Consider throwing a ball straight into the air. Can you predict the motion of the ball after it leaves your hand? Sure, that's easy. The ball will move upward until it gets to some highest point, then it will come back down and land in your hand again. Of course, that's what happens, and you know this because you have witnessed events like this countless times. You've been observing the physics of everyday phenomena your entire life. But suppose we explore a question about the physics of atoms, like what does the motion of an electron around the nucleus of a hydrogen atom look like? Could we answer that question based on our experience with everyday physics? Definietly not. Why? Because the physics that governs the behavior of systems at such small scales is much different than the physics of the macroscopic objects you see around you all the time. The everyday world you know and love behaves according to the laws of classical mechanics. But systems on the scale of atoms behave according to the laws of quantum mechanics. This quantum world turns out to be a very strange place. An illustration of quantum strangeness is given by a famous thought experiment: Schrödinger's cat. A physicist, who doesn't particularly like cats, puts a cat in a box, along with a bomb that has a 50% chance of blowing up after the lid is closed. Until we reopen the lid, there is no way of knowing whether the bomb exploded or not, and thus, no way of knowing if the cat is alive or dead. In quantum physics, we could say that before our observation the cat was in a superposition state. It was neither alive nor dead but rather in a mixture of both possibilities, with a 50% chance for each. The same sort of thing happens to physical systems at quantum scales, like an electron orbiting in a hydrogen atom. The electron isn't really orbiting at all. It's sort of everywhere in space, all at once, with more of a probability of being at some places than others, and it's only after we measure its position that we can pinpoint where it is at that moment. A lot like how we didn't know whether the cat was alive or dead until we opened the box. This brings us to the strange and beautiful phenomenon of quantum entanglement. Suppose that instead of one cat in a box, we have two cats in two different boxes. If we repeat the Schrödinger's cat experiment with this pair of cats, the outcome of the experiment can be one of four possibilities. Either both cats will be alive, or both will be dead, or one will be alive and the other dead, or vice versa. The system of both cats is again in a superposition state, with each outcome having a 25% chance rather than 50%. But here's the cool thing: quantum mechanics tells us it's possible to erase the both cats alive and both cats dead outcomes from the superposition state. In other words, there can be a two cat system, such that the outcome will always be one cat alive and the other cat dead. The technical term for this is that the states of the cats are entangled. But there's something truly mindblowing about quantum entanglement. If you prepare the system of two cats in boxes in this entangled state, then move the boxes to opposite ends of the universe, the outcome of the experiment will still always be the same. One cat will always come out alive, and the other cat will always end up dead, even though which particular cat lives or dies is completely undetermined before we measure the outcome. How is this possible? How is it that the states of cats on opposite sides of the universe can be entangled in this way? They're too far away to communicate with each other in time, so how do the two bombs always conspire such that one blows up and the other doesn't? You might be thinking, "This is just some theoretical mumbo jumbo. This sort of thing can't happen in the real world." But it turns out that quantum entanglement has been confirmed in real world lab experiments. Two subatomic particles entangled in a superposition state, where if one spins one way then the other must spin the other way, will do just that, even when there's no way for information to pass from one particle to the other indicating which way to spin to obey the rules of entanglement. It's not surprising then that entanglement is at the core of quantum information science, a growing field studying how to use the laws of the strange quantum world in our macroscopic world, like in quantum cryptography, so spies can send secure messages to each other, or quantum computing, for cracking secret codes. Everyday physics may start to look a bit more like the strange quantum world. Quantum teleportation may even progress so far, that one day your cat will escape to a safer galaxy, where there are no physicists and no boxes.
空に向かってボールを 投げると考えてみて下さい 投げたボールの動きを 予想する事はできるでしょうか? もちろん 簡単ですね ボールは最高点に達するまで 上に行き やがて下へ向かい 手の中に戻ってきます これが実際に起こることですね こういった事は 何度も目にしていてご存じでしょう 日常生活における物理を見てきたわけです しかし原子の世界ではどうでしょうか 例えば水素原子の原子核の周りを回る 電子の動きはどんな風に見えるのでしょうか? 日常の物理学的な経験から 答えることができるでしょうか? 無理ですね でも なぜ? この様な小さなスケールでは 普段目にするものを司っている 物理とは異なっているからです 私たちが知り なじんでいる日常世界は 古典力学に従って動きます しかし原子レベルのシステムは 量子力学に従って動くからです この量子の世界というのは大変不思議なところです その奇妙さは 有名な思考実験である 「シュレディンガーの猫」で 説明されています ある猫嫌いの物理学者が ふたを閉めた後に50%の確率で爆発する爆弾を 猫と共に箱に入れました 私たちがふたを開けてみるまでは 爆弾が爆発したかどうかはわからず 猫が生きているかどうかもわかりません 量子物理の世界では 箱を開けて観察するまでは この猫は重ね合わせの状態にあるといいます 生死どちらの状態であるともいえず 両方の可能性がある混合状態であり それぞれ50%の確率なのです 同じようなことが量子スケールの 物理システムに起こります 例えば 水素原子の軌道を回る電子です 実際に電子が軌道を 回っているわけではありません 他の場所よりも存在する確率が高いというだけで いつでも空間の至る所に存在し得るのです 私たちが位置を測定した後に初めて その瞬間に存在する場所を示す事ができます ちょうど 箱を開けてみるまでは 猫の生死が分からないのと同じことです では奇妙かつ美しき 「量子もつれ」の現象を説明しましょう 今度は2つの箱にそれぞれ 猫を1匹ずつ入れたとします この2匹の猫でシュレディンガーの猫の 実験を行ったとすると その結果は次の4つのうちのどれかになります どちらの猫も生きているか どちらも死んでいるか 1匹は生きていて他方は死んでいるか あるいはその逆かもしれません どちらの猫のシステムも重ね合わせの状態になり 今度は50%ではなく それぞれ25%の確率になります ここでクールなのは 量子力学によると重ね合わせの状態から どちらの猫も同じである状態を 消し去ってしまう事ができます 言い換えると2匹の猫からなる系で つねに1匹の猫は生きており もう片方は死んでいるものを想定できます これを専門的には猫は 量子もつれの状態にあると呼びます 量子もつれに本当に驚かされるのはこれからです 2匹の猫のシステムをこの量子もつれの状態にして 2つの箱を宇宙の両端に動かしたとしても 同じような実験結果が得られるのです 結果を測定する前には どちらの猫が生きているかを 決めることは全くできないのに 必ず1匹の猫は生きていて 他方は死んでいるのです どうして可能なのでしょうか? 宇宙の反対側にいる猫の状態が どうしてこの様に もつれるのでしょうか? お互いに連絡を取るには遠く離れすぎているのに どうやって2つの爆弾が共謀して 1つ爆発し残りは爆発しないのでしょうか? こう思うかもしれませんね 「これはあくまで理論的な話であって 現実の世界で起こったりするものか」 しかし実はこの量子もつれは 現実世界の実験で確認されています 2つの亜原子粒子が重ね合わせの状態でもつれると 1つが一方向にスピンし もう一方は必ず反対にスピンします 1つの粒子から別の粒子に情報を送る 方法はないにもかかわらず もつれのルールに従ってスピンするのです 量子情報科学の根幹では もつれは 不思議なことではありません 急速に伸びるこの分野では 不思議な量子の世界の法則を 巨視的世界で利用する方法を研究しています 例えば量子暗号のおかげでスパイは安全に メッセージのやり取りを行うことができ また 量子コンピュータを使って 暗号を解読することもできます 日常の物理が量子の不思議な世界に 近づき始めたようです 量子テレポーテーションの研究が進めば あなたの猫が 物理学者も箱も存在しない より安全な銀河へ 逃げることができる日がくるのかもしれません