連載の第1回、第2回では、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」について理解する必要がある、ということを何度も述べてきた。重ね合わせ状態とは、例えば、「１つの電子が複数の場所に同時に存在している状態」のことである。常識的な感覚からすれば、そんなことはありえないはずで、「納得できない」と思われた方も多いことだろう。そこで今回は、重ね合わせ状態を認めないと説明できない「２重スリット実験」という有名な実験を紹介しよう。２重スリット実験を通して、重ね合わせ状態と密接な関係がある「電子の波」が何なのかについても詳しく解説していく。

目次

• 電子の波動性と重ね合わせの関係
• 電子の波とは何か？「波動関数」の直感的理解
• ミクロな粒子は”モノ”でもあり、”コト”でもある!?
• 決定的証拠「２重スリット実験」入門
• 光の２重スリットで証明された波動性
• 「世界一美しい実験」と称された電子の２重スリット実験
• スリット先で波A＋波Bが重ね合わせ状態に
• 通過スリット観測で消える干渉縞の謎
• 「波と粒子の二重性」をどう理解する？
• 電子は粒子でも波でもない“第３の何か”
• 複素数を使わないと説明できない量子現象

電子の波動性と重ね合わせの関係

電子の波とは何か？「波動関数」の直感的理解

実は連載の第１回、第２回であえて説明を省いてきた量子力学の重要な概念がある。それは「電子のようなミクロな粒子は、波のような性質をもつ」ということだ。これは「波と粒子の２重性」などと呼ばれる。

一番わかりやすい波の例は、水面の波だ。水面に葉っぱを浮かべ、そこを波が通過すると、葉っぱは上下に「振動」する¹。このことからも分かるように、水面の波とは「水の振動が広がっていく現象」だと言える。身近な波には他にも音波、地震波などがある。音波は空気の振動、地震波は地面や岩盤などの振動である²。つまり身近な波は、何らかのモノの振動が広がっていく現象（コト）だと言えるわけだ。

一方、電子の波は、何かのモノの振動が広がっていく現象ではない。電子の波とは、電子がさまざまな場所に同時に存在しているという状況を数式で表したものだと言える。以下、電子の波について説明するが、初めて聞く人には抽象的で分かりにくいかもしれない。しかし、とりあえずは「そういうものか」と考え、読み進めてもらいたい。

さて、前回までに繰り返し説明してきたが、一つの電子はさまざまな位置に同時に存在することができる。図1のx軸上に描いた多数の球は、一つの電子がさまざまな位置に存在している状態が重ね合わさっていることを表している。

ただし、それぞれの位置の状態には”濃淡”がある。電子の発見確率はそれぞれの位置で異なっているのだ。その発見確率の濃淡を数式で表し、グラフにすると、図1のような波の形になるのである。

電子の波のグラフは、x軸から離れた場所ほど、電子の発見確率が高いことを表している。つまり波の山または谷の位置で、電子の発見確率が最大（より正確には極大）になるのである。なお、発見確率と関係するのは、y座標の絶対値、つまりx軸からの距離（変位と呼ぶ）であり、谷の位置でも発見確率が最大になることに注意してほしい。x軸と波のグラフの線が交わる場所は発見確率がゼロなので、ここで電子が発見されることはない。以上のような電子の波を量子力学では「波動関数」と呼んでいる。

ミクロ粒子の「モノ／コト」二重性

本来、粒子と波は全く異なる性質をもつ存在だ。例えば、粒子は1カ所のみに存在しているが、波は空間に広がって存在している。電子は、粒子と波という相反する２つの側面をもつ奇妙な存在なのである。

電子が波の性質をもつというのは、よくよく考えると非常に不思議なことである。電子はあらゆる物体（モノ）を細かく分けていくと現れてくるものだったはずだ。常識的に考えれば、モノはモノからできているはずなので、電子もモノのはずだ。しかし波は現象、つまり“コト”だ。モノを細かく分けて行ったら、そこからコトが出てきたことになる。これが量子力学の不思議さの核心部分だと言ってもいいだろう。