量子現実は観測者を形作るのか：逆転の発想がもたらすパラダイムシフト

キャリアを決定づけるはずだった10代のロックコンサートのステージで、ある若きギタリストは、地元の伝説となるような轟音を響かせようと、アンプのボリュームを「10」まで上げた。しかし、その瞬間にヒューズが飛んだ。その後に訪れたのは深い沈黙ではなく、スポットライトの下で技術的な失敗が引き起こす、気まずい静寂だった。後にオックスフォード大学の物理学者となったそのミュージシャン、ヴラトコ・ヴェドラル（Vlatko Vedral）は、長年、自分は単に宇宙の「不運な」バージョンに放り込まれてしまったのではないかと考え続けてきた。古典物理学の世界では、ヒューズが飛ぶか、飛ばないかのどちらかだ。しかし、ヴェドラルは今、量子の世界における物語はもっと雑多なものだと主張している。

量子力学の標準的な物語は、しばしば奇妙だが確立されたパラドックスの連続として教えられ、その舞台の中心には人間という観測者を据えてきた。我々は、粒子は人間が観測するまでは「重ね合わせ」という多くの可能性が混ざり合った状態にあり、人間が観測した瞬間に波動関数が収縮して、単一で退屈な現実になると教わる。オックスフォード大学で量子情報科学の教授を務めるヴェドラルは、この人間中心主義的な見方は不正確であるだけでなく、おそらく間違っていると考える増えつつある研究者の一人だ。彼の論理はこうだ。現実を収縮させるのは人間ではなく、人間を絡め取り、マルチバース（多宇宙）の深淵の向こう側で、特定の条件下では互いにささやき合う可能性すらある複数のバージョンへと枝分かれさせているのは「現実」の方である、というものだ。

特権的な観測者という神話

「観測者効果」は、人間の意識が世界を創造するという主張を行う形而上学的な投機家やニューエイジ系の著述家たちにとって、長らくお気に入りのテーマであった。情報理論の厳密な数学を基礎とする物理学者にとって、これは常にフラストレーションの源となっている。観測が収縮を引き起こすという「コペンハーゲン解釈」の標準的な問題は、「観測者」とは一体何なのかが定義されていない点にある。それには博士号が必要なのか？ 脳が必要なのか？ 単細胞のアメーバではどうなのか？ それともシリコンセンサーで十分なのか？

これは単なる哲学的な好みの問題ではない。それは、観測者を出来事の「制御者」と見る視点から、より大きな決定論的システムの一部であると見る視点への転換を意味する。欧州の研究環境において、「Quantum Flagship」プログラムが量子センサーや量子時計の開発に巨額の資金を投じている現状では、この区別は重要だ。もし観測者が魔法のような外部存在だと仮定すれば、エンジニアリング上の現実を見落とすことになる。つまり、量子コンピュータのあらゆるパーツは他のすべてのパーツを「観測」しており、それがデコヒーレンス（量子デコヒーレンス）として知られる量子情報の急速な崩壊を招いているのである。現代物理学の闘いは、単に物を小さくすることではなく、それらを部屋の「他の部分」から隔離し続けることにある。

光子を見るために何人のボブが必要か？

これを物理的に裏付けるために、ヴェドラルは「ボブ」という名の男性を例に挙げる。光子がボブのサングラスに当たるとき、それは重ね合わせの状態にある。光子とガラスの分子、そしてその後のボブの網膜内のニューロンとの機械的な相互作用が、量子もつれの連鎖を生み出す。物理学者はこれを「フォン・ノイマン連鎖」と呼ぶ。光子の状態は今や目の状態と結びつき、さらに脳の状態と結びついている。

重要なのは、ヴェドラルが主張するように、この連鎖は頭蓋骨の中では止まらないということだ。それは周囲の環境へと広がっていく。我々が毎秒ごとに複数のバージョンに分岐していると感じないのは、こうした相互作用があまりにも複雑だからである。光子に関する情報が空気分子や床板に漏れ出してしまうと、「ボブ」の異なるバージョンは互いに干渉できないほど別々の存在となり、「コヒーレンス」を失ってしまう。

しかし、ヴェドラルの議論の数学的な核心は、これらの枝分かれが完全に断絶しているわけではないという点にある。ロンドンのロックコンサートよりも、ガルヒング（Garching）の研究所にある希釈冷凍機のような高度に制御された環境下では、理論上、これらの枝分かれが互いに干渉し合うことが可能である。これが量子干渉という現象であり、粒子の2つの経路が互いに打ち消し合ったり、強め合ったりする。ヴェドラルは、もしこれが粒子に当てはまるのであれば、原則として、それらともつれ合っている「あなた」というバージョンにも適用されるはずだと示唆している。

アリスの実験と記憶の消去

この理論の最も議論を呼ぶ側面は、これらの相互作用を逆転させる可能性にある。2人目の観測者であるアリスが、ボブと光子を一つの量子システムであるかのように操作できると想像してみてほしい。もしアリスがボブと光子の間の量子もつれを完璧に逆転させることができれば、彼女は事実上、ボブの観測を「なかったこと」にできる。ボブの視点からはその出来事の記憶は一切なくなるが、根底にある量子数学によれば、逆転を成功させるためには、両方の可能性のある現実が存在していなければならなかったことになる。

これは、小規模な実験室環境で最近検証が進んでいる思考実験、「ウィグナーの友人」の巨視的バージョンである。エディンバラ大学などで行われた実験では、2人の異なる観測者が、ある出来事が実際に起きたかどうかという「事実」について意見が分かれ、かつ数学的には両者が正しいという状況が実際に起こり得ることを示している。これは単なるコミュニケーションの失敗ではなく、量子という風景の根本的な特徴である。

産業政策において、これは理論上の議論が現実味を帯びてくる点である。「EuroQCI」イニシアチブのような欧州の量子通信への投資は、量子情報はコピーも観測もされず、さもなくば変化してしまうという原則に依存している。もしヴェドラルが正しく、「観測」とは量子もつれの一種に過ぎず、理論上はより高次の観測者によって操作されたり回避されたりし得るものだとしたら、量子ネットワークの絶対的な安全性という現在の前提は、いつか再考を迫られるかもしれない。観測者を「取り消す」ことができるなら、セキュリティを取り消すこともできるのではないだろうか？

不運な宇宙の現実

ヴェドラルの「多くの私（many-mes）」モデルに対する懐疑論は、しばしば実験家たちから寄せられる。マックス・プランク研究所の廊下やボッシュのクリーンルームでは、別の自分同士の干渉を熟考することではなく、ノイズを軽減することに焦点が当てられている。宇宙は驚くほど「塊が多く」、ノイズに満ちている。アンプが飛ばなかった「幸運な宇宙」のあなたのバージョンが、現在の物理的状態に影響を与える確率は、目に見える世界にある原子の数よりも多くのゼロが必要なほど、極めて小さい。

それでもヴェドラルは、これらの枝分かれを無視するのは論理的な誤りだと主張する。他の枝分かれを容易に測定できないからといって、それが現実の機能的な記述の一部ではないということにはならない。彼は宇宙を巨大なコンピュータとみなしている。この視点は、オックスフォードの同僚であるデヴィッド・ドイッチュ（David Deutsch）とも共有されている。「コンストラクタ理論（Constructor Theory）」に近いこの見方では、物理学とは「何が起こるか」ではなく、「どのような変換が可能であり、なぜそうなのか」を問うものとなる。もしあなたが別の選択をしたバージョンのあなたが存在するなら、その可能性は宇宙の初期条件の中に組み込まれているということだ。

ここには、現実に広範かつ包括的な解釈を求める英国の理論物理学派と、ライン・ルール地方の量子ハブに見られる、より実用的でエンジニアリングに焦点を当てたアプローチとの間に固有の緊張関係が存在する。オックスフォードがボブの脳は量子波動関数であるかと考察している間に、ドイツのエンジニアたちは量子ビットを4ケルビンという極低温で数マイクロ秒以上安定させることに奔走している。どちらも不可欠だが、彼らは異なる言語で語り合っている。

ヴェドラルのロックバンドのエピソードは、科学もしばしば「物事はこうなるべきだったのに」という個人的な不正義の感覚から始まることを思い出させてくれる。彼の語る量子力学は、その「もし違っていたら」という可能性の存在を実際に許容する、唯一の科学分野である。それは、現実とは森の中の一本の道ではなく、森そのものであり、我々は自分の足元を見るのに忙しすぎて、木々の間を歩く他のバージョンの自分たちに気づいていないだけであることを示唆している。

結局のところ、別のバージョンのあなたが今の現実を形作っているという考えは、未だ証明されておらず、おそらく証明不可能な仮説のままである。「他のバージョン」は定義上アクセス不可能であるからこそ、科学と呼べる境界線上に座しているのだ。しかし、何百万もの粒子が絡み合う大規模な量子システムの構築に近づくにつれ、「実験」と「現実のバージョン」の境界線は曖昧になり始めるかもしれない。今のところ、ヒューズは飛んだままだ。オックスフォードには理論があるが、世界の残りの部分は、実際に機能する実験のバージョンを待ち続けている。