ひとつの物体が同時に2つの場所に存在できるのか？史上最大の分子による「量子重ね合わせ」の実験

・量子重ね合わせの原理を、これまでにない大規模なスケールで検証した。
・4万個の中性子、電子、陽子を含む巨大な分子の非局在化【幅広く分散している状態】を示した。
・最大2,000個の原子が同時に2つの場所に7ミリ秒間留まるという、量子重ね合わせの新記録を達成した。

物理学者は、古典的な世界と量子の世界を調和させるために、何十年にもわたって研究を続けてきました。量子力学の基本原理である「量子重ね合わせ」は、量子状態を足し合わせて（重ね合わせ）、別の有効な量子状態を作り出すことができるとするものです。

量子的粒子【電子、原子、イオンなど】は、波動的な状態と粒子的な状態の間を行き来することができるため、同時に2つの場所に存在することができます。しかし、この現象は大きな物体には見られず、電子や光子、原子などの小さな粒子でしか観測されませんでした。

しかし、最近になって、状況が変わり始めました。ウィーン大学とバーゼル大学の研究者たちが、量子重ね合わせ原理をこれまでにない大規模なスケールで検証したのです。

このような複雑な実験は、最も小さなものでも、通常の大きさの物体では不可能な状態に配置され得ることを示すものです。巨視的なスケールでは量子物理学は成立しないということでしょうか？

1801年、イギリスの医師トーマス・ヤングが二重スリット実験と呼ばれる光の実験を行い、物質や光は古典的に定義された粒子と波の両方の性質を示すことができることを実証しました。これは、中性子、電子、陽子、原子、分子にも当てはまります。しかし、このような普通でない量子効果が、どのようにして古典の世界に移行するのかは、まだわかっていません。

より重い分子の量子重ね合わせ

今回の研究では、より重い分子（25,000原子質量単位以上）の量子干渉を示すことで、この疑問に答えようとしました。研究チームは、大きな分子（中性子、電子、陽子を40,000個以上含む）を干渉計【干渉パターンを用いて精確な波の測定をする装置】に通しました。

これらの分子は、超高真空【気圧が10-5乗Pa(パスカル)】で分子ビームを形成しながら安定に保たれるように合成されたものです。

この実験が正しく行われるように、研究チームは「長基線ユニバーサル物質波干渉計」と名付けられた特別な干渉計を開発しました。この干渉計は、基線の長さが200センチメートルもあり、これまでで最も長い干渉計です。この干渉計は、コリオリ効果による高感度機器の干渉など、いくつかの技術的課題を補正することができます。

今回の実験に使用された大きな分子の非局在化
出典：研究チーム

その結果、2,000個の原子を含む大きな分子の干渉が確認されました。つまり、2,000個の原子が同時に2つの場所に存在することを意味します。これは、物質干渉を示すことが表された物体の中で、圧倒的に重いものです。

この研究により、量子力学に代わる理論、例えば、重い粒子の重ね合わせ状態をどれだけ長く維持できるかが明らかになりました。今回のケースでは、研究チームは巨大な分子を7ミリ秒以上重ね合わせた状態にすることができました【ミリ秒＝1,000分の1秒】。

今のところ、物体が同時に2つの位置にあるような状態は発見されていません。今後の研究で、物体がどの程度の質量であれば、量子的な重ね合わせができるのか、その限界は何なのかを明らかにすることができるでしょう。

古典的な世界と量子的な世界の間に何らかのつながりを見出すために、研究チームはさらに限界に挑戦していくことを計画しています。次の実験では、重ね合わせの巨視的度合いと干渉粒子の質量を大きくする予定です。