一世紀以上にわたって、物理学は二つの偉大な理論の上に構築されてきた。Einsteinの一般相対性理論は、重力を時空の曲がりとして説明する。
量子力学は粒子と場の世界を支配している。両理論はそれぞれの領域では見事に機能する。しかし、これらを組み合わせると矛盾が現れる――特にブラックホール、ダークマター、ダークエネルギー、そして宇宙の起源に関してである。
私と同僚たちは、この分断を橋渡しする新しい方法を探求してきた。そのアイデアは、情報を――物質でも、エネルギーでも、時空そのものでもなく――現実の最も基本的な構成要素として扱うことである。私たちはこの枠組みを量子メモリ行列（QMM）と呼んでいる。
その核心にあるのは、シンプルだが強力な主張である：時空は滑らかではなく、離散的である――つまり小さな「セル」で構成されており、これは量子力学が示唆することである。各セルは、粒子の通過や電磁気力や核力などの力の影響といった、そこを通過するあらゆる相互作用の量子的な痕跡を保存できる。各イベントは、時空セルの局所的な量子状態に小さな変化を残す。
言い換えれば、宇宙は単に進化するだけではない。記憶するのである。
物語はブラックホール情報パラドックスから始まる。相対性理論によれば、ブラックホールに落ちたものは永遠に失われる。量子理論によれば、それは不可能である。情報は決して破壊されることはない。
QMMは解決策を提供する。物質が落ち込むと、周囲の時空セルがその痕跡を記録する。ブラックホールが最終的に蒸発しても、情報は失われない。それはすでに時空のメモリに書き込まれているのである。
このメカニズムは、私たちが痕跡演算子と呼ぶ、情報保存を可能にする可逆的な規則によって数学的に捉えられる。最初、私たちはこれを重力に適用した。しかしその後、私たちは問いかけた：自然界の他の力はどうなのか？それらも同じ描像に当てはまることが判明した。
時空セルが存在すると仮定した私たちのモデルでは、原子核を結合させる強い核力と弱い核力も時空に痕跡を残す。後に、私たちはこの枠組みを電磁気学にも拡張した（ただし、この論文は現在査読中である）。単純な電場でさえ、時空セルのメモリ状態を変化させる。
ダークマターとダークエネルギーの説明
これは私たちを幾何学-情報双対性と呼ぶより広い原理へと導いた。この見方では、時空の形状は、Einsteinが教えてくれたように質量とエネルギーだけでなく、特に量子もつれを通じて量子情報がどのように分布しているかによっても影響を受ける。量子もつれは量子的な特徴で、例えば2つの粒子が不気味につながっており、一方の状態を変えると、もう一方も自動的かつ即座に変化する――たとえそれが光年離れていてもである。
この視点の転換は劇的な結果をもたらす。現在査読中のある研究では、痕跡の塊がまさにダークマターのように振る舞うことを発見した。ダークマターは宇宙の物質の大部分を占める未知の物質である。それらは重力下で集まり、銀河の運動――予想外に高速で軌道を回っているように見える――を、エキゾチックな新粒子を必要とせずに説明する。
別の研究では、ダークエネルギーもどのように出現するかを示した。時空セルが飽和すると、新しい独立した情報を記録できなくなる。代わりに、時空の残留エネルギーに寄与する。興味深いことに、この残余の寄与は、宇宙を加速的に膨張させている「宇宙定数」、つまりダークエネルギーと同じ数学的形式を持つ。
そのサイズは、宇宙の加速を駆動する観測されたダークエネルギーと一致する。これらの結果を合わせると、ダークマターとダークエネルギーは同じ情報のコインの裏表である可能性が示唆される。
循環宇宙？
しかし、時空が有限のメモリを持つなら、それが満杯になったらどうなるのか？『Journal of Cosmology and Astroparticle Physics』に掲載が決定した私たちの最新の宇宙論論文は、循環宇宙を指し示している――生まれては死に、何度も繰り返される宇宙である。膨張と収縮の各サイクルは、より多くのエントロピー――無秩序の尺度――を台帳に預ける。境界に達すると、宇宙は新しいサイクルに「バウンス」する。
境界に達するということは、時空の情報容量（エントロピー）が最大になることを意味する。その時点で、収縮は滑らかに続けることができない。方程式は、特異点に崩壊する代わりに、蓄積されたエントロピーが逆転を駆動し、新しい膨張フェーズにつながることを示している。これが私たちが「バウンス」と呼ぶものである。
モデルを観測データと比較することで、宇宙はすでに3〜4回の膨張と収縮のサイクルを経験しており、残りは10回未満と推定される。残りのサイクルが完了した後、時空の情報容量は完全に飽和する。その時点で、それ以上のバウンスは発生しない。代わりに、宇宙は減速膨張の最終段階に入る。
これにより、宇宙の真の「情報年齢」は、現在の膨張の138億年だけでなく、約620億年となる。
これまでのところ、これは純粋に理論的に聞こえるかもしれない。しかし、私たちはすでにQMMの一部を今日の量子コンピューターでテストしている。私たちは量子コンピューターの基本単位である量子ビットを小さな時空セルとして扱った。QMM方程式に基づく痕跡と取得プロトコルを使用して、元の量子状態を90%以上の精度で回復した。
これにより2つのことが分かった。第一に、痕跡演算子が実際の量子システムで機能すること。第二に、実用的な利点があることである。痕跡付けを従来のエラー訂正コードと組み合わせることで、論理エラーを大幅に削減した。これは、QMMが宇宙を説明するだけでなく、より良い量子コンピューターの構築にも役立つ可能性があることを意味する。
QMMは宇宙を宇宙メモリバンクであり量子コンピューターであると再定義する。あらゆるイベント、あらゆる力、あらゆる粒子が、宇宙の進化を形作る痕跡を残す。それは、情報パラドックスからダークマターとダークエネルギーまで、宇宙サイクルから時間の矢まで、物理学における最も深い謎のいくつかを結びつける。
そして、それはすでに実験室でシミュレーションし、テストできる方法で行われる。QMMが最終的な答えであるか、踏み石であるかにかかわらず、それは驚くべき可能性を開く：宇宙は幾何学とエネルギーだけではないかもしれない。それはメモリでもある。そしてそのメモリには、宇宙史のあらゆる瞬間がまだ書き込まれているかもしれない。