量子世界のさらに奥の現実を描く「QBox」理論
因果性の壁の外に出る道は見えた
しかし、壁があるなら、いつか挑む者が現れるのが物理学の世界です。
今回の論文の著者、ヘフォード氏とウィルソン氏は「量子ボックス（QBox）」理論でこの難問に挑みました。
量子ボックス理論をひとことで言えば「量子の操作そのものを、入力にしたり出力にしたりできる、メタな量子論」となります。
難しそうですが、その本質は驚くほど簡単です。
たとえば普通の量子論は、「レシピ本通りに実行する料理」だとします。
「卵を割る → 焼く → お皿に盛る」という手順を、順番通りにこなします。
それに対してQBoxは「レシピ本のレシピとも言える虎の巻」のような存在です。
料理そのものではなく、料理の作り方の作り方を扱う、一段上の世界。
この虎の巻QBoxには「料理そのものの手順よりも、レシピ本を書くときには要点を抑えて、カラフルに、わかりやすく」というように一段上の立場からのことが書かれています。
そのためQBox理論では「Aの工程が先か、Bの工程が先か、その順番すら、量子的にぼんやりしたままでも構わない」という大胆な方針がとられています。
これを専門用語では「因果順序の不定性」と呼びます。
ふたたび料理で例えるなら「味付けA➔加熱B」でもいいし「加熱B➔味付けA」でもいい、という順番自体が「重ね合わせ」のようにぼんやりしていてもいいのです。
「Aが先のルート」と「Bが先のルート」が、量子的に重なりあったまま存在している感じです。
突拍子もない話に聞こえるかもしれません。
けれども実は、この「順番が重なりあう」という現象は、近年すでに実験で探られ始めています。
「量子スイッチ」という装置を使うと、光子に「A→Bの順序」と「B→Aの順序」を同時に体験させることができる。
そんな世界が、関連する量子実験として研究室で立ち上がりつつあるのです。
また別分野の関連例として、量子電池の研究では、電池に「電源A➔電源B」の順番で充電する場合と「電源B➔電源A」の順番で充電する状態を重ね合わせると、理論的に充電効率が上がりうると報告されています。
QBoxは、その因果順序の不定性を、理論の土台に最初から組み込んでいる枠組みなのです。
つまり条件の1つは最初から突破しているとも言えます。
しかし「全体像は1つ」という部分はどうでしょうか？
過去と未来の両方を見れば抜け道が見える
なぜ因果をどうにかすると、全体像は1つという問題まで手が届くのでしょうか？
ここがこの研究の、いわば「手品の種」にあたる部分です。
そして「手品の種」の多くが実はシンプルであるように、著者たちが用意したハイパーデコヒーレンスの仕掛けも、驚くほどシンプルでした。
QBoxの世界の住人は、「箱」のような構造の上側と下側、両方に手が届きます。
論文の言い方を借りるなら、上側は「未来へ向かって伸びていく時間」、下側は「過去へ向かって伸びていく時間」のようなものです。
QBoxの観測者は、いわば時間の両面に手を伸ばせる住人。
過去側にも未来側にも、自由にアクセスできる存在なのです。
ところが、ハイパーデコヒーレンスはここに、こんな操作を加えます。
下側（過去側）を、完全なノイズで塗りつぶす。
ただ、それだけ。
下側を、読めない曇りガラスで覆ってしまう。
上側はそのまま残す。
すると——驚いたことに、残った構造は、私たちが知っている通常の量子論と数学的にぴったり同じになるのです。
論文ではこのことが、数学の定理としてきっちり証明されています。
下側を完全に塗りつぶし、上側を手付かずのまま残したQBoxは、私たちの知る標準量子論で許されるあらゆる変換と、過不足なく一致する、と。
QBoxの世界の住人は、過去側と未来側、両方を見ながら暮らしている。
ところが私たちは、過去側が曇りガラスで覆われた世界に生きているので、未来へ向かう半分しか見えていない。
その「半分しか見えない不自由さ」が、結果として「因果の順序がはっきり決まった、見慣れた量子論」を立ち上げているのではないか、というわけです。
この何気ない設定が「全体像のシフト」の問題——QBoxの世界では、手元の同じ断片を逆算したのに、Aさんは”穏やかな草原”、Bさんは”嵐の海”という、根っこから違う絵にたどり着いてしまう、という、あの厄介な問題——も、解消（量子論側から見えなくなる）してくれるのです。
先の例を再び使うとこうなります。
普通の量子論なら、同じ断片から逆算すれば、たどり着く全体像はひとつ——のはずです。
ところがQBoxの世界では、その「全体像」が、未来側と過去側、ふたつの面を持っているのです。
未来側に映る絵は、二人ともまったく同じ。
過去側には、こっそり別々の”絵の続き”が書き込まれている。
Aさんの過去側には「穏やかな草原へ続く絵」が。
Bさんの過去側には「嵐の海へ続く絵」が。
未来側だけなら、二人の世界はぴったり同じ。
でも、過去側まで含めれば、まるで違う世界——これが「全体像のシフト」つまり「全体像が１つではない状態」の正体でした。
ハイパーデコヒーレンスが過去側に曇りガラスをかけると、残るのは共通の未来側だけ。
QBoxの「全体像が複数ありうる」という奇妙さを、過去側ごと隠してしまうことで、私たちが知る「全体像が一通りに決まる量子論」の”土台”を立ち上げている——そういう構造になっているのです。
ここで少し、上の世界から量子世界を含む私たちの世界を見た場合を考えてみます。
私たちは、未来へ向かって一方向に進む、ごく普通の住人です。
朝が来て、昼になり、夜が訪れる。
コップを倒せば水がこぼれ、いちど割れたお皿はもとには戻らない。
原因が先、結果が後。
これが当たり前の世界です。
けれども、もしかしたら——私たちが”原因が先、結果が後”と当たり前のように感じているのは、もっと豊かな世界のうち、片側しか覗けないことの帰結なのかもしれません。
時間の両面に手を伸ばす住人から見れば、私たちは、ずいぶん不自由な生き物に見えることでしょう。
未編集のフィルム素材を両手で持っている人と、上映済みの映画を一本道で観るしかない私たち。
その差はじつは、世界の側にあるのではなく、私たちの観測者としての権限にあるのかもしれません。
慎重さと、その先へ
量子重力——量子論と重力を統一する究極理論——を追いかけている研究者たちは、ずっと前からこう予想してきました。
「重力と量子を本気で統合するなら、出来事の順番は固定されていてはいけない。時空のあちこちで、因果の順序がぐにゃりと曲がるはずだ」。
これは、物理学者ルシアン・ハーディが2007年に提唱したように、アインシュタインの一般相対性理論を量子論と結びつけたとき、自然に行き着く予想でもあります。
一般相対性理論では、時空のどこにいるかによって、出来事どうしの時間的なつながり方が変わりうる。
重力場が強いところでは、因果で直接結ばれていない離れた出来事の”見える順序”が観測者ごとに大きくズレうるのです。
そこに量子論を組み合わせると——もはや「Aが先か、Bが先か」は、固定された答えを持たなくなる。
両方が量子的に重なりあったまま、世界が動いていくはずだ、というわけです。
カナダ・カルガリー大学のカルロ・マリア・スカンドロ氏は、今回の研究について「これは因果的不確定性です。量子重力理論を追求したいのであれば、この点に留意する必要があります」と述べています。
つまり、QBoxが描く「より深い世界」は、ただの数学的空想ではないということです。
量子重力という、物理学の最前線が長年追いかけてきた究極理論が持つとされる性質と、よく重なっている。
それゆえに、QBoxは「量子論より深い世界」を考えるための候補として真剣に議論されているのです。
もっとも今回の研究で即「ついに量子力学のさらに奥にある世界が見つかった！」「物理学が次の段階に進んだ！」と断定できるわけではありません。
むしろ論文のディスカッションでは、自分たちの結果について、2つの可能性を誠実に並べています。
1つ目の可能性は、これが本物のメカニズムである可能性。
つまり、量子論は本当にQBoxのような深い理論から立ち上がっており、私たちは「より深い世界の半分しか見えていない不自由な観測者」なのかもしれない、という読み方です。
2つ目の可能性は、ハイパーデコヒーレンスの定義するルール（公理）の甘さが数学的な帰結になった可能性です。
私たちはより上流の世界が量子世界になる時に行われる「はぎ取り（ハイパーデコヒーレンス）」を十分に理解していません。
そのため計算上は正しい抜け道となっても、上の世界を完璧に描き切っているとは限らないのです。
QBoxという数学的な抜け道は見つかった。
でも、なぜそれが自然界で実際に使われている道なのか。
その物理的なストーリーは、これからの研究で詰めていく必要がある——というわけです。
それでも、QBoxには「因果があいまい」「全体像が一通りに決まらない」という2つの奇妙さが、同時に潜んでいて、その2つが揃うことで、はじめて2018年の高い壁の脇をすり抜けることができるというアイディアと、それを支える数学の仕組みは、十分に有望な出発点となるでしょう。
今回の研究が、世界トップクラスの物理学誌『Physical Review A』に掲載されたこと自体、物理学者たちがこの「抜け道」を真剣に受け止めていることの表れと言えそうです。
論文の最後では、将来の宿題として、実験で確かめる可能性にも触れられています。
量子の世界では、光や粒子の波がさまざまな形で重なり合います。
その重なり方を、いつもよりずっと細かく調べていけば、QBox理論ならではの違いが見えてくるかもしれない——そんな展望です。
そして著者のヘフォード氏は、最後にこんな言葉を残しています。
「理論の塔全体が、似たようなメカニズムによって、互いにデコヒーレンスを起こしているのです」
ここまで何度も登場してきた「はぎ取り」が、量子論よりさらに上の階でも、同じように起きているのではないか——ヘフォード氏は、そう語っているのです。
量子論の上にQBoxがあるだけではない。
QBoxの上にも、さらに深い理論があるかもしれない。
そしてそのさらに上にも——。
世界は、いったい何階建てなのでしょうか。
元論文
Decoherence to quantum theory from a causally indefinite post-quantum theory
https://doi.org/10.1103/kmmy-3dy3
ライター
川勝康弘: ナゾロジー副編集長。 大学で研究生活を送ること10年と少し。 小説家としての活動履歴あり。 専門は生物学ですが、量子力学・社会学・医学・薬学なども担当します。 日々の記事作成は可能な限り、一次資料たる論文を元にするよう心がけています。 夢は最新科学をまとめて小学生用に本にすること。
編集者
ナゾロジー 編集部
