ちょっと難しい話ですが、思考実験ではなんでもありなのかも!?
量子の世界は、私たちが普段活動している世界とは全然違うルールで動いていて、素晴らしいことから奇妙なことまで、いろんなことが｢普通｣として存在しています。
これまで物理学者たちは、量子のもつれを利用して閉じた時間的閉曲線のシミュレーションを説明してきています。要するに時間旅行ですね。
強調しておきたいことは、量子粒子は過去に戻ることではありません。最近の研究はもっぱらアインシュタインが普及させた用語の｢思考実験｣であって、実際の実験の代わりに行なわれる概念的な研究がされています。
これは光速で移動する粒子など、物理学を物理学の限界で実験する際に便利なものとなっています。しかし、今回提案されたシミュレーションは、量子粒子が相互作用するときの有名方法で｢効果的な時間旅行｣を可能にすると、研究チームの最近の論文で説明されています。研究論文はPhysical Review Lettersに掲載されています。
量子のもつれとは？
その相互作用は｢量子もつれ｣と呼ばれていて、2つ以上の量子粒子の特性が互いによって定義されている状態を指します。これはもつれた1つの粒子の特性を知ることで、それに関連する他の粒子の情報が2つの粒子の間の距離に関係なく得られるということです。
そのもつれは量子レベルなので、物理的な距離などの小さなことは関係ないのです。宇宙は広く、時間は相対的です。なので、地球上の量子粒子に変更を加えると、100億光年離れたブラックホール付近の粒子の振る舞いを変えることになり、それは遠い過去の何かを変えることになるのです。
時間旅行は可能？
最近の研究では、仮想的な時間旅行の経路である閉じた時間的閉曲線の可能性について探求されています。
この曲線は世界線であり、存在する期間にわたって空間時間上の粒子の弧を逆向きに進みます。理論物理学者スティーブン・ホーキング博士は、1992年に発表した｢時間順序保護仮説｣の論文で、物理法則は閉じた時間的閉曲線の存在を許容しないため、時間旅行は不可能であると主張しました。
しかし、今回の研究の著者たちは｢量子テレポーテーション回路によって、確率的にシミュレートすることができる｣と述べています。
実験内容は？
チームの思考実験は次のように行なわれました。
まず光子プローブを量子相互作用に通し、ある特定の測定可能な結果を得ます。その結果に基づいて、最適な結果を得るための情報を特定することができます。
これはもう採点の終わった答案を見直しているような感じで、もう起こったことを振り返っているのです。しかし、その結果は量子操作から得られたものなので、より劣った結果に固執する代わりに、チームはもつれを介して量子プローブの値を調整することで、すでに行なわれた操作であるにも関わらず、より良い結果を生み出すことができるのです。
研究の共著者でメリーランド大学の物理学者Nicole Yunger Halpern氏は、米Gizmodoの取材に対して、チームは確率的に過去の選択を改善できることを示したと説明してくれました。
ただし、提案された時間旅行のシミュレーションはまだ行なわれていないとも話しています。Halpern氏は、研究では時間旅行効果が4回に1回は明らかに起こったけれど、失敗率は75％だと言います。
失敗率の高さに対処するため、チームは多数のもつれた光子を送ることを提案しており、フィルターを使用して修正された情報を持つ光子が通過する一方で、古くなった粒子を取り除くことを検討しているそうです。
ケンブリッジ大学の量子物理学者で、この研究の主著者David Arvidsson-Shukur氏は、米Gizmodoにメールでコメントを送っています。
｢私たちの実験は、通常の時間の矢に従う（量子でない）スタンダードな物理学では、解決が不可能に見えます。
したがって量子もつれは、実際には時間旅行のように見えることを作り出すことができるように思えます｣
量子粒子の振る舞い、特にその振る舞いがマクロな現象と異なる方法は、物理学者が現実の性質を探求するための有用な意味があります。もつれというのは、量子の法則が異なる方法で作用することの側面の1つです。
量子のもつれが鍵
昨年、別の物理学者グループが量子ワームホールの作成に成功したと発表しています。
ワームホールとは、基本的に量子情報が瞬時に移動できるポータルのことです。その前年には、チームが量子もつれを利用して、人の髪の毛程度の幅のドラムを同期させています。
2022年のノーベル物理学賞は、量子もつれの解明に対して3人の物理学者に授与されています。量子もつれは、物事の動作を理解するためには重要なテーマなのです。そしてシミュレーションは、宇宙の法則に実際に許可されているかどうかを気にすることなく、時間旅行を探求する手段を研究できるというわけです。
Halpern氏はこう述べています。
｢閉じた時間的閉曲線が実際に存在するかどうかはわかりません。私たちが知っている物理法則は閉じた時間的閉曲線の存在を許容していますが、この法則は不完全なものです。
最も紛れのないことは、量子重力の理論は未完成で未知の理論だということです。真の閉じた時間的閉曲線が存在するかどうかに関係なく、私たちが論文を書く前に他の方たちが示してきたように、もつれを使用して閉じた時間的閉曲線をシミュレートすることはできます｣
時間旅行ができるかどうかは超難問
1992年、ホーキング博士の論文が公表されるわずか数週間前に、物理学者のキップ・ソーン博士が第13回一般相対性理論と重力会議で論文を発表しています。
ソーン博士は｢マクロな長さのスケールでは時系列が常に保護されるとは限らず、たとえマクロ的に時系列が保護されていても、量子重力は閉じた時間的閉曲線を持つ微小の時空の歴史に有限の確率振幅を与える可能性があります｣と結論づけました。
言い換えれば、時間旅行が可能かどうかは古典物理学の範囲を超える難問だということです。そして量子重力が依然として捉えどころのないものであるため、時間旅行に関しては未解決のままです。
しかし、ある意味で閉じた時間的閉曲線が現実に存在するかどうかは、少なくとも新しい研究の文脈ではそれほど重要ではないことがわかりましたよね。
重要なのは、研究者たちが自分たちの思想実験が量子力学を調べる新しい方法をくれると考えていること。量子領域が時間の連続性の概念がないことを使えば、面白い結果がどんどん出てくるということです。
からの記事と詳細 ( 量子もつれを使えば、時間旅行のシミュレーションができるかも？ - GIZMODO JAPAN )
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科学＆テクノロジー
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