シュレーディンガーの猫を救出する方法がついに判明か？（米研究）

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　量子力学は確かに謎めいている。生物や宇宙のようなあらゆる自然現象をミクロな系の集まりとして解析してしまうのだから。

　「シュレーディンガーの猫」と言われる思考実験もそうだ。

　いろいろヤバいものと一緒に箱の中に入れた猫は生きているか？死んでいるか？という例のアレだ。観測者が箱を開けて中を見ない限り、猫は同時に生きている状態と死んでいる状態、50:50で重ね合わせで存在している事になるというアレのことだ。

　既に何をいっているかよくわからない人はこの辺の動画を参照してもらうことにして、今回発表された論文によると、箱の中の猫が死ぬタイミングを予測する方法を発見したという。

　もちろん全て量子力学の理論上の話だ。実際に猫を使っての実験ではないので安心してほしい。

猫はさておきまずは原子の話をしよう

　ひとまず猫は置いておくとして、まず原子とその振る舞いについて話そう。

　空間にある原子を想像してほしい。そして、それに干渉するのはあなたしかいないとする。手元には信頼性の高い光源がある。それを利用すれば、1つずつ光子を飛ばして、原子を励起させることができる。

　今のところ何もしていないので、原子はじっとしたままだ。だが、意を決して光子をぶつけてみることにした。

　すると、原子についてあなたが知っていることは少なくなる。原子が光子を吸収し、より高いエネルギーを帯びた状態にある可能性もあるし、光子は原子を通過してしまい何も変化していない可能性もある。

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　この原子の振る舞いを予測するには、それについての知識が乏しいことを受け入れ、励起した状態と元の状態の両方を考慮しなければならない。これを「重ね合わせ状態」という。

　重ね合わせ状態は正しい数値を得るための数学的なヒネリのように思えるかもしれないが、そうではない。実際に原子は両方が混ざった状態にあり、それは確率で記述される。だが、原子が励起した状態と元の状態は半々の確率にあるわけではなく、それが光子を吸収する確率によって決まる。

　もしここで2発目の光子を発射すれば、確率のバランスは変化し、原子が励起した状態にある見込みは高くなる。もっと発射すれば、さらに確率バランスは変化するだろう。

予測できないものを予測する

　ここで、今度は原子の後ろに光子検出器を設置するとしよう。すると原子についての知識は増える。光子が原子を通過してしまった場合、それは検出器によってキャッチされることになる。光子が吸収されなかったことがはっきりしているなら、原子は元の状態にあるということになる。

　もっと微妙なやり方として、検出器を脇にどけておくというものがある。検出器は光子が吸収されたかどうかを伝えることはない。しかし、もし反応したとすれば、原子から脱出してたまたま検出器の方向へ飛んで行った光子のおかげで、それまで原子が励起状態に”あった”ことがわかる。

　この最後の2つのケースで重要なことは、そこに予測不能な要素があるということだ。光子が吸収されるのかどうか事前に知ることはできないし、検出器が反応するかどうかもわからない。

　光子の吸収と放出は、原子が突然ある状態から別の状態に遷移すること――つまり「量子飛躍」が起きたことを表している。この量子飛躍が起きるタイミングはまったく予測できないとされていた。

　ところが、じつはそれが原子を観察するタイムスケールに依存していることが判明し、今や”ほぼ”予測できないに変わったのだ。

人工原子で中を覗き込む

　さあ、ここで冒頭の研究に移ろう。

　研究者といえど、理論的に完璧な量子にアクセスすることはできない。そこでその研究では、ほぼ完璧な人工原子を用いることにした。

　ざっくり言えば、その原子には3つの状態がある。一番最初のデフォルト状態である「基底状態（もっともエネルギーが低い）」、「暗状態（2番目にエネルギーが高い）」、「明状態（もっともエネルギーが高い）」だ。

　なお、この暗状態は起こりうるあらゆる干渉から可能な限り守られている。このために、原子が暗状態にあるのかどうかを直接測定することはできない。一方の明状態は短命で、原子が長い間この状態に留まることはできない。

　ついでに原子は基底状態から暗状態にも明状態にもなれるが、暗/明状態からは基底状態にしかなれない。

　また明状態は検出器とつながっている。原子が明状態から基底状態に戻るとき、マイクロ波光子が放出されるのだが、検出器はそれをほぼ100パーセント検出できる。

　同様に光子が突然消えてしまった場合（検出器から反応が消える）、原子は基底状態から暗状態に移ったのだと推測できる。こうして明状態は継続的にモニターされる。

　状態の遷移を促すために、原子に光子を浴びせる。すると原子は基底状態と明状態とを行き来しつつ、その都度マイクロ波を放出。だが、このときランダムなタイミングで、検出器が突然黙り込み、暗状態に入ったというサインが出る。しばらくするとまた回路が反応し、原子が暗状態から抜けたことが示される。この遷移が起きるタイミングを予測する手立てはないはずだ――。

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決定的瞬間にパンチを食らわせる

　だが、その遷移の瞬間をほんの少し前に特定できることが明らかとなった。

　検出器が反応するということは、原子が明状態を抜けて、基底状態に戻ったということを意味している。そして、その瞬間、そこから原子が暗状態になる可能性は0ではない。つまり原子は基底状態と暗状態の重ね合わせ状態にある。

　検出器の反応が途絶えている限り、原子が暗状態にある確率は最終的に収束するまで高まる。だが重ね合わせ状態の確率の変化は、原子系が非常によく理解されているために完全に予測可能だ。ならば、そこに（マイクロ波の）パンチを食らわせて、確率を修正することもできるはずだ。

　研究で実証されたのもこのことだ。

　原子が重ね合わせ状態になるためにかかる時間と暗状態に遷移するためにかかる時間は、それが暗状態でいる平均的な長さよりもずっと短い。

　そこで、明状態が収まるまでに通常よりわずかに長くかかったケースをリアルタイムで観察し、まさにその瞬間パンチを食らわせて原子が確実に暗状態になるようにした。

　またその逆に、別のパンチを食らわせることで、原子が暗状態になることを防ぐことが可能であることも示された。

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シュレーディンガーの猫を助けるには？

　なにやらこの件について長年の定説が覆されたかのような伝え方がされているが、それは誇張というものだ。

　この結果が実証しているのは、量子状態が記述される繊細さだ。きちんとした道具と高性能の検出器さえあれば、重ね合わせ状態が存在する（あるいはしてない）瞬間を特定かつ操作できるということだ。

　またシュレーディンガーの猫とも絡めて伝えられているが、大部分は無関係な話だ。

　シュレーディンガーの猫においてポイントとなるのは、箱から情報が一切漏れておらず、それが猫を生きた状態と死んだ状態の重ね合わせにするというもの。

　だが私たちは猫の状態についてのたくさんの情報を持っている。ならば、それを利用して箱の中に毒が放出されるタイミングを予測・操作して、猫を無事助け出せばいい。

　原子の状態を操作するのであれ、猫の状態を操作するのであれ、それを行うには、その系を深く深く理解していなければならない。

　そう、人間は量子力学を一歩また一歩を明らかにしているが、それを利用するためにはさらに別の知識が必要になるのだ。

　この研究論文は『Nature』に掲載された。

References:sciencealert / arstechnica/ written by hiroching / edited by parumo

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