観察という行為そのものがもつ限界を理論的に解明 (2/3)

量子が人類に突きつけた観測の限界

観察による世界の理解には、そもそも原理的な限界があるのではないか――。

この難問に挑むため、研究者たちはまず「量子コンピューターに未知の量子状態を与え、その状態がどんな『相（フェーズ）』に属しているかを見分ける」という理論的なシナリオを設定しました。

ここでいう「相（フェーズ）」とは、水と氷の違いのようなものを指します。

水は温度によって、固体の氷になったり、液体の水になったり、あるいは水蒸気として気体になったりします。

このような固体・液体・気体という区別を、物理学では「物質の相」と呼びます。

そして、水と氷の違いなら、センサーで硬さを測るという単純な方法でも見分けがつきます。

ある一定以上の硬さを検知すると氷と判断し、それ以外は水と判断する――そんな短い計算手順で済みます。

実際、単純な硬さをもとにした水と氷の違いを見分ける（観察する）計算アルゴリズムはほんの十数行で記述できてしまいます。

ところが、量子の世界では話が違います。

見た目では区別できないのに、内部の量子もつれ（粒子同士の深い結びつき）の仕方が異なるため、別の「相」に属する場合があるのです。

この違いを見分けるには、硬さを測るような簡単な方法では足りず、非常に複雑な計算を行う必要があります。

研究者たちは、このような量子的な相の違いを観測結果として出力するためのアルゴリズムの計算量（問題を解くために必要な処理の多さ）を解析しました。

こうした複雑な計算にこそ威力を発揮すると期待されていたのが、先に述べた「量子コンピューター」です。

理論上、量子コンピューターなら、このような難解な問題も現実的な時間で解けるかもしれない――そんな期待があったのです。

しかし、今回の研究で明らかになったのは、まったく逆の結果でした。

研究チームは、量子物質の相を判別するために必要な計算の量を数学的に解析したところ、ある限界点を超えると必要な計算量が急激に増大して解けなくなってしまうことがわかったのです。

（※具体的には、粒子同士がどれくらい影響し合うかの距離が、扱う問題の規模に応じて大きくなる場合、計算量もそれに伴って指数関数的に増えることがわかったのです。）

まるで、目的地ははっきりしているのに、どんなに性能のいい車に乗っても宇宙の果てまで永遠に到着できないような、そんな不思議な状況が起きてしまうのです。

さらにこのような計算が難しく、観察が困難になる領域は、特別な状況だけに限られないこともわかりました。

むしろ逆で、多くの量子状態に共通して現れる可能性が示されたのです。

さらに驚くべきことに、量子力学特有の不思議な状態だけではなく、「対称性がある量子相」（粒子の並び方やルールに整ったパターンがある状態）や、「古典的な相」（通常の物理学で扱えるような、量子特有の性質がない状態）でさえも、判別が難しくなる場合があるという結果になったのです。

つまり、理論上はきちんと定義できるはずの「相」であっても、現実の観測ではそれを確認できない場合があるということです。

このような観察の限界は、純粋な量子状態（理想的な状態）だけでなく、外部からの影響や雑音を含む混合状態（より現実的な状態）でも同様に起こります。

実際、私たちが日常で扱う多くの量子系は混合状態に近いため、これは理論だけでなく実際の観測にも深く関わる重要な示唆です。

シュースター博士らは論文の中で、「たとえ物質の相が理論的に明確に定義されていても、最悪の場合には、どれほど効率の良い量子コンピューターを使っても、その相を実際に観察して認識することが不可能になることがある」と述べました。

これは衝撃的な指摘です。

言い換えれば、「物質の相は理論上存在していても、私たちはそれを観測で確かめられない状況があるかもしれない」ということです。

まるで、本棚に並ぶ本が確かに存在しているのに、どれほど努力してもその本を開くことができないような、不思議で歯がゆい状況を思わせます。

この発見が伝える本質的な意味は、観察や計算によって学べることには根本的な限界があるという点です。

どんなに優れた観測装置や量子コンピューターを使っても、人間が手がかりを得られない領域が現実に存在する可能性が示されたのです。

シュースター博士らは研究の中でさらにこう述べています。

「我々の研究結果は、進化時間（その状態ができるまでにどれくらい時間がかかったか）や物質の相、因果構造といったいくつかの基本的な物理的特性は、従来の量子実験ではおそらく知ることが難しいことを示しています。これは、物理的観察そのものの本質について、深遠な疑問を提起します。」

この研究は、宇宙のいくつかの性質には、原理的に近づけない限界があり、それが私たちの完全な理解を妨げているのかもしれない、という新たな視点を提示しています。

観察の限界は、量子世界の奥深くに、私たちの想像を超える形で潜んでいたのです。