量子もつれとホログラフィック宇宙論：宇宙の謎を解き明かす最前線

量子もつれとホログラフィック宇宙論：宇宙の謎を解き明かす最前線

こんにちは！タクミです。今回は「この世は投影された宇宙？量子もつれとホログラフィック宇宙論」というテーマでお届けします。少々長編になりますが、最後までお付き合いいただければ幸いです。

最終的には、宇宙空間とは、量子もつれがエンタングルメントとして繋がった情報の集合体であり、ホログラフィックな宇宙、あるいは量子コンピュータそのものに似ているのではないか、という話をしていきます。

量子力学と二重スリット実験：波動と粒子の二重性

まず、このチャンネルでは量子力学に関する話をこれまでお伝えしてきました。二重スリット実験は非常に有名なので、この動画をご覧いただいている方は、僕の他の動画もご覧いただいているかもしれません。

二重スリット実験とは、粒子を2つのスリットに通すとどうなるかを調べる実験です。

• 粒子を通すと、2本の線が現れます。
• 波を通すと、波が2つに分かれて干渉し、強め合うところと弱め合うところが現れ、干渉縞という縞模様になります。

電子や光子のような粒子は、粒子の性質と波の性質を併せ持つ波動粒子二重性を示すことが知られています。

しかし、二重スリット実験では驚くべき結果が得られました。

• 粒子を通すならば2本の線になるのは分かります。
• しかし、電子や光子などは粒子の性質に加え、波の性質も持っているため、二重スリットに通すと干渉縞ができるという予想が立てられました。

ところが、実験の結果はさらに奇妙でした。

• 一個ずつ粒子を通しても、干渉縞が現れるのです。

これは、観測していない時は波動として、観測すると粒子として振る舞うことを示しています。

スリットの幅と粒子の大きさには、10の16乗オーダーの差があります。人間の身長で例えると、粒子の大きさが人間の身長程度だとすると、スリットの間隔は太陽系どころか、太陽系と別の恒星の距離くらい離れていることになります。

観測と量子状態：過去の情報への影響

観測することで、粒子は波動から粒子へと収束してしまいます。これは、観測という行為が、量子の過去の情報にも影響を与えていることを示唆しています。

この二重スリット実験は、およそ100年間議論されてきました。2021年、理研グループは、二重スリットを通過した後の電子に対して様々な操作を行った結果、以下のことを明らかにしました。

• 通過後の経路を分析できる条件下では、あたかも最初から粒子としてスリットを通過してきたかのように振舞う。
• 通過後の経路が分からない条件下では、干渉縞が現れる。

つまり、観測によって、量子の過去が書き換えられる可能性があるということです。

この二重スリット実験の結果を、粒子に意識があるという仮定で考えてみましょう。

• 粒子はスリットを通過した後に、自身の経路がバレるかどうかを認識する。

これは、通過するまでは経路がわからないはずなのに、過去の情報に遡って状態が決定されていることを示唆しています。

量子もつれと遅延選択量子消去実験：超光速の相互作用

さらに、遅延選択量子消去実験と呼ばれるものがあります。これは、量子もつれ状態を利用した実験です。

量子もつれとは、2つの粒子が互いに強く相関している状態のことです。例として、BBO結晶（β-バリウムボレート）という結晶を用いた実験を考えましょう。

• Aという光子が入射すると、BとCという2つの光子が反対側から押し出される。
• Aが検出器D0に向かうと、BとCはそれぞれ検出器D4、D3に向かう。
• D4は、Aが上のスリットを通過したことを示す。
• D3は、Aが下のスリットを通過したことを示す。
• BとCが検出器D2,D1に向かう場合は、どちらのスリットを通過したかわからない。

D2,D1は、完全反射ミラーと半透過ミラーを用いています。この場合、Aは波動として二重スリットを通過したことを示唆します。

重要なのは、観測する場所によって、量子の過去（どちらのスリットを通過したか）が決定されるという点です。

この実験結果から、量子もつれ状態にある粒子の間の相互作用は、光速を超える速度で行われている可能性が示唆されています。

量子もつれの応用：量子テレポーテーション

ウィーン大学では、量子もつれ現象を利用して、物体に触れずに写真を撮ることに成功しました。

これは、PBS（偏光ビームスプリッター）と呼ばれる装置を用いた実験です。

• PBSは、光子を垂直偏光と水平偏光の2つに分ける装置です。
• ダイクロイックミラーは、特定の波長の光だけを反射させる装置です。

この実験では、猫の像に赤い光だけを当て、その赤い光を量子もつれ状態にして、ビームスプリッターで混ぜて黄色い光だけをカメラに送ることで、猫の像を撮影することに成功しました。

近年では、量子もつれを利用した量子テレポーテーションの実証実験も成功しています。これは、物理的な物質を転送するのではなく、量子状態を転送する技術です。

例えば、量子もつれ状態にある粒子AとBを作り、Aを地球上に、Bを人工衛星に運びます。そして、Cという粒子とAを量子もつれ状態にします。するとAとB、AとCが量子もつれ状態になります。

次に、地球上でAの状態を古典的に測定し、その情報を人工衛星に送ります。すると、BがAと同じ状態になります。これは、物理的にはBが移動したわけではないのに、Aの状態と同じ状態に変化したことを意味します。

量子もつれとベルの不等式：古典論との相違

アインシュタインらは、EPRパラドックスという論文で、量子もつれが光速を超える情報伝達を意味するのではないかと指摘し、量子論に反論しました。

アインシュタインらは、量子状態は観測前から決定されており、量子もつれは単なる見かけ上の現象であると主張しました。

ベルの不等式は、アインシュタインらの主張が正しいかどうかを検証するための式です。この不等式が実験的に破られるならば、量子論が正しいことを意味します。

ジョン・クラウザーは、初めてベルの不等式の実験的検証を行い、量子論を支持する結果を得ました。しかし、その実験には抜け穴がありました。

アラン・アスペは、この抜け穴をなくした実験を行い、さらにベルの不等式が破られることを実証しました。その後、アントン・ツァイリンガーは、宇宙線からの信号を用いてベルの不等式の実験を行い、その結果、量子もつれ現象は古典力学では説明できないことが示されました。

ホログラフィック宇宙論：宇宙空間は量子コンピュータ？

ブラックホールのエンタルピーは、その表面積に比例するということが分かっています。これは、ブラックホールの中に落ちた情報は、表面に保存されていることを示唆しています。

この現象は、ホログラフィーに似ています。ホログラムは、2次元平面に3次元情報を記録したものです。

これと類似した考え方が、AdS/CFT対応という理論です。

• AdS空間は、3次元的な重力理論が適用される空間です。
• CFT空間は、2次元平面上の量子場理論が適用される空間です。

AdS/CFT対応では、AdS空間の重力理論とCFT空間の量子場理論が同じ計算結果を与えることが示されています。

東京大学の奥村先生は、この量子もつれを用いた研究論文を発表し、物理的空間は宇宙外壁の情報面から投影されたホログラムのようであると主張しています。

つまり、高次元の情報空間があって、そこから量子もつれを通して、我々の3次元空間が投影されているという可能性があります。この高次元情報空間は、量子コンピュータのような構造をしている可能性が示唆されています。

量子力学と仏教的世界観：縁起と空

量子力学は、従来の物理学とは異なる非常に不思議な現象を示します。

• 位置と運動量は同時に決定できない
• 観測前の量子状態は波動として存在し、観測によって粒子として収束する
• 量子もつれは超光速の情報伝達を示唆する

これらの現象は、仏教の縁起の思想と共通点があります。仏教では、全ての事物は相互に依存して成り立っており、それ自体に固有の実体はないと考えられています。

特に、量子もつれは、情報と情報の繋がりを示しており、仏教の縁起の思想と通じるものがあります。

結論：量子もつれとホログラフィック宇宙論による宇宙観

量子もつれとホログラフィック宇宙論は、宇宙の謎を解き明かすための新たな視点を与えてくれます。高次元の情報空間からの投影、量子コンピュータのような構造、そして仏教の縁起の思想。

これらの考え方を統合することで、宇宙をより深く理解できる可能性があると言えるでしょう。

更なる考察：

この音声ファイルは、量子力学、特に量子もつれに関する高度な話題を扱っています。この記事では概要を説明しましたが、より深く理解するためには、量子力学の基礎知識が必要です。興味のある方は、関連書籍や論文を参照することをお勧めします。 また、音声の内容を完全に網羅しているわけではありません。重要な点を簡潔にまとめ、読者の理解を助けることを優先しました。