量子もつれ理論家が抜け穴を破る実験でノーベル賞を受賞

ノーベル委員会は昨年、気候変動モデル研究者3人に物理学賞を授与したのに続き、今年もこの分野の理論家3人を表彰した。同委員会は本日、量子もつれの理解に対する独立した貢献により、ジョン・F・クラウザー、アラン・アスペクト、アントン・ツァイリンガーの3名を2022年のノーベル物理学賞受賞者に決定したことを発表した。

量子力学は、粒子の謎めいた原子および亜原子特性に焦点を当てた比較的新しい物理学の分野です。研究の多くは個々の状態と反応に焦点を当てていますが、一部の専門家は、たとえば 2 つ以上の光子が互いに距離を保ちながら同じ状態を共有できると理論化しています。そうであれば、専門家は最初のサンプルを分析して、2 つ目、3 つ目、または 4 つ目のサンプルがどのようなものかを推測できます。

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量子もつれと呼ばれるこの現象は、宇宙でエネルギーがどのように流れるか、また孤立したネットワーク上で情報がどのように伝わるかという疑問に対する答えを握っている可能性がある。しかし、一部の批判者は、状態の類似性が単なる偶然なのか、それとも他の厳密な物理変数から生じたものなのか疑問視している。アルバート・アインシュタイン自身もこの説明に懐疑的で、同僚に宛てた手紙の中でこれを「不気味な遠隔作用」でありパラドックスだと呼んだ。

ここでクラウザー、アスペクト、ツァイリンガーが登場する。3人はいずれも、量子もつれ理論、別名ベル不等式における潜在的な抜け穴に対処する実験を考案した。カリフォルニアを拠点とする独立研究物理学者のクラウザーは、1972年に大学院生の協力を得て、光を当てたカルシウム原子から放出される光子の偏光をテストした。彼の測定値は以前の物理学の公式と一致したが、粒子を生成する方法にはまだ他の相関関係の余地が残っているのではないかと懸念した。

これに対し、フランスの物理学者アラン・アスペクトは、光子とその共通状態をより正確に検出する方法で実験を再現した。ノーベル委員会は、彼の結果は「重要な抜け穴を塞ぎ、量子力学は正しく、隠れた変数は存在しないという非常に明確な結果をもたらした」と述べた。

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クラウザーとアスペクトが純粋粒子物理学におけるエンタングルメントを研究していたのに対し、ザイリンガーはそれを計算と暗号化という新興分​​野にまで広げた。ウィーン大学名誉教授のザイリンガーは、結晶にレーザーを照射して反射光子を生成し、さまざまな測定でその特性を比較した。また、宇宙からの信号が粒子に影響を与えていないことを確認するために、宇宙放射線のデータも取り入れた。ザイリンガーの研究は、量子力学をテクノロジーに取り入れる土台を築き、現在ではトランジスタ、衛星、光ファイバー、IBM コンピューターに応用されている。

オーストリア科学技術研究所は今朝、同グループの元副会長であるツァイリンガー氏と他のノーベル賞受賞者の進歩を祝福する声明を発表した。「量子物理学の革命的な理論を実験に応用したのは、アスペクト、クラウザー、ツァイリンガーの並外れた研究でした」と彼らは書いている。「彼らの実証により、自然界の深遠で驚くべき特性が明らかになりました。いわゆるベル不等式の違反は、現実と因果関係に関する私たちの最も深い直感に疑問を投げかけ続けています。好奇心のみに駆られて量子状態を実験的に探究することで、量子テレポーテーション、多粒子および高次のエンタングルメント、量子暗号と量子計算の技術的展望など、さまざまな新しい現象が発見されました。」