この1年、量子力学ではこれまでで最も興味深い展開がいくつもありました。この分野は誕生から100年以上が経ち、想像を絶する精度で検証されてきましたが、最も印象的な主張のいくつかは今なお議論の対象です。
これは、この理論の最も古い成果の一つである ハイゼンベルクの不確定性原理にも当てはまります。粒子の位置や運動量のような量子系の特定の性質は、同時には有限の精度でしか測定できません。
量子状態について得られる知識にこの根本的な限界があるのは、測定装置が観測対象の系に避けがたく及ぼす「反作用」、すなわち擾乱のためです。簡単に言えば、測定によって量子状態は変化します。
作用するハイゼンベルクの不確定性原理。
ここ数年、 ウィーン と トロントの研究グループが発表した実験結果は、不確定性原理の標準的な定式化に抜け穴があるとしてそれを利用し、原理に反する結果を得たと主張しました。
これに対し、欧州の研究者らによる共同研究が今年『Physical Review A』に発表した論文では、実験を慎重に分析すれば、原理の より一般的な形式 は依然として成り立つことが示されました。
こうした議論は、解釈をめぐる些細な言葉尻の争いではありません。かつては難解だったこの理論への理解は深まりつつあります。今や、その直観に反する性質を利用して、古典物理学では不可能な技術を生み出せます。この進歩は、基礎と技術の両面で同時に起きています。
念のために
弱測定という概念を考えてみましょう。弱測定は、測定対象の系の量子状態に測定が及ぼす影響を最小限に抑え、不確定性原理を回避しようとするものです。しかし、測定装置と量子系の相互作用を弱くすることには代償があります。測定によって系について何かが分かるのは、今度は一定の確率に限られます。
成功したとみなされる結果だけを考慮すると、測定量の統計的平均は、単一の測定で得られるどの結果をも大きく上回り得ることが分かりました。言い換えれば、測定装置で信号が増幅されます。
オックスフォード大学の物理学者らが以前に 反対の主張をしていましたが 、南カリフォルニア大学とカリフォルニア大学リバーサイド校の 最近の研究 では、量子もつれを加えることで、「ノイズの多い」系において弱測定が標準的な測定より高精度になり得ることが示されました。
しかし、弱値が量子的なものなのかについては疑問が呈されています。今年、ニューメキシコ州の量子情報・制御センターの研究者らは、先に述べたような測定の増幅は、量子現象に特有のものではないと主張しました。
似た考え方は、ひねりを加えれば古典的なコイン投げにも使えます。量子弱測定になぞらえて、結果（表か裏）を100％の確率で判定することはできず、その過程でコイン自体を裏返すこともできます。この場合、確率を巧みに設定すれば、コインを1回投げたときの統計的期待値を 表100回分にすることができます。
それでも、その後、カナダ・ウォータールーのペリメーター研究所のマシュー・ピュージーは、量子系ではこうした奇妙な結果に 古典的な説明がない こと、そして弱値が文脈依存性として知られる量子力学の性質と密接に関連していることを示しました。
文脈依存性とは、量子状態の測定特性が、測定の方法に本質的に依存することを意味します。弱測定の奇妙さを可能にするだけでなく、文脈依存性は量子計算でも基本的な役割を果たすようです。
ウォータールー大学の科学者らは、ある種の量子計算に「魔法」を もたらすのは 量子もつれやその他の量子現象ではなく、文脈依存性であることを示しました。これは大きな前進です。量子コンピューターが古典コンピューターよりはるかに優れていることを示す証拠は十分にあるものの、その優位性をもたらす量子力学の性質が何なのか、私たちはまだ正確には理解していません。
計算してみよう
こうした理論上の進展に加え、2014年に発表された実験により、量子物理学に取り組む何千人もの科学者が究極の夢としてきた、実用的な量子コンピューターの実現にかつてないほど近づきました。
古典計算のブール値である0と1を超え、十分な規模の装置を構築できれば、今日最も強力な スーパーコンピューターでも解けない問題を解けるようになります。
実用的な量子コンピューターの候補となる物理系は数多くあり、それぞれに長所と短所があります。今年はそのいくつかで大きな進展がありました。
ダイヤモンドを用いた実現方式は、容易に拡張でき、室温で動作するという利点があります。この方式で清華大学（北京）のチームは、 普遍的な幾何学的論理ゲートを設計し、実装しました。これらは、耐故障性のある量子アルゴリズムを構築するための基本的な構成要素であり、「主流」の汎用量子計算と、より用途の限られた量子デバイスを区別する主な特徴です。
量子情報を光に符号化する光量子コンピューターも、今年、重要な難題を克服しました。ジュネーブ大学とスタンフォード大学の共同研究チームが初めて、単一光子のペアを 互いに相互作用させることに成功したのです。それまでは、その他の点では十分に発展し将来性もある量子技術に欠けていた要素の一つでした。
総じて、2014年は量子物理学の分野にとって驚くべき1年でした。ここで紹介した研究は、この12か月間に何百本もの論文で発表された研究のごく一部にすぎません。
科学は不変の法則を土台に築かれるという一般的な誤解とは異なり、量子力学の最も基本的な原則のいくつかでさえ、今なお激しい科学的議論の対象です。
理論の境界を押し広げることで、私たちは現実を支える現象への理解を深め、それらをより自在に制御できるようになります。
この記事は、 The Conversationとの協力により公開されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味しません。
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著者：フェリックス・ポロックはモナシュ大学の量子物理学研究者です。カヴァン・モディはモナシュ大学の講師です。
画像：2006年2月14日の公式落成式におけるブリュッセルのアトミウム。ベルギーは火曜日、金属球と支柱からなる巨大な構造物に数百万ドルをかけて改修を施した後、国内で最もよく知られたランドマークの一つであるアトミウムの再開を祝いました。
