量子コンピューターは波動関数が実在することを明らかにする

量子力学は本当に自然をありのままに反映しているのでしょうか、それとも、非常に小さなものの奇妙な性質を説明する私たちの不正確な方法にすぎないのでしょうか?この疑問に答えるのに役立つ有名なテストが量子コンピューターで試みられ、驚くほど具体的な結論が得られました。量子力学は、少なくとも小さな量子デバイスに関しては、実際に現実を完全に記述します。その結果は、より優れた、より信頼性の高い量子マシンを構築するのに役立つ可能性があります。

量子力学は 1 世紀以上前に初めて発見されて以来、その不確実性と確率的な性質が物理学者を悩ませてきました。たとえば、重ね合わせを考えてみましょう。粒子は実際に一度に多くの場所に存在しているのでしょうか、それともその位置の計算により、粒子が実際にどこにあるかについてのさまざまな確率が得られるのでしょうか?後者であれば、量子力学に隠された現実の何らかの特徴が私たちの確実性を制限している可能性があります。このような特徴は「隠れた変数」となるため、この考えに基づいた理論は隠れた変数理論と呼ばれます。

1960 年代、物理学者のジョン ベルは、そのような理論を除外するための実験を考案しました。ベル テストは、離れた量子粒子のペアがどのようにリンクされているか、または絡み合っているかを測定することによって量子性を調査します。それらの量子特性が特定のしきい値を超えて維持される場合、つまりそれらのもつれがいわゆる非局所的で、あらゆる距離に及ぶ場合には、隠れた変数理論を除外できる可能性があります。それ以来、ベル テストは多くの量子システムに対して試行され、量子世界に固有の非局所性を支持する結論が満場一致で下されました。

2012 年、物理学者のマシュー ピューシー、ジョナサン バレット、テリー ルドルフは、実験者が量子システムのさまざまな解釈を区別できるようにする、さらに詳細なテスト (彼らの名をとって PBR と名付けられました) を考案しました。これらには、量子系とその波動関数の測定値（量子状態の数学的記述）が現実を表すと主張するオンティックな見解が含まれます。認識論的見解と呼ばれる別の解釈では、この波動関数は蜃気楼であり、その下にはより深く豊かな現実が存在すると述べています。

量子システムには、波動関数を超えてシステムに影響を与える可能性のある他の秘密の特徴がないと信じていると仮定すると、PBR の数学は、物事を常にオンティックに把握する必要があることを示しています。つまり、それがどんなに奇妙に見えても、量子の動作は現実であるということです。 PBR テストは、量子コンピューター内の量子ビットなどのさまざまな量子要素を比較し、スピンなどのいくつかの特性について同じ値を読み出す頻度を測定することによって機能します。認識論的見解が正しければ、量子ビットが同じ値を読み取る回数は量子力学の予測よりも多くなり、その下で何か別のことが起こっていることを示します。

ケンブリッジ大学の Songqinghao Yang 氏とその同僚は、動作中の IBM Heron 量子コンピュータで PBR テストを実行する方法を考案しました。そして、量子ビットの数が少ない場合、量子システムはオンティックであると実際に言えることがわかりました。つまり、ベルテストが繰り返し発見したように、量子力学は私たちが考えたとおりに機能するようです。

ヤン氏と彼のチームは、1 と 0 の文字列など、5 量子ビットのペアまたはグループによって生成される全体的な出力を測定することによってこのチェックを実行し、この結果が量子システムがどのように動作するかについての予測と一致する頻度を計算し、システム内の自然な誤差を考慮しました。

「現在、すべての量子ハードウェアにはノイズが多く、すべての操作でエラーが発生します。そのため、このノイズを PBR しきい値に加えた場合、解釈はどうなるでしょうか。 [of our system]？」ヤンは言います。 「実験を小規模で行えば、元の PBR テストを満たし、認識論的解釈を除外できることがわかりました。」隠れた変数は消えます。

彼らは少数の量子ビットについてはこれを示すことができましたが、156 量子ビットの IBM マシン上でより多くの量子ビットについて同じことを行うのに苦労しました。システム内のノイズまたはエラーが大きすぎて、研究者が PBR テストで 2 つのシナリオを区別できないようになりました。

これは、このテストでは世界が完全に量子であるかどうかを知ることができないことを意味します。あるスケールではオンティックな見方が勝っているのかもしれませんが、より大きなスケールでは量子効果が何をしているのかを正確に見ることができません。

このテストを使用して量子コンピューターの「量子性」を検証できることは、これらのデバイスが私たちが考えていることを実行していることを確認する方法になるだけでなく、量子の利点、つまり古典的なコンピューターでは法外な時間がかかるタスクを実行できる能力を発揮できる可能性を高める方法になる可能性があります。 「量子的な優位性を得たい場合は、量子コンピューター内に量子性を持たせる必要があります。そうしないと、同等の古典的なアルゴリズムを見つけることができません」とケンブリッジ大学のチームメンバー、ハオム・ユアン氏は言う。

「デバイスのパフォーマンスのベンチマークとして PBR を使用するというアイデアは興味深いです」と、PBR の原著者の 1 人である英国ヨーク大学の Matthew Pusey 氏は述べています。しかしピュージー氏は、それが現実について何かを語っているのかどうかはあまり確信がありません。 「理論に頼るのではなく、実験を行う主な理由は、量子論が間違っている可能性があると思うかどうかです。しかし、量子論が間違っているなら、一体何を質問するのでしょうか?オンティック状態と認識論的状態の設定全体は、量子論を前提としています。」

現実を知る PBR テストを実行する方法を本当に見つけるには、量子論が正しいことを前提とせずにテストを実行する方法を見つける必要があります。 「量子物理学は何らかのメゾスコピックなスケールで根本的に破綻すると信じている人は少数派ですが」と、PBRテストの発案者の一人であるインペリアル・カレッジ・ロンドンのテリー・ルドルフ氏は言う。 「この実験は、世の中にある特定のそのような提案を除外することにはおそらく関係ありませんが、はっきり言っておきますが、私にはどちらかは分かりません! – これまで以上に大規模なシステムで量子論の基本的な特徴をテストすることは、常に代替理論の探索範囲を狭めるのに役立ちます。」

参照： arXiv、 DOI: arxiv.org/abs/2510.11213