猫が死んでかわいそう、と思ってたみなさまにグッドニュース。

｢粒子は予測不可能に振る舞う｣というのは量子力学の基礎原理ですが、人工原子を使った実験で、そんなに単純な話でもないことがわかりました。量子ジャンプという原子の振る舞いはバッチリ予測が可能で、ジャンプを元に戻すことさえできたのです！

これは物理学、ひいては量子力学に依存する量子コンピュータが次段階にジャンプする世紀の大発見かもしれません。論文をまとめたIBMトーマス・J・ワトソン研究所のZlatko Minev研究員も、｢量子力学に新たな可能性が示されたかたちだ｣とGizmodoに語ってくれましたよ。

シュレーディンガーの猫とは

量子力学は、最小単位の原子の特性は｢量子化｣されるという大前提に基づいています。つまり連続的に変化するのではなく、あるところでビョンと変わる。坂道じゃなく階段みたいに変化するんですね。

たとえば最低エネルギー状態の電子に少しずつエネルギーを足してやると、普通は、じわじわ～っと高エネルギー状態に移行すると思いますよね？ 違うんです。いきなり次の状態に変わるんですね。頭で考えると中間状態もありえるけれど、実際には中間状態なんてものはなく、ローからハイに遷移して、それがいつ起こるかは誰にも予測ができない、という前提です。

それをシュレーディンガーは猫にたとえて説明しました。箱の中に｢放射性物質が崩壊する確率で毒ガスを発生する装置｣といっしょに閉じ込めると、ふたを開けて確認するまで猫は生きてる確率と死んでる確率が半々。つまり生きていながら死んでいる。箱を開けた途端、生と死いずれか一方の状態に収束される、という理論実験ですね。実際に猫を箱に閉じ込めて毒を盛るわけではないのだけど。

実験

｢でも本当にジャンプは予測不能なの？もしかしたら防げるんじゃない？｣と考え、実験したのが、今回Natureに掲載された論文の趣旨です。

研究班が実験で用意した人工原子は、抵抗のない電流が通るワイヤー（真ん中にジョセフソン接合と呼ばれる絶縁体を配置）でつくった電子回路で、通常の原子は原子核周辺の電子の位置で｢状態｣を示しますけど、人工原子では量子化特性（電子が絶縁体を通るごとに値は変わる）で示すという違いがあります。これがいわゆる量子システム（2量子ビットの量子コンピュータ）という回路。原子の周りの電子まで、ほかの量子システムと同じ規則に準拠してつくりました。

マイクロ波は2種類用意しました。1つ目は、原子が基底状態から励起状態に遷移するどんぴしゃなエネルギー量を供給する用で、2つ目は遷移常態の回路のエネルギーを間接的に測定する用です。

予測＆リバース成功

すると、人工原子が基底状態にあるときには明るく点滅する光子信号（2番目のマイクロ波パルスからの反射）が検出されるのに、励起状態になると点滅がぴたっと止まることがわかりました。で、光子が点滅をやめて暗くなる最後の瞬間まで光強度検出器でバッチリ計測できたんですね。つまりは遷移発生を予測できた！

で、そろそろ励起するな～というタイミングを見計らって、送るパルスを変えてやったら遷移も止まり、リバースに成功したのです。

シュレーディンガーの猫に置き換えると…

｢シュレーディンガーの猫｣は、猫がいわば2つの量子状態にあるという思考実験です。この量子力学の原則によれば、猫は実験がはじまったら最後、箱を開けるまで生きていると同時に死んでいる、ということになっています。要するに生＝基底状態、死＝励起状態。でも今回の実験では猫が生死半々の状態になる瞬間を間接的に察知して生の状態に戻すことができたんですね。

この実験成果には学会からも称賛の声があがっています。米Gizmodoが取材したデンマークのオーフス大学のKlaus Mølmer教授も｢すばらしい実験だ｣と言ってました。いちおう、放射性崩壊を止めて初期状態に戻せるような理論実証ではないと釘を刺してましたけど、その点は研究班もよくわかっていて、論文の中でちゃんと実験の限界についても慎重に明記しているしね、とのこと。

たとえば予測といっても遷移の兆候をキャッチできたのは起こる寸前です。ずっと前から正確な日時を予測することはできません。だけど起こる直前であってもわからないよりはずっとマシだし、量子コンピューターの世界では大いに役立つ可能性もあります。量子力学ベースのコンピュータはまだ進化の初期課程。ランダムエラーでおじゃんになる脆弱性がありますけど、エラー発生を寸前に予測できたら…いよいよはじまりますね。論文著者の中には量子コンピュータの会社で働く研究員もいて、Minevさん自身もIBMの永久研究職。応用に期待がかかります。

既存の量子コンピュータに実験成果が活かされるまでには時間も作業もまだかかるけど、量子力学の事象をリアルタイムで追えるなんてなんだか胸アツだなあ。