量子実験により光が37次元に存在することが明らかに
量子実験により光が37次元に存在することが明らかに / Credit:Canva
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量子実験により光が37次元に存在することが明らかに

2025.02.06 17:00:05 Thursday

私たちは日常的に縦・横・高さという三次元空間しか意識していません。

しかし、デンマーク工科大学によって行われた最新の量子実験によって「光の状態が、古典物理の想像をはるかに超える37もの次元にまたがって存在している」という驚くべき可能性が示されました。

この結果は、光子たちが古典的には見えない多くの自由度(状態空間)を持っていることを示唆しており、私たちの知る“三次元空間”という常識を超えた「量子世界ならではの余分な次元」の存在を浮き彫りにしています。

まるで一枚の紙に見える地図が、開いてみたら複雑に折り畳まれた広大な世界だった――そんなイメージに近いかもしれません。

いったいどのようにして光は「37次元」の姿を現し、そこに量子力学特有の不思議な性質が隠れているのでしょうか。

研究内容の詳細は2025年1月29日に『Science Advances』にて公開されました。

Exploring the boundary of quantum correlations with a time-domain optical processor https://doi.org/10.1126/sciadv.abd8080

37次元の光

量子実験により光が37次元に存在することが明らかに
量子実験により光が37次元に存在することが明らかに / Credit:Canva

研究のキーワードとなるのが「GHZ(Greenberger-Horne-Zeilinger)パラドックス」です。

なにやら難しそうな横文字ですが、内容は極めてシンプルです。

GHZパラドックスは、「離れた粒子同士が量子力学的につながっている」ときに起こる、不思議な矛盾を示す議論です。

簡単に言えば「古典的な考え方では絶対に起こりえないこと」が、量子力学の計算だと「100%起こる」と予言されてしまう、という矛盾(パラドックス)です。

たとえば古典的な理屈で考えると、ある方程式を立てたときに「1 = -1」というありえない結論に至ってしまうことがあります。

でも量子力学なら、そもそもの前提が古典とは違うため、この矛盾を乗り越えてしまうことがあります。

このような普通はあり得ないのに量子力学ならOKとなるケースをGHZパラドックスと呼ぶわけです。

言い換えれば、私たちが認識できる古典的な世界と、量子力学の不思議な世界の違いを現わすための言葉と言えるでしょう。

ですが、このGHZパラドックスの「非古典性」をどこまで際立たせられるのでしょうか?

さらに、パラドックスをより強力に示すには、どのような条件が必要なのでしょうか?

この素朴な疑問を解明するためデンマーク工科大学の研究者たちは従来より「もっと強烈な量子パラドックス」を起こすことにしました。

(※従来より文脈数(測定基底数)を最小化しつつ最大限に量子の不思議さを顕在化させる試みに挑んだという意味です)

その手段として研究者たちは「実験で使う子たちを、できるだけ非古典的(量子らしく)振る舞う状態」にすることを目指しました。

こうすることで量子効果と古典理論の食い違いを際立たせることが可能です。

次に、この状態に至った光子の性質を調べることにしました。

最も大きな矛盾を起こす光子の状態を知ることで、古典的な世界から見た量子力学の世界の異質っぷりを理解できると考えたからです。

すると「光子が37次元の状態を持っているとき、GHZパラドックスの不思議さを最大限に引き出せる」ことが計算によって判明します。

ここで言う「光子が37次元に存在」というのは、「状態を表すのに37個の座標が必要」ぐらいにイメージしていただければOKです。

理論が完成すると、次に研究者たちは実際に37次元の光を作り出し、その性質を測定しました。

といっても、実験室に他次元空間への扉を開いたわけではありません。

光のパルスを細かく制御することで、パルスの強度や位相を制御し、結果的に多次元ベクトルのような状態を作り出したのです。

さらに光の干渉を発生させ、ある種の畳み込み演算を実現します。

この操作によって実質的に高次元空間内での投影確率を測定することが可能になります。

やや難しい手順ですが、要は光に細かい操作を加えて、37次元空間にあるかのような状態を作り出したのです。

こうして作り上げた37次元の光状態を使ってGHZパラドックスを検証した結果、「古典物理なら絶対起こらないはずの事象」をはっきりと観測し、その量子ゆえの異常性を確かめることができました。

この結果は、光の本質のようなものが私たちが認識できる古典的な世界の次元(自由度)よりも遥かに多くの次元(自由度)にまたがって存在していることを示唆しています。

(※ここで言う次元は抽象的な空間の追加の軸のようなものだと思ってください)

言い換えれば、量子力学が“三次元空間を超える高次元の状態”を必要とする、という事実は「古典的には見えない自由度がたくさん隠されている」ということを意味します。

私たちが普段暮らしている世界は縦・横・高さの3次元で十分だと感じますが、量子のレベルでは「さらに多くの座標軸」が必要になるわけです。

これにより、量子現象が古典的直感ではありえないような結果を生む理由が少し見えてきます。

この事実は、私たちの物理観を拡張し、「なぜ量子力学がこんなにも不思議な振る舞いをするのか」という根源的な問いに迫る上で大きな一歩となります。

こうした高次元量子状態を実現できる技術は、単なるパラドックス実験の枠にとどまりません。

将来的には、量子コンピュータの情報処理を劇的に拡張する可能性があると期待されています。

たとえば、1つの光子に37次元相当の情報を詰め込めれば、従来の2次元(キュービット)の何倍もの情報量を扱えるからです。

これらの成果は、量子の隠された多次元世界の扉を開く鍵となり、未来の情報処理技術や物理学のパラダイムシフトを引き起こす礎となることでしょう。

「4次元は縦・横・高さに時間を足す」と言われる理由

量子実験により光が37次元に存在することが明らかにのコメント

ゲスト

超弦理論が11次元なのに37次元とか世界はどうなってんだ

    通りすがり

    そ、そっ、素数が宇宙の謎を握ってる!

ゲスト

世界は我々の感覚で捉えるにはあまりに複雑すぎるってことだね

ゲスト

タテとヨコと奥行き、頑張って4つ目を足して時間まではギリ分かる。
でも37個も何の座標で特定するんだ。

と、ポケモン好きの友達に行ったら、ポケモンはレベル、わざ、とくせい、せいかく、持ち物、のうりょく、タイプ、性別の8次元だよと教えてくれた。
その個体(ポケモン)を特定するための必要な座標(次元)が複数あるってそういうことなのかとやっと理解できた。

    ゲスト

    そもそも時間は次元ではない
    4次元を三次元+時間と言っているのは小説。つまり文系の世界。
    仮に時間をどの次元であるか?と定義するならば0次元

    ゲスト

    時間は次元です
    四次元を時間とするのも一つの仮定であって、ここに文系も何もない
    逆に時間を0次元とする方がナンセンス

    ゲスト

    時間は一方向にしか進めないので、追加の自由度と言うには半分足りないと思うな

    ゲスト

    最新の物理学では「時間は存在しない」という説もあるが・・・

    時間を次元として捉えると、我々の脳(精神)の認識性能上の制約として

    ・時間軸を一方向にしかトレースできない
    ・トレースできる範囲は肉体が存在する座標範囲

    であるだけという可能性もある。

    ホログラフィック宇宙論とも絡めると、3次元に投影された宇宙という情報を我々の精神が一方向にトレースして認識しているだけかもしれない。

ゲスト

我々に見えない多次元があるって言うのは
常識になってきたなぁ
この問題どうするんだろう
この世はここまで複雑だったのか…

ゲスト

空間が 多次元的に 折り畳まれて いるけれども
その空間を 自由に?移動できるのは光だけなのかな?

ななし

論文?には「デンマーク工科大」とは書いてないように見えるんだが…
勘違いだったらスマン…

    ゲスト

    DANMARKS TEKNISKE UNIVERSITET
    →これが一応デンマーク工科大

    で、ヨーローパの団体からの出資があって、この論文が成り立っていて、その団体のなかに大学が記載されていたよ。

ゲスト

空間の中に 37次元として存在してる でも他の空間には干渉できない 同じ空間だけども明確に分
けられていて バブル状に多次元として同一空間?の隣に薄い膜で分けられて存在している。
時間はエネルギーとしては考慮に入れなくてもいいのかな?
確実に 空間は面白そう。

ゲスト

Zheng-Hao Liu
Technical University of Denmark
Postdoc (Department of Physics)

ゲスト

37次元とはまたたくさんあるんだな
私にはそのうちの2次元、もしくは2.5次元で十分さ!

WANIMA

オタクくんさぁ…

ゲスト

中国人すげぇな
こんな珍妙なことよく思いつくな
そしてそれを計測した計測器の凄さよ
日立とかJEOL製とかだったらいいけどデンマークだし欧州製だろうな

ゲスト

縦横高さに各々虚軸あったとして6だからなあ。どんなんやねん

ゲスト

重力は、次元を、つらぬく。

ゲスト

次元数は、ともかく37次元の内、
かつてM理論で言う所の
「繰り込まれた次元」のように
量子的サイズ以下の次元が存在する事を、
予想した物だろうか?

光以外にも、重力子なども次元を超える
可能性はあるのだろうか?

ゲスト

多次元とか人間が観測出来ないのを良いことに数式上で屁理屈捏ねてるようにしか思えないんだよな。
数式上矛盾が生じてない=正しい、みたいな。
数式ってそんなに万能なのかと疑いたくなる。

きこ

四次元空間とか五次元と言うものは
要するに三次元空間にもうひとつ方向性を
足すと言うことであり、空間がもうひとつある、
と言うことである

量子力学の妙なふるまいはもっと上の次元から
すると全部繋がっているのかも知れない
最近人間の認識のもっと上の次元があるっぽい
と言うのは研究結果から予想されている
(昔から…?)

ただ昔から科学なんかなくても十分生きていけただろ?w

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