このような量子力学の応用が、今まさに新しいステップに移ろうとしています。

「粒子と波動の二重性」については、早くから実験検証も成されて、理解が広がりました。しかしさらに難解な「量子の重ね合わせ」や「量子もつれ」という概念は、因果律に基づく我々の直観には全く反するものであり、あのアインシュタインでさえ強い懐疑心を抱いていました。

量子の重ね合わせとは、極微の世界では、ある粒子が異なる状態で同時に存在できるという現象であり、量子力学では非常に重要な概念です。有名な例として、「シュレーディンガーの猫」という思考実験があります。箱の中に猫と特殊な仕掛けの毒薬が入っており、ある確率で仕掛けが働くと毒薬が放出されて猫が死んでしまいますが、箱を開けるまで猫は生きている状態と死んでいる状態が同時に重なり合っている、という考え方です。物体は一つの状態しか取ることができず、猫は生きているか死んでいるかのどちらかであり、同時に生と死の状態を取ることはないという日常的な古典力学の実在性の概念とは、全く相いれないものです。

また量子もつれとは、2つの粒子が量子もつれ状態という特別な相関関係にあると、あたかも1つのように振る舞う現象です。例えどんなに遠く離れていても互いに瞬時に影響し合い、片方の粒子の状態を観測すると、もう片方の粒子の状態も瞬時に決定されるというものです。この現象は、物体は局所的な相互作用しかしないと考える古典物理学では全く説明できません。量子もつれは、この局所性の限界を超えた現象なのです。

実在性：物理量は観測される前から定まった値を持っているという考え方と、局所性：物体の性質は近傍にあるものによってのみ影響を受けるという考え方、すなわち古典力学による局所実在論が正しいのか、それとも量子力学の描く奇妙な世界が正しいのかを実験的に確かめる方法が、1964年にジョン・スチュワート・ベルによって提唱されました。詳細な説明は省略しますが、我々が慣れ親しんでいる局所実在論が正しければ必ず成り立つ条件を、不等式の形で表現したのです。そしてこの不等式が成り立たず、量子力学が描く現象の方が正しいことを、アラン・アスペクト、ジョン・クラウザー、アントン・ツァイリンガーらの各グループが実験により検証しました。この功績で、2022年のノーベル物理学賞が3博士に授与されています。しかし、ベル博士は1990年に既に亡くなっており、存命の人物にのみ贈られるノーベル賞受賞対象にはなりませんでした。

こうした基礎研究の積み重ねを経て、量子力学の中でも理解しがたい量子の重ね合わせと量子もつれは、いよいよ魔法のような技術として、実際に使われる段階になってきているのです。それでは、その具体的応用の代表である、量子コンピューターと量子通信について、見ていきましょう。