2023年2月22日
IT・科学

アインシュタインも悩ませた「量子もつれ」とは？

超伝導も、量子による不思議な現象

　量子の世界の奇妙さは、他にも様々あることがわかっています。例えば、2つのもつれた関係にある量子は、一方の状態に応じて、他方が決まった状態になる、という「量子もつれ」現象があります。

　一方が「上」他方が「下」という状態と、一方が「下」他方が「上」という状態がもつれた状態が量子の世界では許されます。一方の状態は「上」にも「下」にもなりえます。

　この「量子もつれ」が奇妙なのは、例えば、一方と他方が宇宙の大きさくらい離れていても、もつれた状態を保つことです。そのため、一方が「上」であることを確かめた瞬間、宇宙の大きさくらい離れた他方の状態が「下」であることが瞬時に分かってしまいます。

　この現象は、アインシュタインも悩ませました。彼の相対性理論によれば、光の速さより早く伝わる情報などはないからです。そのため、アインシュタインは、「量子もつれ」を不気味な遠隔作用と呼びました。

　しかし、自然法則は、理解のしやすさや受け入れやすさで決まっているのではなく、実験事実に支えられたものです。実際、「量子もつれ」の存在を実験的に検証することに成功したアスペ、クラウザー、ツァイリンガーの3人の研究者に、2022年のノーベル物理学賞が授与されています。

　つまり、私たちの日常的な体験では理解できないこと、哲学的に受け入れがたいことでも、なんらかの自然法則にしたがって実際に起きることがある。その顕著な例が量子の世界なのです。

　非日常的な量子の世界は、あるきっかけで日常に顔を出すことがあります。そのきっかけとなるのが相転移という現象です。これは、温度や圧力などによって、物質の相が変わることです。私たちの身のまわりで言えば、液体の水が固体の氷になったり、気体の蒸気に変わる現象です。相が変わると、その物質を構成する分子は変わらないのに、性質が変わることも私たちは知っています。

　この相転移によって、量子の世界が日常生活に現れることがあります。例えば、－200℃というような超低温で電気抵抗がなくなる、超伝導という現象がそうです。

　多くの人は、電気の流れを、銅線の中を電子という粒子が流れていて、ときどき粒子同士がぶつかるので、それが電気抵抗になる、というようなイメージで捉えていると思います。

　ところが、量子である電子は、波の面を見せることがあるのです。金属の中で相転移が起こり、電子全体が一斉に同じ運動をする状態になると、波がそろってきれいなマクロの波ができます。そのため、ぶつかっても波が壊れることがなく、電気抵抗が生じない。これが超伝導という現象で、レーザー光線に似たような状態になっているのです。

　ここで重要なことは、相転移という現象が、非日常な量子の世界を日常的な世界にもたらしたという点です。世の中には、知らない現象がまだまだたくさん潜んでいて、それらが新しい相転移によってあぶり出されてくるのです。見つかった現象をどのように利用するのかは、人次第です。うまく利用できれば、世界が一夜にして変わるかもしれません。