「離れた2つの粒子が、瞬時につながる」。量子もつれと呼ばれるこの現象は、アインシュタインが「不気味な遠隔作用」と呼んで首をかしげたことでも知られています。しかし「瞬時」とは、実際にはどれくらいの速さなのでしょうか。「量子もつれの速度が初めて測定された——人間の理解を超える速さ」と報じられたところによると、オーストリアと中国の国際研究チームが、量子もつれが形成される過程をアト秒という極めて短い時間スケールで捉えることに初めて成功しました。この記事では、その驚くべき測定結果と、量子技術の未来への影響を解説します。
100京分の1秒の世界へ
今回の研究を主導したのは、ウィーン工科大学理論物理学研究所の研究チームです。中国の研究者らと共同で、原子内部で量子もつれがどのように生まれるかをコンピューターシミュレーションで解明しました。成果は物理学の権威ある学術誌Physical Review Lettersに掲載されています。
まず「アト秒」とはどれほど短い時間なのか、想像してみてください。1アト秒は10の18乗分の1秒、つまり100京分の1秒です。1秒を10億で割り、さらにもう一度10億で割った値に相当します。光ですら、1アト秒の間にはわずか原子数個分の距離しか進めません。
研究チームは、原子に強力な高周波レーザーを照射する実験に注目しました。レーザーを当てると、1つの電子が原子から飛び出し、同時にもう1つの電子がより高いエネルギー状態に励起されます。この瞬間、2つの電子の間に量子もつれが生まれます。
232アト秒の「時間差」が意味すること
ここで研究チームが発見した核心は、飛び出す電子が原子を離れるタイミングに関するものです。
量子力学の世界では、電子は「いつ出発したか」が1つに定まりません。量子重ね合わせと呼ばれる状態にあり、複数の可能性が同時に存在しています。しかし、原子内に残された電子のエネルギーが高い場合、飛び出した電子はより早い時点で出発している確率が高いことがわかりました。
この時間差は平均して約232アト秒。人間の感覚ではまったく捉えられない時間ですが、量子の世界ではこの差が測定可能であり、しかも実験でも確認できる見込みがあるとチームは述べています。
研究者は「電子は原子からポンと飛び出すわけではなく、ある程度の時間をかけて離脱します。その過程で量子もつれが形成されるのです」と説明しています。つまり、量子もつれは「瞬間」ではなく、超微細な時間のなかで徐々に生まれるものだったのです。
量子技術への波及効果
この発見が重要なのは、量子もつれの「維持」ではなく「誕生」の瞬間に初めて迫った点です。
量子コンピューターや量子暗号通信は、量子もつれを利用する技術です。現在の課題は、もつれ状態がすぐに壊れてしまう「デコヒーレンス」と呼ばれる問題への対処です。もつれがどのように形成されるかを精密に理解できれば、より安定した量子システムの設計や、量子通信のセキュリティ向上につながる可能性があります。
研究チームはすでに、この超高速のもつれ形成を実験的に検証したいと考える他の研究グループと協議を進めています。シミュレーションの予測が実験で裏付けられれば、量子技術の制御精度が飛躍的に向上する道が開かれるかもしれません。
記者の視点：「瞬間」の中に隠された構造
量子もつれは長らく「瞬間的に起きる」と考えられてきました。今回の研究は、その「瞬間」をさらに細かく分解し、内部に構造があることを示しました。これは、時間というものの捉え方そのものに一石を投じる発見です。
日本でも東京大学やNTTが光量子もつれの高速生成で世界記録を更新するなど、量子技術の研究は活発に進んでいます。アト秒という極限の時間スケールでの知見が蓄積されることで、量子コンピューターの実用化や量子インターネットの実現がまた一歩近づくのではないでしょうか。
アト秒が切り拓く量子の新時代
「瞬間」だと思われていた現象にも、100京分の1秒の世界では明確な時間構造がある。今回の研究は、人間のスケール感覚を超えた極微の世界に、まだ多くの未知が隠されていることを教えてくれます。量子もつれの「誕生の瞬間」を捉える技術が進めば、次世代の量子技術は想像以上の速さで私たちの生活に届くかもしれません。
