量子もつれ

赤いビー玉と青いビー玉を1つずつ別々の箱に入れて、宇宙の両端まで遠くに送ったと想像してみてください。地球で箱を開けて赤いビー玉を確認すれば、はるか遠くのアンドロメダ銀河にある箱には青いビー玉が入っているとすぐにわかります。これは常識的に当たり前に思えますよね。箱に入れた時点で、もう色は決まっていたのですから。

でも、ミクロの世界である量子の世界では、まったく違うことが起こります。箱を開けるまでは、2つのビー玉は赤でも青でもなく、2つの色の可能性が半々に混ざった重ね合わせ状態で存在しています。ふたを開けて地球のビー玉を確認するまさにその瞬間に色が赤に決まり、同時に宇宙の反対側のビー玉も青に確定します。

誰かがあらかじめ色を決めておいたわけではありません。片方の結果を観測した瞬間に、もう片方の運命がリアルタイムで決まるのです。物理学者のアインシュタインは、この奇妙な現象を「不気味な遠隔作用」と呼び、信じがたいと感じていました。

もう少し正確に言うと、量子もつれがどれほど瞬時に起こるとしても、それを使って光より速く情報を伝えることはできません。量子もつれと聞くと、SF映画のように宇宙の反対側とリアルタイムで会話できると期待する人は多いのですが、実際には不可能です。

地球でもつれた粒子を観測したとき、赤が出るか青が出るかは、まったくのランダムな確率で決まります。地球にいる人が、送りたいメッセージを込めて結果を思いどおりに操作することはできないという意味です。アンドロメダにいる人も、自分側のビー玉の色を確認したとき、それが地球での観測によって決まったものなのか、もともとランダムに出た結果なのかを知る方法がありません。

結局、アンドロメダの観測者がこの情報の意味を読み解くには、地球から「いま観測したよ」という通常の信号を光の速度で送ってもらうしかありません。したがって、現代物理学の大原則である光より速い情報伝達はできないという法則は、量子もつれの状態でも厳密に守られています。

量子もつれは、単に不思議な実験室のなぞにとどまりません。今もっとも注目されている技術である量子コンピューターと量子暗号通信の中核となる原理として使われています。従来のコンピューターは0か1のビットで情報を扱いますが、量子コンピューターはもつれ・重ね合わせ・干渉を活用して、素因数分解のような特定の問題を従来の方法よりずっと少ないステップで解くことができます。すべての計算を一度にやってくれる万能の並列マシンではありません。

セキュリティの分野でも革命的な変化を起こしつつあります。もつれた粒子で暗号の鍵を分け合うと、途中で誰かがのぞき見したときにもつれが乱れ、測定結果の相関がずれます。両側のユーザーが結果の一部を照らし合わせれば、盗聴の試みの痕跡を統計的に見抜くことができ、その鍵を捨てればよいのです。原理上、安全性は物理法則に支えられていますが、実際の機器の弱点を突いた攻撃の例もあり、完璧なセキュリティとは言えません。

かつては理論上の奇怪な空想としか見なされていなかった量子もつれは、数多くの精密な実験を通じて、明白な事実として証明されました。いま私たちは、この神秘的な物理法則を利用して、人類の技術文明をもう一段高い次元へと引き上げつつあります。