多くの政府やテクノロジー企業が量子技術に多額の投資を行っている。ニュージーランドでは、最近発表されたInstitute for Advanced Technologyもこの研究分野に焦点を当てることが想定されている。
量子技術が発展するにつれて、その潜在的に重大な社会的影響について十分な情報に基づいた議論や政策を行うために、量子リテラシーが不可欠になると我々は主張する。
量子技術は量子力学に基づいて構築される。量子力学は物質の構造を説明する基礎理論であり、トランジスタ、マイクロチップ、レーザーなど多くの有用なデバイスの設計を可能にしてきた。
「量子」という用語は、ドイツの物理学者Max Planckに由来する。彼は、エネルギーは離散的なパケット、すなわち量子としてのみ存在できると提唱した。
原子がエネルギー量子を吸収または放出すると、量子化されたエネルギー準位間を遷移する。新しい技術はこのような準位の量子的性質を利用して、超高速コンピューター、精密センサー、改良された暗号化を開発している。
ほぼあらゆる種類の量子技術における重要な要素の一つが、「量子もつれ」として知られる現象である。これは実に奇妙な含意を持ち、Albert Einsteinはかつてこれを「不気味な遠隔作用」と呼んだ。物理学者以外の人々の間では、通常、困惑や魅力を引き起こす。
量子力学の概念は、大衆文化に取り入れられることがあり、その過程で時として誤用されることもある。
もつれもこの運命を免れていない。一部のSF作家は、不可能なことをもっともらしく見せるための装置としてこれを使用している。
例えば、劉慈欣の2008年の小説三体では、異星文明がもつれた粒子のペアを使用して地球との光速を超えた(超光速)通信を維持している。明確にしておくと、これは不可能である。
量子もつれは光速の限界を超えることはできないが、それでもいくつかの驚くべきことを実現できる。これには、医療や環境モニタリングでの応用を改善する量子増強センサーや、米国の重力波検出器LIGOなどの精密測定が含まれる。
量子コンピューターは、古典的コンピューターでは実質的に解決不可能な特定の問題、例えばタンパク質がどのように折り畳まれるかの力学のモデリングなどを解読できる可能性がある。
そして量子暗号は、盗聴防止の暗号化プロトコルを提供することで情報をより良く保護し、同時に地震を検出することもできる。
不可思議な量子世界
もつれは量子的なものでのみ機能し、エネルギー準位が2つしかない場合に最も明確に現れる。
古典的コンピューターは情報をビットで保存し、各ビットは0または1のいずれかである。量子コンピューターでは、ビットは「量子ビット」に置き換えられ、各量子ビットは通常|0⟩と|1⟩で示される2つのエネルギー準位を持つ。
古典的ビットとは異なり、量子ビットは「重ね合わせ」状態になることができる。これは、観測者が量子ビットの状態を確認するまで、|0⟩と|1⟩の両方になり得ることを意味する。
この測定は、重ね合わせにおける状態|0⟩と|1⟩の相対的な割合に応じて、0または1のいずれかを生じる。結果が0であれば、測定後の量子ビットの状態は|0⟩になる。同様に、結果が1であれば、状態は|1⟩になる。
もつれについて議論するには、もつれた状態にある少なくとも2つの量子ビットを考える必要がある。我々は、数学的に|Φ+⟩として記述される状態を使用する(下図参照)。
我々の図でAliceとBobと名付けた2人の量子エンジニアを想像してみよう。それぞれがペアから1つの量子ビットを取り、遠く離れた場所に移動する。彼らが量子ビットを測定すると、両者とも等しい確率で0または1を得る。
彼らが同じ|Φ+⟩状態で準備された他の多くのもつれた量子ビットペアでこの実験を繰り返し、結果を記録すると、両者ともランダムな0と1の系列を見つけることになる。
しかし、彼らがリストを比較すると、驚くべきことを発見する。Aliceが0を測定するたびに、Bobも対応する量子ビットで0を測定しており、その逆も同様である。測定前は両者の状態が未確定であるにもかかわらず、結果は完全に相関している。
まるで、Aliceが測定を行うと、Bobの量子ビットが瞬時に「知り」、同じ状態に変化するかのようである。
Einsteinはこの非直観的な振る舞いに非常に困惑し、量子力学は不完全に違いなく、より良い理論にはペアが分離される前に測定の結果を決定する隠れた変数が含まれると強く信じていた。
しかし、1980年代の実験により、そのような局所隠れ変数理論は決定的に否定された。Einsteinが間違っていたことの実証により、3人の物理学者が2022年にNobel賞を受賞した。
ニュージーランドの貢献
我々は量子ビットのペアを使用してもつれを説明してきた。しかし本質的には、もつれはあらゆる種類の物理系の間で起こり得る。ここにニュージーランドの研究者が重要な貢献をしている分野がある。
超伝導体は、特定の温度以下に冷却されると電気抵抗がゼロになり、同時に磁場を排除する材料である。これらは強力な磁石を作るのに有用である。
金属を超伝導状態にするために、電子はCooper対として知られるもつれたペアを形成する。我々の一人が関わる研究チームは最近、超伝導体からもつれた電子ペアを抽出し、そのもつれを光子に転送するスキームを提案した。光子は光の量子である。
別の研究グループは、絶対零度近くまで冷却された2つの原子のもつれに成功した。
量子技術に基づく研究を拡大し産業を構築するためには、量子対応の労働力を確立するための的を絞った投資が必要である。世界的な量子への取り組みに積極的に貢献し、それを活用するだけでなく、学校から始めて、社会のあらゆるレベルで量子リテラシーを向上させなければならない。
