量子力学は奇妙です。 小さな粒子と力の働きを説明する理論は、1935年にアルバートアインシュタインを不安にさせたため、彼と彼の同僚はそれが不完全であるに違いないと主張しました。
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問題は、量子物理学が因果関係、局所性、リアリズムの常識的な概念を無視しているように見えることです。 たとえば、月を見ていないときでも月が存在することを知っています。それがリアリズムです。 因果関係は、ライトスイッチをフリックすると電球が点灯することを示しています。 また、光の速度が厳しく制限されているため、今すぐスイッチをフリックしても、地域によっては100万光年離れた場所で関連する効果が即座に発生することはありません。 ただし、これらの原則は量子領域で崩壊します。 おそらく最も有名な例は、量子エンタングルメントです。これは、宇宙の反対側の粒子が本質的にリンクされて、情報を即座に共有することができることを示しています。
しかし1964年、物理学者のジョン・スチュワート・ベルは、量子物理学が実際に完全で実行可能な理論であることを証明しました。 現在のベルの定理と呼ばれる彼の結果は、もつれのような量子特性が月と同じくらい現実的であることを効果的に証明し、今日では量子システムの奇妙な振る舞いがさまざまな実世界のアプリケーションで使用されています。 最も興味深い5つを以下に示します。
1月にNISTとJILAが発表したストロンチウム時計は、今後50億年間正確な時間を保ちます。 （YeグループとJILAのBrad Baxley） 超精密時計
信頼できる計時は、朝のアラームだけではありません。 時計は技術の世界を同期させ、株式市場やGPSシステムなどを一直線に保ちます。 標準時計は、振り子や水晶などの物理的な物体の規則的な振動を使用して、「刻み」と「刻み」を生成します。 今日、世界で最も正確な時計である原子時計は、時間を測定するために量子理論の原理を使用することができます。 電子をエネルギーレベル間でジャンプさせるために必要な特定の放射周波数を監視します。 コロラド州の米国国立標準技術研究所（NIST）の量子論理時計は、37億年ごとに1秒の損失または増加しかありません。 今年初めに発表されたNISTストロンチウム時計は、現在の地球の年齢よりも長い50億年間正確です。 このような超高感度の原子時計は、GPSナビゲーション、通信、測量に役立ちます。
原子時計の精度は、使用する原子の数に部分的に依存しています。 真空チャンバー内に保持されている各原子は、独立して時間を測定し、原子とその近傍との間のランダムな局所的な違いに注意を払います。 科学者が原子時計に100倍の原子を詰め込んだ場合、原子時計の精度は10倍になります。しかし、絞り込める原子の数には制限があります。研究者の次の大きな目標は、エンタングルメントを使用して精度を高めることです。 もつれた原子は局所的な違いに夢中にならず、代わりに時間の経過のみを測定し、それらを単一の振り子として効果的にまとめます。 つまり、もつれ合った時計に100倍以上の原子を追加すると、100倍正確になります。 もつれた時計をリンクして、場所に関係なく時間を測定する世界的なネットワークを形成することさえできます。
オブザーバーは、量子通信にハッキングするのに苦労するでしょう。 （VOLKER STEGER / Science Photo Library / Corbis） クラックできないコード
従来の暗号化はキーを使用して機能します。送信者は1つのキーを使用して情報をエンコードし、受信者は別のキーを使用してメッセージをデコードします。 ただし、盗聴者のリスクを取り除くことは難しく、キーが危険にさらされる可能性があります。 これは、潜在的に壊れない量子鍵配布（QKD）を使用して修正できます。 QKDでは、キーに関する情報は、ランダムに偏光された光子を介して送信されます。 これにより、フォトンが1つの平面でのみ振動するように制限されます。たとえば、上下または左から右です。 受信者は、偏光フィルタを使用してキーを解読し、選択したアルゴリズムを使用してメッセージを安全に暗号化できます。 秘密データは引き続き通常の通信チャネルを介して送信されますが、正確な量子キーがない限り、誰もメッセージをデコードできません。 量子ルールは偏光した光子を「読み取る」ことで常に状態が変化し、盗聴の試みは通信違反者にセキュリティ違反を警告するため、量子ルールが指示するため、これは注意が必要です。
今日、BBN Technologies、東芝、ID Quantiqueなどの企業は、QKDを使用して超セキュアネットワークを設計しています。 2007年、スイスはID Quantique製品を試して、選挙中に改ざん防止の投票システムを提供しました。 もつれたQKDを使用した最初の銀行振込は、2004年にオーストリアで行われました。このシステムは、光子がもつれた場合、侵入者によって行われた量子状態の変更がキーベアリングを監視しているすべての人にすぐに明らかになるため、非常に安全であると約束されています粒子。 しかし、このシステムはまだ長距離では機能しません。 これまで、もつれた光子は約88マイルの最大距離で送信されてきました。
D-Wave Oneコンピューターチップのクローズアップ。 （D-Wave Systems、Inc.） 超強力なコンピューター
標準的なコンピューターは、情報を2進数の文字列またはビットとしてエンコードします。 量子コンピューターは、状態の重ね合わせに存在する量子ビットまたはキュービットを使用するため、処理能力を過給します。測定されるまで、キュービットは同時に「1」と「0」の両方になります。
この分野はまだ開発中ですが、正しい方向へのステップがあります。 2011年に、D-Wave Systemsは、128キュービットプロセッサであるD-Wave Oneを発表し、1年後に512キュービットD-Wave Twoを発表しました。 同社によれば、これらは世界初の市販の量子コンピューターです。 ただし、D-Waveの量子ビットが絡み合っているかどうかはまだ不明であるため、この主張には懐疑的な見方があります。 5月にリリースされた研究では、もつれの証拠が見つかりましたが、それはコンピューターのキュービットのごく一部のみです。 また、チップが信頼できる量子高速化を示すかどうかについても不確実性があります。 それでも、NASAとGoogleは協力して、D-Wave Twoに基づくQuantum Artificial Intelligence Labを形成しました。 そして昨年、ブリストル大学の科学者たちは、従来の量子チップの1つをインターネットに接続して、Webブラウザーを持っている人なら誰でも量子コーディングを学べるようにしました。
もつれに鋭い目を保つ。 （小野ら、arxiv.org） 改良された顕微鏡
2月、日本の北海道大学の研究者チームは、微分干渉コントラスト顕微鏡法として知られる技術を使用して、世界初のエンタングルメント強化顕微鏡を開発しました。 このタイプの顕微鏡は、物質に2本の光子ビームを発射し、反射ビームによって作成された干渉パターンを測定します。パターンは、平らな表面と不均一な表面のどちらに当たるかによって変化します。 もつれた光子を使用すると、1つのもつれた光子を測定するとそのパートナーに関する情報が得られるため、顕微鏡が収集できる情報量が大幅に増加します。
北海道チームは、これまでにないシャープさで背景のわずか17ナノメートル上にある刻まれた「Q」をイメージしました。 同様の手法を使用して、干渉計と呼ばれる天文学ツールの分解能を向上させることができます。干渉計は、さまざまな光の波を重ね合わせて、その特性をよりよく分析します。 干渉計は、太陽系外惑星の狩り、近くの星の探査、重力波と呼ばれる時空のさざ波の探索に使用されます。
ヨーロッパのロビンは、自然の量子かもしれません。 （アンドリューパーキンソン/コービス） 生物学的コンパス
量子力学を利用するのは人間だけではありません。 ある有力な理論は、ヨーロッパのロビンのような鳥が不気味な行動を使用して、渡り鳥を追跡することを示唆しています。 この方法には、絡み合った電子を含む可能性のあるクリプトクロムと呼ばれる光感受性タンパク質が含まれます。 光子が目に入ると、クリプトクローム分子にぶつかり、それらを分解するのに十分なエネルギーを供給して、不対であるがまだ絡み合った電子を持つ2つの反応性分子またはラジカルを形成します。 鳥を取り巻く磁場は、これらのクリプトクロムラジカルの持続時間に影響します。 鳥の網膜の細胞は、もつれたラジカルの存在に非常に敏感であると考えられており、動物は分子に基づいて磁気マップを効果的に「見る」ことができます。
しかし、このプロセスは完全には理解されておらず、別の選択肢があります。鳥の磁気感度は、くちばしにある磁性鉱物の小さな結晶による可能性があります。 それでも、もつれが実際に働いている場合、実験は、繊細な状態が最高の人工システムよりも鳥の目でずっと長く続く必要があることを示唆しています。 磁気コンパスは、特定のトカゲ、甲殻類、昆虫、さらには一部の哺乳類にも適用できます。 たとえば、ハエの磁気航法に使用されるクリプトクロムの形態は人間の目でも発見されていますが、それが同様の目的に有用であるか、一度有用であったかは不明です。
