2つの粒子を遠く離した状態で、それぞれ別の場所で測定する。片方の結果が出た瞬間、まだ測っていないはずの相手の結果まで、矛盾なく決まってしまう——これはSFの設定ではありません。2015年、互いに連絡を取り合っていない3つの研究グループが、それぞれ独立に実験でこの現象を確かめ、同じ結論に行き着きました。
アインシュタインはこの現象を"spooky action at a distance(不気味な遠隔作用)"と呼び、量子力学はまだ不完全な理論だと考えていました。しかし1964年に物理学者ジョン・ベルが示した1本の不等式が、この問題に実験で白黒をつける道を開きます。それから半世紀以上をかけて、研究者たちは実験に残る"言い逃れの余地(穴)"を一つずつ塞いでいきました。
今回は、2015年に発表された3つの"穴のない"ベル検定の論文と、2022年のノーベル物理学賞につながった一連の研究をもとに、量子のもつれの正体を追いかけます。
なぜアインシュタインは量子力学を「不完全」と考えたのか
1935年、アインシュタインはポドルスキー、ローゼンとともに、のちにEPRパラドックスと呼ばれる論文を発表します。主張はこうでした。もし2つの粒子が「もつれ」の状態にあり、片方を測るだけで離れた相手の性質まで瞬時に確定するのなら、量子力学は何らかの"隠れた変数"を見落としているに違いない——つまり、粒子はあらかじめ結果を"持って"旅をしており、量子力学はその設計図をまだ読めていないだけだ、という考え方です。この立場は局所実在論(local realism=測定とは無関係に物体には確定した性質があり、影響は光速を超えて伝わらないという世界観)と呼ばれます。
この論争に実験で答える方法を示したのが、物理学者ジョン・ベルです。1964年の論文で、局所実在論が正しければ満たされるはずの不等式(ベルの不等式)を導きました。量子力学の予測はこの不等式を破る——つまり、実験でどちらが正しいかを決着させられることを示したのです。
ただし初期の実験には、常に"言い逃れの余地"が残っていました。代表的なのが次の2つの"穴"です。
| 年代・実験 | 局所性の穴 | 検出効率の穴 |
|---|---|---|
| Clauser(1972年) | 開いていた | 開いていた |
| Aspect(1981〜82年) | 一部を閉じた | 開いていた |
| 2015年の3実験 | 閉じた | 閉じた |
局所性の穴は、2つの検出器が光速で情報をやり取りできる距離・時間のまま測定していた場合、「実は裏でこっそり信号を送り合っていたのでは」という疑いを払拭できない、というものです。検出効率の穴は、観測に失敗した粒子を都合よく無視して集計すると、見かけ上の一致率が本来より高く出てしまう可能性を指します。1982年のAspectらの実験は、測定方向を粒子が飛行中に切り替える工夫で局所性の穴を大きく縮めましたが、検出効率の穴は残っていました。
実験:3つの研究室が、別々の方法で両方の穴を塞いだ
2015年、オランダ・デルフト工科大学、米国NIST(国立標準技術研究所)、オーストリア・ウィーン大学の3つの研究グループが、ほぼ同時期に独立した方法で両方の穴を同時に塞いだ実験を報告しました。
- デルフト工科大学(Hensenら, 2015, Nature):キャンパス内に1.3km離して設置した2つのダイヤモンドに、それぞれ単一の電子を捕らえ、その「スピン(電子が持つ磁石のような性質)」をもつれさせた。検出器が離れているため、光速でも測定中に情報が往復できない。
- NIST(Shalmら, 2015, Physical Review Letters):184.9m離した2地点で、もつれた光子(光の粒)の偏光を測定。高効率・低雑音の単一光子検出器を使い、検出効率の穴を塞いだ。
- ウィーン大学(Giustinaら, 2015, Physical Review Letters):58m離した2地点で、もつれ光子を高速な乱数発生器と組み合わせて測定方向を切り替えながら検証。
いずれの実験でも、各測定地点で「どの方向で測るか」を外部から予測できない方法で素早く決め、測定自体も光速で情報が伝わるよりも短い時間で完了させています。これにより、2つの検出器が測定中に"示し合わせる"余地も、失敗した測定をあとから都合よく除外する余地も、同時に塞がれました。
結果:3つの独立した研究室が、同じ結論にたどり着いた
局所実在論が正しければ、ベルの不等式の範囲内に収まるはずの結果が、3実験すべてでその範囲を大きく超えました。偶然にこの結果が出る確率(p値)は、どの実験でも極めて小さい値として報告されています。
特にウィーン大学の実験で報告されたp値(約3.74×10⁻³¹)は、"局所実在論のもとでこの結果が偶然起きる確率"が天文学的に低いことを意味します。3つの実験は使用した粒子も距離も測定方法もまったく異なるにもかかわらず、どれも同じ結論——局所実在論では説明がつかない——に行き着きました。
なぜこうなるのか:「答えを持って旅する粒子」では説明がつかない
局所実在論の考え方を、たとえるならこうなります。双子が別々の国に引っ越す前に、2人であらかじめ「同じ色の服を着る」と決めておいたとします。その後、別々の国で服の色を聞かれても、連絡を取らなくても答えは一致します——これは不思議でも何でもありません。粒子が"あらかじめ結果を持って"飛んでいくというのは、まさにこの発想です。
しかしベルの不等式が示したのは、量子のもつれで起きる一致のパターンは、"事前に申し合わせておく"方式では原理的に再現できないほど強い、ということでした。双子のたとえで言えば、何をどう聞かれるか(測定方向)を決めていないうちに申し合わせたはずなのに、聞かれた内容の組み合わせごとに、申し合わせだけでは出せないはずの一致率が観測される——という状況に近いのです。
ここで大切なのは、この一致は「情報のやり取り」ではないという点です。各観測地点で出る個々の結果は、それ単体では完全にランダムです。不思議な一致が見えるのは、両地点の結果を後からケーブルや通信で持ち寄って比較したときだけ。つまり量子力学が破っているのは「局所実在論」という世界観であって、「光より速い情報伝達は不可能」という相対性理論の原則(ノーシグナリング定理)は破られていません。この2つを混同すると、ニュースの見出しだけを見て「瞬間移動的な通信が可能になった」と誤解してしまいます。
こうした一連の実験的な功績を評価して、2022年のノーベル物理学賞はアラン・アスペ、ジョン・クラウザー、アントン・ツァイリンガーの3氏に贈られました。スウェーデン王立科学アカデミーの発表によれば、アスペは測定方向を粒子が飛行中に切り替える手法で局所性の穴を縮め、ツァイリンガーは洗練された手法と長期間の実験系列でもつれ状態を扱った功績が評価されています。
この話、こう使える
「量子のもつれなんて自分の生活には関係ない」と思うかもしれませんが、この"穴のないベル検定"という考え方自体が、実用技術に応用されています。
2010年に『Nature』誌で発表されたPironioらの研究では、約1m離した2つのトラップイオン(電磁場で捕らえた原子)でベルの不等式の違反を観測し、その違反の大きさそのものを使って「機器の内部構造を信用しなくても安全性を証明できる乱数」を生成しました。報告されているのは、99%の確信度で42ビットの新しい乱数を生成できたという結果です。これは「デバイスに依存しない(device-independent)」暗号・乱数生成という分野の原理実証実験で、量子鍵配送(QKD)など次世代の情報セキュリティ技術の土台になっています。
そしてもう一つ、日常にも持ち帰れる考え方があります。今回の話は「驚くほど強い一致が見えても、それが情報のやり取りによるものとは限らない」という教訓を含んでいます。ニュースやSNSで「量子もつれで瞬間通信に成功」といった見出しを見かけたときは、ノーシグナリング定理を思い出してください。多くは誇張か誤解です。相関があることと、因果関係や情報伝達があることは別物——この区別は、量子力学の外でも使える、応用範囲の広い考え方です。
注意点:この研究の限界
- 「なぜ」そうなるかは、まだ解釈が分かれている。 ベルの不等式の破れという"事実"自体は3実験で確立されましたが、それを量子力学のどの解釈(コペンハーゲン解釈、多世界解釈など)で理解すべきかについては、物理学者のあいだでも意見が一致していません。
- 「測定の自由」という前提は、哲学的には完全には排除できない。 すべてのベル検定は「測定方向の選択が、粒子の起源と完全に無関係である」という前提に立っています。この前提自体を疑う"超決定論(superdeterminism)"という立場は、理論上は反証不可能とされ、今も議論の対象です。ただし大多数の物理学者は、この立場を実用上の説明としては採用していません。
- 距離や粒子の種類が違う実験間の比較には限界がある。 図1で紹介した3実験は、検出器間の距離も使用した粒子(電子スピンと光子)も異なります。p値の大きさを単純に「どちらがより強い証拠か」の順位付けとして読むのは適切ではなく、それぞれ異なる実験条件のもとで独立に不等式の破れを確認した、という点が重要です。
よくある質問
今日の3行まとめ
ただし、これは光より速い通信ができるという意味ではありません。相関があることと、情報が伝わることは別物です。
この"穴のないベル検定"という考え方は、すでに次世代の暗号・乱数生成技術の土台にもなっています。
宇宙や物理の意外な話をもっと知りたい人は、サイエンスラボの記事一覧もあわせてどうぞ。英語で科学ニュースを読みたい人にはWORLD8もおすすめです。
参考文献
- Hensen, B., Bernien, H., Dréau, A. E., et al. (2015). Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 km. Nature, 526(7575), 682–686. 論文を見る
- Giustina, M., Versteegh, M. A. M., Wengerowsky, S., et al. (2015). Significant-Loophole-Free Test of Bell's Theorem with Entangled Photons. Physical Review Letters, 115(25), 250401. 論文を見る
- Shalm, L. K., Meyer-Scott, E., Christensen, B. G., et al. (2015). Strong Loophole-Free Test of Local Realism. Physical Review Letters, 115(25), 250402. 論文を見る
- Pironio, S., Acín, A., Massar, S., et al. (2010). Random numbers certified by Bell's theorem. Nature, 464(7291), 1021–1024. 論文を見る
- The Royal Swedish Academy of Sciences (2022). The Nobel Prize in Physics 2022: Entangled states – from theory to technology. 発表資料を見る