量子もつれでエネルギー輸送が速くなる—―植物に学ぶ驚きの仕組み (2/3)

複数の経路を同時に通る「量子エネルギー輸送」の不思議

複数の経路を同時に通る（非局在化する）と、エネルギー伝達速度が上がるのか？

謎を解明するため、研究チームはまずシンプルな理論モデルをコンピューター上で作りました。

これは、エネルギーを送り出す側と、エネルギーを受け取る側の二つの部分からなる分子モデルです。

送り出す側には複数の小さなサイト（エネルギーを運ぶ分子内のポイント）が存在します。

ここでエネルギーは、まるで飛び石を渡るように「ホップ」と呼ばれる量子的なジャンプを繰り返しながら、受け取る側へと移動します。

ホップできる距離が短ければエネルギーの移動確率は高くなり、距離が長くなるほどその確率は下がりますが、量子の世界ではその確率がゼロにはなりません。

つまり、ごくわずかな確率でもエネルギーが遠く離れた場所へ直接ジャンプする道も残されているのです。

次に、研究チームはこの理論モデルに「環境」の効果も取り入れました。

現実世界では、エネルギーを運ぶ分子は常に揺れ動いていて、その揺れの原因のひとつが温度による熱エネルギーです。

分子が熱で揺れると、エネルギーがスムーズに運ばれるのを妨げることがあるため、この影響を無視できません。

そこで、分子の揺れ（熱による振動）の影響も加え、現実に近い条件に近づけました。

ここで研究チームは、ある重要な比較を行いました。

一つは「エネルギーを一箇所だけに集中させて送り出す場合」。

もう一つは「エネルギーを最初から複数のサイトにふわっと広げて、量子もつれ状態で送り出す場合」です。

この二つを比べ、どちらの方法がより速くエネルギーを目的地に届けられるのかを調べました。

その結果、非常に興味深いことが分かりました。

エネルギーを複数の場所に広げて、量子もつれ状態から送り出したほうが、一箇所から集中させた場合よりも到達スピードが明確に速くなったのです。

なぜそうなるのでしょうか。

実は、エネルギーをもつれさせて送り出すことで、一つの経路だけでなくいくつもの経路を同時に使えるようになります。

普通の感覚では考えにくいですが、量子の世界では「使える道が増えるほど、目的地への移動が速くなる」という特別な仕組みが働いていたのです。

この結果について、研究チームのGuido Pagano氏は「エネルギーを最初から複数の場所に広げることで、1つの場所だけから出発した場合には実現できないスピードで、エネルギーを目的地に届けることが可能になる」と説明しています。

これは、まさに量子世界だからこそ可能になるエネルギー輸送の「隠れた秘密」の一つです。

では、どんな条件でこの「量子の速達便」は一番効果を発揮するのでしょうか。

研究チームの解析によると、エネルギー伝達が最も速くなるのは、量子的な結合の強さと環境による緩和の強さがちょうど釣り合ったときでした。

これは、ブランコを押すときに強すぎても弱すぎても上手く揺れないのと似ており、「臨界減衰」と呼ばれるちょうどよいバランスに近い状態です。

量子結合が強すぎてもエネルギーは行ったり来たりしてなかなか前に進まず、逆に環境の雑音が強すぎても効果が消えてしまいます。

つまり、この「絶妙なバランス」を見つけることがエネルギーの速達に重要だということが分かりました。

実際、自然界の光合成装置でもこのような条件が存在するのではないかと議論されています。

さらに驚くべきことに、量子もつれを使ったエネルギー移動は、熱や揺らぎといった環境変化にも強さを示しました。

多少温度が上がったりノイズが加わったりしても、エネルギーの伝わる「速さ」（平衡化スピード）は比較的安定していたのです。

これは、量子もつれによるエネルギー輸送の速度アップが単なる理論上の不思議現象ではなく、現実の環境でも働く可能性があることを示しています。

また、エネルギー移動の過程で、量子もつれ自体が失われずに受け渡されていたことも確認されました。

送り手側にあった量子もつれが、エネルギーとともに受け手側へとバトンのように渡されていたのです。

こうした結果は、量子効果が継続的に働いていること、そして設計次第で環境に左右されにくい仕組みをつくれる可能性を示しています。