量子力学の問題点を突く思考実験「シュレーディンガーの猫」の応用。箱を変えずに中の猫を覗くことは可能か？

・量子システムを変えずに測定することは可能か？
・量子システムからデータを読み出すことで、量子システムの状態を知ることが可能であることがわかった。

1935年、オーストリアの物理学者エルヴィン・シュレーディンガーは、量子法則の初期の解釈の不完全性をよりよく説明するために、仮説的な実験を思いつきました。

この逆説的な思考実験では、生きていると同時に死んでいるかもしれない「猫」が登場します。密閉された箱の中を見るまでは、猫の生死がわかりません。この猫の状態は、「量子重ね合わせ」として知られています。

最近、広島大学とインド工科大学の研究チームが、量子物理学最大の謎である「量子システムを変化させずに解析する方法」を解明しようと試みました。

研究チームは、量子システムのデータをシステム自身から読み取ることによって、量子システムの状態を決定することが可能であることを発見したのです。結果は分析手法によって異なります。分析をシステムから取り除いた後、量子データを読み取ることによって、可能な結果の最初の重ね合わせを復元することができます。

私たちはただ見るだけで、2つの異なる物体を区別することができます。しかし、量子の世界ではかなり複雑で、観察することによって対象を変えることができます。

これは、量子法則の問題点のひとつであり、複雑な数式で記述できます。ただし、これらの方程式では、実際にそこに何があるのかを知ることはできません。

量子力学では、何かを見るときにトレードオフ【何かを得ると、別の何かを失う、相容れない関係】があります。相互作用がなければ、何もわかりません。結果を知るためには、事前に代償を支払わなければならないのです。

しかし研究チームは、「代償を支払う」ことなく、あるいはシステムの状態を変化させることなく、量子システムを測定しようとしました。そして、「シュレーディンガーの猫」を使ってこの発見を説明したのです。

実験

シュレーディンガーの猫の状態を知るために、研究チームは箱の外から画像を撮影するカメラを設置しました。この画像には猫が写っていますが、生きているのか死んでいるのかはわかりません。

このシナリオでは、カメラのフラッシュが「量子タグ」を取り除きながら猫の重ね合わせをマークしました。この画像は今、猫の運命と絡み合っており、結果（猫に何が起こったか）はこの画像がどのように処理されるかにかかっています。

出典：Emma Buchet and Holger F. Hofmann / 広島大学
【対訳を上書き】

次のステップは、箱から写真を取り出して暗室やコンピュータで処理することです。画像処理技術に基づいて、猫が死んでいるのか生きているのか、あるいはフラッシュによって猫の状態が変化し、量子タグが復元されたのかを判断することができます。

最終的な猫の状態は、観察者の選択によって決まります。生きているのか死んでいるのか、あるいは量子タグを復元したのか、どちらかを判断することはできますが、両方を判断することはできません。

全体として、この発見は量子物理学の法則をよりよく理解するのに役立ちます。研究チームが測定を研究したのは、それが量子力学の「荒野」の起源だからです。将来的には、情報ストレージ、コンピューティング、安全な通信など、いくつかの応用が考えられるでしょう。