Research press release

【量子物理学】量子力学では巨視的な系を矛盾なく記述できない

Nature Communications

Quantum physics: Quantum mechanics fails in consistently describing macroscopic systems

複数のエージェントが量子力学を用いてお互いの観測結果を予測しようとすると、常に矛盾した結果になることを明らかにした思考実験について報告する論文が、今週掲載される。この新知見は、量子論の現在の解釈を巨視的な(肉眼で見える程度に大きな)複雑系に外挿した場合に、それを矛盾なく記述できないことを示唆している。

さまざまな状態の粒子が同時に「重なり合って」存在する微視的世界は、量子力学を使うとうまく記述できる。しかし、量子論が普遍的妥当性を備えるには、量子論を使っているエージェント自身を含む複雑系をモデル化できることが原理的に望ましい。このことと、科学者が実験室環境で重ね合わせ状態の1つを測定するたびに単一の特定の値を経験するという事実を両立させる方法は、解明されていない。現在、この問題に対する解を与えるための量子力学の解釈が数多く存在している。

今回、Renato RennerとDaniela Frauchigerは、複数の観測者が関与する状況において、これらの量子力学の解釈の多くが現実を矛盾なく記述できないことを明らかにした。今回の研究で行われた思考実験では、4人の異なるエージェントが関与し、それぞれ異なる数量の測定を行った。全てのエージェントが量子論を使って自らの観測結果のモデル化をし、それぞれの観測者が単一の測定結果を得ると仮定した上でお互いの観測結果を予測すると、それぞれの観測者の観測結果は、他の観測者の予測と反対の結果になった。

この結果は、量子論を拡張して巨視的な系を対象に含めることは、これまで考えられていた以上に一筋縄ではいかないものであり、理論のさらなる発展が必要なことを示唆している。

When multiple agents use quantum mechanics to predict each other’s observations they will invariably end up with inconsistent results, according to a thought experiment reported in Nature Communications. The findings suggest that current interpretations of quantum theory cannot be extrapolated to consistently describe complex, macroscopic (large enough to be visible with the naked eye) systems.

Quantum mechanics can be successfully used to describe the microscopic world, where particles can exist ‘in superposition’ between different states at the same time. However, to be universally valid, the theory should in principle be able to model complex systems that include agents who are themselves using quantum theory. It has been unclear how to reconcile this with the fact that in the laboratory a scientist will experience a single, specific value each time they measure one of the superposed states. There are currently many interpretations of quantum mechanics to provide an answer to this question.

Renato Renner and Daniela Frauchiger show that there are situations involving multiple observers where many of these interpretations of quantum mechanics invariably fail to give a consistent description of reality. Their thought experiment involves four different agents, each one measuring a different quantity. If all the agents use quantum theory to model what they observe and to predict each other’s observation (and if we assume that each observer sees a single measurement outcome), then each observer’s outcome will be opposite to what the other would have expected.

This result suggests that the extension of quantum theory to include macroscopic systems is even less straightforward than was previously thought, and needs further development.

doi: 10.1038/s41467-018-05739-8

「Nature 関連誌注目のハイライト」は、ネイチャー広報部門が報道関係者向けに作成したリリースを翻訳したものです。より正確かつ詳細な情報が必要な場合には、必ず原著論文をご覧ください。

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