What can Schrödinger's cat teach us about quantum mechanics? - Josh Samani

シュレディンガーの猫が量子力学について教えてくれること - ジョシュ・サマニ

翻訳: Misaki Sato 校正: Tomoyuki Suzuki

Consider throwing a ball straight into the air.

空に向かってボールを 投げると考えてみて下さい

Can you predict the motion of the ball after it leaves your hand?

投げたボールの動きを 予想する事はできるでしょうか？

Sure, that's easy.

もちろん 簡単ですね

The ball will move upward until it gets to some highest point,

ボールは最高点に達するまで 上に行き

then it will come back down and land in your hand again.

やがて下へ向かい 手の中に戻ってきます

Of course, that's what happens,

これが実際に起こることですね

and you know this because you have witnessed events like this countless times.

こういった事は 何度も目にしていてご存じでしょう

You've been observing the physics of everyday phenomena your entire life.

日常生活における物理を見てきたわけです

But suppose we explore a question about the physics of atoms,

しかし原子の世界ではどうでしょうか

like what does the motion of an electron

例えば水素原子の原子核の周りを回る

around the nucleus of a hydrogen atom look like?

電子の動きはどんな風に見えるのでしょうか？

Could we answer that question based on our experience with everyday physics?

日常の物理学的な経験から 答えることができるでしょうか？

Definietly not. Why?

無理ですね でも なぜ？

Because the physics that governs the behavior of systems at such small scales

この様な小さなスケールでは

is much different than the physics of the macroscopic objects

普段目にするものを司っている

you see around you all the time.

物理とは異なっているからです

The everyday world you know and love

私たちが知り なじんでいる日常世界は

behaves according to the laws of classical mechanics.

古典力学に従って動きます

But systems on the scale of atoms

しかし原子レベルのシステムは

behave according to the laws of quantum mechanics.

量子力学に従って動くからです

This quantum world turns out to be a very strange place.

この量子の世界というのは大変不思議なところです

An illustration of quantum strangeness is given by a famous thought experiment:

その奇妙さは 有名な思考実験である

Schrödinger's cat.

「シュレディンガーの猫」で 説明されています

A physicist, who doesn't particularly like cats, puts a cat in a box,

ある猫嫌いの物理学者が

along with a bomb that has a 50% chance of blowing up after the lid is closed.

ふたを閉めた後に50％の確率で爆発する爆弾を 猫と共に箱に入れました

Until we reopen the lid, there is no way of knowing

私たちがふたを開けてみるまでは

whether the bomb exploded or not,

爆弾が爆発したかどうかはわからず

and thus, no way of knowing if the cat is alive or dead.

猫が生きているかどうかもわかりません

In quantum physics, we could say that before our observation

量子物理の世界では 箱を開けて観察するまでは

the cat was in a superposition state.

この猫は重ね合わせの状態にあるといいます

It was neither alive nor dead but rather in a mixture of both possibilities,

生死どちらの状態であるともいえず 両方の可能性がある混合状態であり

with a 50% chance for each.

それぞれ50％の確率なのです

The same sort of thing happens to physical systems at quantum scales,

同じようなことが量子スケールの 物理システムに起こります

like an electron orbiting in a hydrogen atom.

例えば 水素原子の軌道を回る電子です

The electron isn't really orbiting at all.

実際に電子が軌道を 回っているわけではありません

It's sort of everywhere in space, all at once,

他の場所よりも存在する確率が高いというだけで

with more of a probability of being at some places than others,

いつでも空間の至る所に存在し得るのです

and it's only after we measure its position

私たちが位置を測定した後に初めて

that we can pinpoint where it is at that moment.

その瞬間に存在する場所を示す事ができます

A lot like how we didn't know whether the cat was alive or dead

ちょうど 箱を開けてみるまでは

until we opened the box.

猫の生死が分からないのと同じことです

This brings us to the strange and beautiful phenomenon

では奇妙かつ美しき

of quantum entanglement.

「量子もつれ」の現象を説明しましょう

Suppose that instead of one cat in a box, we have two cats in two different boxes.

今度は２つの箱にそれぞれ 猫を１匹ずつ入れたとします

If we repeat the Schrödinger's cat experiment with this pair of cats,

この２匹の猫でシュレディンガーの猫の 実験を行ったとすると

the outcome of the experiment can be one of four possibilities.

その結果は次の４つのうちのどれかになります

Either both cats will be alive, or both will be dead,

どちらの猫も生きているか どちらも死んでいるか

or one will be alive and the other dead, or vice versa.

１匹は生きていて他方は死んでいるか あるいはその逆かもしれません

The system of both cats is again in a superposition state,

どちらの猫のシステムも重ね合わせの状態になり

with each outcome having a 25% chance rather than 50%.

今度は50％ではなく それぞれ25％の確率になります

But here's the cool thing:

ここでクールなのは

quantum mechanics tells us it's possible to erase

量子力学によると重ね合わせの状態から

the both cats alive and both cats dead outcomes from the superposition state.

どちらの猫も同じである状態を 消し去ってしまう事ができます

In other words, there can be a two cat system,

言い換えると２匹の猫からなる系で

such that the outcome will always be one cat alive and the other cat dead.

つねに１匹の猫は生きており もう片方は死んでいるものを想定できます

The technical term for this is that the states of the cats are entangled.

これを専門的には猫は 量子もつれの状態にあると呼びます

But there's something truly mindblowing about quantum entanglement.

量子もつれに本当に驚かされるのはこれからです

If you prepare the system of two cats in boxes in this entangled state,

２匹の猫のシステムをこの量子もつれの状態にして

then move the boxes to opposite ends of the universe,

２つの箱を宇宙の両端に動かしたとしても

the outcome of the experiment will still always be the same.

同じような実験結果が得られるのです

One cat will always come out alive, and the other cat will always end up dead,

結果を測定する前には

even though which particular cat lives or dies is completely undetermined

どちらの猫が生きているかを 決めることは全くできないのに

before we measure the outcome.

必ず１匹の猫は生きていて 他方は死んでいるのです

How is this possible?

どうして可能なのでしょうか？

How is it that the states of cats on opposite sides of the universe

宇宙の反対側にいる猫の状態が

can be entangled in this way?

どうしてこの様に もつれるのでしょうか？

They're too far away to communicate with each other in time,

お互いに連絡を取るには遠く離れすぎているのに

so how do the two bombs always conspire such that

どうやって２つの爆弾が共謀して

one blows up and the other doesn't?

１つ爆発し残りは爆発しないのでしょうか？

You might be thinking,

こう思うかもしれませんね

"This is just some theoretical mumbo jumbo.

「これはあくまで理論的な話であって

This sort of thing can't happen in the real world."

現実の世界で起こったりするものか」

But it turns out that quantum entanglement

しかし実はこの量子もつれは

has been confirmed in real world lab experiments.

現実世界の実験で確認されています

Two subatomic particles entangled in a superposition state,

２つの亜原子粒子が重ね合わせの状態でもつれると

where if one spins one way then the other must spin the other way,

１つが一方向にスピンし もう一方は必ず反対にスピンします

will do just that, even when there's no way

１つの粒子から別の粒子に情報を送る

for information to pass from one particle to the other

方法はないにもかかわらず

indicating which way to spin to obey the rules of entanglement.

もつれのルールに従ってスピンするのです

It's not surprising then that entanglement is at the core

量子情報科学の根幹では もつれは

of quantum information science,

不思議なことではありません

a growing field studying how to use the laws of the strange quantum world

急速に伸びるこの分野では 不思議な量子の世界の法則を

in our macroscopic world,

巨視的世界で利用する方法を研究しています

like in quantum cryptography, so spies can send secure messages to each other,

例えば量子暗号のおかげでスパイは安全に メッセージのやり取りを行うことができ

or quantum computing, for cracking secret codes.

また 量子コンピュータを使って 暗号を解読することもできます

Everyday physics may start to look a bit more like the strange quantum world.

日常の物理が量子の不思議な世界に 近づき始めたようです

Quantum teleportation may even progress so far,

量子テレポーテーションの研究が進めば あなたの猫が

that one day your cat will escape to a safer galaxy,

物理学者も箱も存在しない

where there are no physicists and no boxes.

より安全な銀河へ 逃げることができる日がくるのかもしれません