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量子コンピューターを理解するための量子力学入門
第4回 量子コンピューターはパラレルワールドを使っている？──多世界解釈と観測問題

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2022.09.01
テキスト 松下 安武
科学ライター・編集者。大学では応用物理学を専攻。20年以上にわたり、科学全般について取材してきた。特に興味のある分野は物理学、宇宙、生命の起源、意識など。

ここまでの連載で、量子コンピューターの仕組みを理解するには、重ね合わせ状態についての理解が不可欠であり、重ね合わせ状態こそが量子力学の核心となる部分であることを述べてきた。しかし、「１つの電子が２つの場所に同時に存在できる（２つの状態を同時に取れる）」といった量子力学独特の考え方にまだ納得できないという方も多いだろう。それも無理のないことだ。事実、かのアインシュタイン、シュレーディンガーといった20世紀を代表する物理学者たちですら、量子力学の標準的な解釈には納得できなかったのである。

そこで今回は、量子力学についての有名な思考実験である「シュレーディンガーの猫」や、その派生型である「ウィグナーの友人」などを題材に、量子力学の複数の解釈を紹介していく。その中の１つ、「多世界解釈」は、量子コンピューターの生みの親、デイヴィッド・ドイッチュが支持していることでも知られている。多世界解釈は、SFでおなじみの「パラレルワールド（並行世界）」の存在を仮定する解釈だ。パラレルワールドが存在するとは、いったいどういうことなのだろうか？

目次

古典物理の決定論からの脱却

量子力学が示す確率的な未来予測

量子力学を基礎としていない物理学は、一般に「古典物理学（classical physics）」と呼ばれる。古典物理学と量子力学の最大の違いは、古典物理学が基本的に「決定論」であるのに対し、量子力学はそうではない、ということだ。決定論とは、仮に現在のあらゆる物体の状態を正確に知ることができれば、未来は正確に予測可能だとする考えのことである。つまり「未来は決定している」という考え方だ。

例えば、サイコロを振ることを考えよう。どの目が出るかは基本的には予測不能だが、それは私たちがサイコロの状態を完全には知らないからである。サイコロの大きさ、重さ（質量）、投げ出される角度や速度、空気抵抗の大きさ、サイコロが落ちた台から受ける力など、すべての情報が正確に分かっていれば、どの目が出るかは、力学の法則に基づいて原理的に予測可能なのだ。

一方、量子力学によると、例えば、電子が「領域Aに存在する状態」と「領域Bに存在する状態」、「領域Cに存在する状態」が重ね合わさっていた場合、電子は領域Aで発見される確率が50％、領域Bで発見される可能性が30％、領域Cで発見される可能性が20％といったように、どこで発見されるかは確率的にしか予測できない。これは私たちがもっている電子についての情報が不足しているからではない。電子について知りうるすべての情報を知っていたとしても、原理的に予測不能なのだ。このような量子力学の標準的な解釈は「コペンハーゲン解釈」1と呼ばれる。

複数の状態が重ね合わせ状態になっていた場合、観測を行うと、その中の１つの状態だけが観測される（例えば、領域Bで発見される）。そして観測前にあったその他の状態（例えば、領域Aに存在する状態と、領域Cに存在する状態）は消えさってしまう。これを「状態の収縮」と呼ぶ。状態の収縮は、前回紹介した「波の収縮」と同じ意味で、より一般的な呼び方だと言える。

アインシュタインやシュレーディンガーの反発

このような解釈に反発したのが、量子力学の創始者でもあるアルバート・アインシュタイン（1879〜1955）とエルヴィン・シュレーディンガー（1887〜1961）である。

コペンハーゲン解釈では、「ミクロな物体（電子など）の状態は、観測を行うことによって初めて決まる」と考える。アインシュタインはこの考え方に反発し、物理学者アブラハム・パイス（1918〜2000）に対し、「月は君が見ているときにしか存在しないと、本当に信じているかね？」と尋ねたという（『神は老獪にして…アインシュタインの人と学問』アブラハム・パイス著）。量子力学の考え方を推し進めれば、月のようなマクロな物体すら、見る（観測する）前には、そこに存在するとは言えなくなってしまう。そんなことはあり得ない。アインシュタインはそう考えたのだ。またアインシュタインは「神はサイコロを振らない」とも語ったという。物理法則がサイコロのように確率に支配されているということに、アインシュタインは納得しなかったのだ。

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