情報は消すとエネルギーになって漏れていく――情報の物理性実証に成功 (2/3)

「情報」を消すとエネルギーが逃げる

量子の世界で「情報を消す」ということは具体的にどんな現象で、どのようにエネルギーが失われているのでしょうか？

この謎を解明するため研究者たちはまず、極低温に冷却したルビジウム原子の集団を閉じ込めて安定な「量子の雲」を作り上げました。

この原子の雲は、いわば目に見えない小さな粒子たちが互いに静かに調和を保っている状態です。

イメージ的には非常に静かで穏やかな湖の水面と言えるでしょう。

次に研究者たちは、雲の中で原子同士が交流しあう力を調整するために使われていたバリア（ポテンシャルバリア）を、ごく短時間のうちに一気に引き上げる操作を行いました。

この操作は専門用語で「グローバル質量クエンチ」と呼ばれ、原子同士がこれまで保っていた静かな均衡状態を意図的に大きく崩してしまう操作です。

たとえるなら、穏やかで静かな湖の水面に突然大きな石を投げ込んだようなものです。

この乱れが生じた後、研究者たちは系全体の一部を情報が存在する「量子システム」、それ以外を「環境」と定義し、それらの間で情報とエネルギーがどのようにやり取りされているかを詳細に調べました。

波立っている湖の枠で囲まれた部分を特別な場所として指定し、この領域の原子たちがもっていた情報やエネルギーがどう枠の外に出ていくかを観察したのです。

すると、驚くべき結果が観測されました。

量子システムが環境と接触し相互作用することで、それまでシステムが持っていた情報は徐々に環境へと移って失われ、同時にエネルギーが逃げていく現象が初めてはっきりと実験で捉えられたのです。

枠内の原子たちが持つ情報とは？

「原子が情報を持っている」というのは、日常生活の感覚からすると奇妙に思えるかもしれません。しかし、量子の世界では、「情報」というのは原子や粒子がどのように配置され、どのような動きをしているかという「状態の特徴」のことを指しています。例えば、枠で囲まれた小さな領域の中を飛び交う原子を考えてみましょう。もし、この原子たちが完全に規則正しく整列し、すべての粒子が同じように振動していたら、そこには非常に少ない情報しか含まれていません。なぜなら、どの原子を見ても、同じ配置・同じ動きをしているため、新たに得られる情報はほとんどないからです。ところが、ポテンシャルバリアの急激な変化（乱れ）が起こると、原子の動きや配置は不規則で複雑になり、各原子はそれぞれ独自の状態を持つようになります。つまり、この乱れた状態では、「どの原子がどの位置にいて、どのような速度で動いているか」という情報が増え、非常に多くの情報が系に存在する状態となるのです。実験で「情報が消える」というのは、こうして複雑で乱れた状態にあった原子たちが環境と相互作用するうちに、次第にその独自性や特徴を失っていき、最終的には環境側とほとんど区別できない状態に落ち着くことを意味します。このとき、もともと系が持っていた「どの原子がどう動いているか」といった詳細な情報が失われてしまうのです。

これは、「量子世界でも、情報を忘れるということはエネルギーの損失を意味する」というランダウアーの原理の予測を、複雑な量子多体系という状況でも確認できたことになります。

実験で計測したエネルギーの損失量や情報が失われるスピードは、理論的なシミュレーション結果とも非常に高い精度で一致していました。

さらに研究者たちは、この目に見えない現象を直感的に説明するために「準粒子」という概念を使ってわかりやすく解説しました。

準粒子とは、複雑な量子世界で起きる集団的な現象を、まるで「1個の粒子」であるかのようにイメージ化した概念で、例えば、電子の穴（正孔）や物質内部での振動（フォノン）などが有名です。

準粒子は物質の中で起きる複雑な現象やエネルギーの変化を、「粒子が実際に動いているかのように」わかりやすく理解するために物理学者が考え出した概念です。

今回の実験でも、量子系に強い乱れを与えると、多数の「準粒子」がペアとなって生まれ、それが四方八方に飛び出していくというモデルで情報の消失やエネルギーの流れを説明することができました。

簡単にいえば、情報を消すと量子の世界ではペアで「見えない粒子」が生まれ、一方がシステム外へ逃げることで、システムの持っていた情報とエネルギーが失われるという状況が描かれたのです。

なぜ「ペア」かというと、量子の世界では粒子が新たに現れる際には必ず対になって現れ、一方が持つ特徴ともう一方が持つ特徴が対照的になることでバランスをとる性質があるからです。

今回の実験では、量子系に急激な「乱れ」を加えることで、多くの「準粒子」と呼ばれる仮想的な粒子がペアとなって生成されました。

イメージとしては、ある特殊なカードが必ず2枚セットで現れるようなものです。

重要なのはここからです。

この「カード」のペアのうち、一方が系の外側へと飛び出していきます。

もう一方はもともとの量子システムに残りますが、問題は外へ飛び出した側の準粒子です。

外へ出た準粒子は、もともとの系の持っていた「情報とエネルギー」を、まるで外へ持ち去るように見えるのです。

そして準粒子が系から出て行くと、その粒子が本来保持していた配置やパターンは壊れてしまい、元々の配置が再現できなくなります。

言い換えると、カードの片方が失われると、元々どんなペアだったのか（つまり元の情報）はわからなくなります。

このようにして、情報は系から失われることになるのです。

準粒子が逃げ出した際には、同時に「エネルギー」も系の外へと運び出されます。このエネルギーの持ち去りが、系の中でのエネルギー損失として観測されます。

実験では、このエネルギーが失われる瞬間を実際に計測することで、情報の消失という現象をはっきりと捉えました。

つまり量子の世界で情報が消えるとは、「系が持っていた情報（粒子の配置）が、準粒子のペアの一方によって外へ持ち去られ、元に戻せない状態になる」と解釈できるのです。

こうして、長らく謎だった量子世界での「情報消去」という不可視の現象がついに実験的にもモデル的にも、その姿が明らかにされたのです。