国立大学, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.ynu.ac.jp/hus/koho/32577/34_32577_1_1_241114050914.pdf
  18. 量子技術を用いた社会課題の解決へ。実用化に向けた取り組みを説明 – ソフトバンク, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.softbank.jp/sbnews/entry/20231117_02
  19. スピンと軌道の「量子もつれ」の巨視的効果の発見と、その制御に成功 – Press Releases – 東京大学 大学院理学系研究科・理学部, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2022/8174/
  20. 量子もつれの最前線：最新の発見とその未来へのインパクト – Reinforz, 12月 28, 2024にアクセス、 https://reinforz.co.jp/bizmedia/54998/
  21. 「量子もつれ」で重力をこれまでにない高精度で測定 新型原子重力計をドイツチームが開発 重力波検出への応用も：Innovative Tech – ITmedia NEWS, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.itmedia.co.jp/news/articles/2412/16/news058.html
  22. 陰陽マーク？ 「量子もつれ」をリアルタイムに可視化することに成功 国際チームが23年に発表：ちょっと昔のInnovative Tech – ITmedia NEWS, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.itmedia.co.jp/news/articles/2409/09/news051.html
  23. 量子もつれの伝達速度限界を解明 – 理化学研究所, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.riken.jp/press/2024/20240329_2/index.html
  24. 量子科学技術の最近の動向と将来展望, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.nistep.go.jp/wp/wp-content/uploads/NISTEP-STIH5-3-00187.pdf
  25. 量子コンピュータの動向と展望 – 日本総研, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.jri.co.jp/file/advanced/advanced-technology/pdf/15330.pdf
  26. あなたを守る究極の暗号。量子インターネットがもたらすもの。 – 大阪大学 ResOU, 12月 28, 2024にアクセス、 https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/story/2020/specialite_002_2
  27. 量子コンピュータ ～2030年に向けたロードマップ – Nomura Research Institute, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.nri.com/-/media/Corporate/jp/Files/PDF/knowledge/report/cc/mediaforum/2022/forum330_2.pdf?la=ja-JP&hash=9851413F50526876B18B3E5CD9CB871DE48F0544
  28. 『量子もつれとは何か』（古澤 明）：ブルーバックス – 講談社BOOK倶楽部, 12月 28, 2024にアクセス、 https://bookclub.kodansha.co.jp/product?item=0000194676
  29. 量子もつれとは何か―「不確定性原理」と複数の量子を扱う量子力学 (ブルーバックス) | 古澤 明 |本, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.amazon.co.jp/%E9%87%8F%E5%AD%90%E3%82%82%E3%81%A4%E3%82%8C%E3%81%A8%E3%81%AF%E4%BD%95%E3%81%8B%E2%80%95%E3%80%8C%E4%B8%8D%E7%A2%BA%E5%AE%9A%E6%80%A7%E5%8E%9F%E7%90%86%E3%80%8D%E3%81%A8%E8%A4%87%E6%95%B0%E3%81%AE%E9%87%8F%E5%AD%90%E3%82%92%E6%89%B1%E3%81%86%E9%87%8F%E5%AD%90%E5%8A%9B%E5%AD%A6-%E3%83%96%E3%83%AB%E3%83%BC%E3%83%90%E3%83%83%E3%82%AF%E3%82%B9-%E5%8F%A4%E6%BE%A4-%E6%98%8E/dp/4062577151
  30. 単一光子と量子もつれ光子 – 共立出版, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.kyoritsu-pub.co.jp/book/b10003945.html
  31. 量子通信の基礎 – 公開のオンライン講義, 12月 28, 2024にアクセス、 https://qacademy.jp/lecture/online/basic/
  32. 量子もつれ解説その１「量子力学」Quantum Mechanics アインシュタインが大嫌いだった量子力学とは？ ILC宇宙塾第15話 – YouTube, 12月 28, 2024にアクセス、 https://www.youtube.com/watch?v=v7wldqow-C0
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