量子粒子のスピンに関する長年忘れられていた理論を、新実験によってついに実証

2025年2月18日

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何が物事を量子的にするのか。この問いは、世界人口のごく一部（その大半は量子物理学者）を何十年もの間、夜も眠れないほど悩ませてきた。

非常に小さなスケールでは、宇宙は量子力学の法則に従う波やエネルギー場で構成されていることが分かっている。しかし、私たちの身の回りの日常的なスケールでは、主に古典力学の法則に従う固体を目にする。何かを量子的にするものは何かと問うとき、私たちはこの2つの領域の境界線がどこにあり、それをどのように引けるのかを問うているのである。

『Newton』に掲載された新しい研究で、私たちはこの問いに対して、これまでにない方法で答えを出した。単一のスピンする粒子が、疑う余地のない量子的な振る舞いを示すことを実証したのである。

スピンの発見

100年前、オランダの物理学者Samuel GoudsmitとGeorge Uhlenbeckは、ほとんどの微小粒子が決して本当には静止していないという考えを提唱した。代わりに彼らは、原子の外殻を形成する素粒子である電子が、極小のコマのように振る舞うと提案した。

スピンは時計回りか反時計回りのいずれかであり、物理学者たちは「スピンアップ」と「スピンダウン」と呼んでいる。このような電子スピンの二値性は、量子コンピュータの構成要素として利用できることを意味している。

しかし、1925年にGoudsmitとUhlenbeckのスピンする電子の提案は、物理学界に騒動を引き起こした。当時の物理学は、Albert Einstein、Max Planck、Paul Ehrenfestといった著名な科学者たちによって形作られており、彼らは宇宙の理解を変革した相対性理論と量子力学の壮大な理論の基礎を築いた。

著名な物理学者でノーベル賞受賞者のHendrik Lorentzがスピン理論を批判した後、Uhlenbeckは尻込みし、論文を取り下げたいと考えた。UhlenbeckとGoudsmitの指導教官であるEhrenfestは彼らに対し、「君たちは若いのだから、愚かなことをする余裕がある！」と書いて励ました。

古い考えは依然として残る

このような新しい考えへの抵抗は、物理学では珍しいことではない。Planckが述べたように、科学は一度に一つの葬式で進歩するのである。

スピンする電子の発見に対する懐疑論と同様に、今日でも多くの物理学者はスピンの仕組みについて誤った概念を教えられている。標準的な教科書でも教えられている従来の通説では、スピンは電子や原子核の振る舞いを理解する上で不可欠な量子的性質であるとされている。しかし同時に、教科書では粒子の回転は依然として古典物理学で完全に記述できるとしている。

Tsirelsonの忘れられたプロトコル

同様の考察が、調和振動子（例えば振り子）という別の教科書的なシステムにも当てはまる。Paul Ehrenfestの1927年の定理によると、量子振り子の振動の仕方は、公園のブランコと区別がつかないとされている。

驚くべきことに、約80年後、ロシア・イスラエルの物理学者Boris Tsirelsonは、量子系が真に量子状態に準備されていれば、量子振り子を公園のブランコと区別できることを示すアイデアを持っていた。当時、Tsirelsonの論文はほとんど注目されなかった。

さらに15年後、シンガポールのValerio Scaraniの研究チームが、インターネットの深部からTsirelsonの論文を掘り起こした。Scaraniの学生であるZaw Lin Htooは、Tsirelsonのアイデアを発展させ、スピンの回転において量子性を検出することが実際に可能であることを理論的に証明した。

より大きな粒子とシュレーディンガーの猫

ニューサウスウェールズ大学の私たちのチームは、この挑戦を引き受け、実際の実験でスピンの量子性を証明することを決意した。しかし、単純な電子のようなスピンではそれを行うことができなかった。電子は非常に小さいため、スピン状態はアップとダウンの2つしかない。広く行き渡った直観に反して、電子スピンは古い教科書の予測に従う準古典的な状態にしか準備できないことが判明した。

代わりに、私たちはアンチモン原子の原子核という、はるかに大きな粒子を使用した。この粒子のスピンは2方向ではなく、8つの異なる方向を向くことができる。

私たちは、原子を「シュレーディンガーの猫」状態に置くことができた。この状態では、原子は2つの大きく異なるスピン方向の重ね合わせ状態にある。

その後、私たちはTsirelson-Scaraniプロトコルを実行した。これは、スピンの平均的な向きだけでなく、その正の性質を測定することを含む。これは標準的なスピン共鳴装置で行われる測定とは大きく異なる種類の測定である。この実験により、アンチモンのスピンの量子性について疑問の余地のない証拠が示された。

今後の展開

私たちの研究は、宇宙についての基本的な真理を発見し、「量子的である」ことの意味を明確にする上で重要である。しかし、実生活への応用もあるかもしれない。

Tsirelson-Scaraniプロトコルによって量子的であることが実証された状態は、まさに量子計算や量子センシングが古典的な対応物より優位性を持つ要因となるものである。今後は、これらのシステムを技術応用に最大限活用することに焦点を当てていく。

本記事は、シドニー工科大学博士課程量子物理学専攻Arjen Vaartjes氏とシドニー工科大学量子ナノシステム教授Andrea Morello氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「New experiments finally prove a long-forgotten theory about how quantum particles spin」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。