【量子力学入門⑨】量子の世界に住んでいるのに誰も量子に見えない

量子力学入門①

ここまで読んできた人は、そろそろこんな疑問を持っているはずだ。

「電子は重ね合わせになって、観測すると状態が決まって、もつれた粒子は瞬時に連動して……それはわかった。でも、なぜ我々の日常生活では、そういうことが一切起きないのか」

まったくもって、正当な疑問である。

スーパーのレジに並んでいる人間が、「払うか払わないかの重ね合わせ状態」になっている様子は、誰も見たことがない。満員電車の中で、隣の乗客が「ここにいるとも、いないとも言えない」状態でいたためしもない。財布の中の小銭が、取り出すまで金額が決まっていない、という経験もない。

世界は量子力学で動いているはずなのに、我々の目に見える世界は、なぜこんなにも「普通」なのか。

この問いに答えるのが、「デコヒーレンス」と呼ばれる概念である。第6話でシャボン玉の比喩を使って少し触れたが、今回はもう少し丁寧に見ていこう。

電子が重ね合わせを保てるのは、外界との余計な相互作用を、十分に抑えられているあいだだけだ。

電子が周囲の何か――空気の分子や光子、周囲から入り込む熱や電磁的な雑音――と相互作用すると、重ね合わせを成り立たせていた繊細な関係が、あっという間に周囲へ漏れ出していく。

これがデコヒーレンスである。

問題は、その「あっという間」が、本当にあっという間だという点だ。

電子一個のような小さな対象なら、真空の中に置き、外界からの雑音を丁寧に遮断してやれば、比較的長く重ね合わせを保てる。超伝導方式の量子コンピュータが絶対零度近くまで冷やされ、外の世界から厳重に隔離されているのは、このためだ。

電子にとって、少しでも温かく、少しでも賑やかな環境は、即座に命取りになる。

ところが、電子から原子、原子から分子、分子からさらに大きな物体へと対象が大きくなるにつれて、状況は急激に悪化する。

大きな物体は、それを構成する粒子の数だけ、外界との相互作用の窓口を持っている。窓口が増えれば増えるほど、外の世界の「騒音」が入り込んでくる速度も上がる。

人間ほど大きな物体では、重ね合わせによる干渉は、想像もできないほど短い時間で失われる。日常的な時間尺度で見れば、事実上ゼロである。

人間が「払うか払わないかの重ね合わせ状態」になれない理由は、意志の問題でも、倫理の問題でも、店員に睨まれているからでもない。

純粋に、物理の問題だったわけだ。

レジの前で悩んでいる人間は、我々の目にはすでに完全に「払う」か「払わない」かの、どちらか一方として現れている。悩んでいるのは脳の中の古典的な計算であって、量子的な重ね合わせとは、もうほとんど関係がない。

では、シュレーディンガーの猫はどうなのか。

あの猫は本当に、「死んでいる」と「生きている」の重ね合わせとして、我々の目に見えるのだろうか。

デコヒーレンスの観点から言えば、答えはほぼノーだ。

猫の体は、おびただしい数の原子からできており、箱の中の空気や光、熱、壁などと絶えず相互作用している。そのたびに、猫の量子的な情報は周囲へ漏れ出していく。

その結果、「生きている猫」と「死んでいる猫」の状態どうしは、ほとんど瞬時に干渉できなくなる。

我々には、猫が古典的な「どちらか一方」に決まったようにしか見えない。

ただし、ここが重要だ。

デコヒーレンスが、本当にどちらか一方を選んだわけではない。

重ね合わせは消えたのではなく、猫の周囲にある空気の分子へ、箱の壁へ、光へ、熱へと広がり、環境全体と複雑に絡み合ってしまったのである。

いったんそこまで広がった量子的な情報を回収し、もう一度「生きた猫」と「死んだ猫」を干渉させることは、現実にはほぼ不可能だ。

バケツの水を海に捨てるようなものだ。

水は消えたわけではない。確かに海のどこかに残っている。しかし、いったん海に混ざってしまった水だけを、元どおりバケツへ回収することはできない。

デコヒーレンスによって失われるのも、それに近い。

重ね合わせそのものが魔法のように消滅するのではない。重ね合わせを確認するために必要だった情報が、周囲の環境へ薄く、広く、取り戻せない形で散らばってしまうのだ。

つまり、シュレーディンガーの猫の問題は、デコヒーレンスによって半分ほど説明できるようになった。

「なぜ我々は、生きている猫と死んでいる猫の干渉を目撃しないのか」

この問いには答えられる。

猫ほど大きな物体では、量子的な重ね合わせの痕跡が、周囲との相互作用によってほとんど瞬時に失われてしまうからだ。

しかし、問題が完全に解決したわけではない。

デコヒーレンスが説明するのは、「なぜ重ね合わせが見えなくなるのか」というところまでである。

「なぜ我々は、その中の一つの結果だけを経験するのか」

という、コペンハーゲン解釈が最初から抱えていた問いには、まだ答えていない。

系全体を見れば、重ね合わせは環境を巻き込みながら広がり続けているかもしれない。それなのに、我々はいつも「猫は生きていた」か「猫は死んでいた」か、そのどちらか一方しか経験しない。

なぜ一つだけなのか。

デコヒーレンスは、そこでは口を閉ざす。

そこから先は、再び解釈の領域である。

コペンハーゲン解釈なら、どこかで重ね合わせが崩壊し、一つの結果だけが現実になったと考える。

多世界解釈なら、どちらの結果も消えておらず、我々自身がそれぞれ別の世界へ分岐したと考える。

デコヒーレンスは、どちらが正しいのかを決めてはくれない。

量子力学は、百年近く経った今も、「なぜ一つの結果だけが経験されるのか」という問いの中心部分を、まだ誰にも渡していない。

だが、人類はその謎が解けるのを待たなかった。

重ね合わせが周囲の雑音によって失われるなら、雑音を徹底的に減らせばいい。

熱が邪魔なら冷やす。

空気が邪魔なら真空にする。

振動が邪魔なら隔離する。

外から入り込む電磁波が邪魔なら、何重にも壁を作って閉じ込める。

そうやって人類は、量子状態を守るためだけに、ほとんど絶対零度に近い環境と、世界でもっとも静かな実験装置を作り始めた。

「なぜ」が完全にはわからなくても、「どうすれば重ね合わせを保てるか」は計算できる。

そして、その壊れやすい重ね合わせを、消える前に計算へ利用しようとしている。

それが、量子コンピュータである。