量子の”開かずの間”をのぞき見る

　奇妙な思考実験がある。2つの干渉計を準備し，それぞれに，電子と陽電子を入れる。両方とも波の性質を持つので，普通ならそれぞれが光と同じように干渉を起こす。だが今，2つの干渉計を途中で結合したらどうなるだろうか？

　もし電子と陽電子がここで出合ったら，両者は消滅するだろう。もし出合わなかったら，それぞれ独立に干渉を起こすだろうと思われる。しかし量子力学を用いて実際に計算してみると，そのどちらでもない現象が起こることがある。電子と陽電子は消えずに残り，しかも独立の干渉も起きないのだ。この時電子と陽電子は果たして出合ったのか，それとも出合わなかったのか？

　これは1992年，英国の物理学者ハーディーが提唱したパラドックスだ。イスラエルの物理学者アハラノフはこれを受けて，干渉計の動作を妨げずに電子と陽電子の経路を測定する「弱い測定」の具体的手法を示し，測定によって何が見えるかを予測した。その結果は，非常に突飛なものだった。電子と陽電子の両方が結合部を通る確率はゼロ，両方とも通らない確率は「マイナス１」になるというのだ。

　本稿は「特集：量子力学の実像に迫る」の第3弾。著者の井元と横田は2009年，ハーディーが提唱した実験を，電子と陽電子の代わりに光子２個を用いて実行し，アハラノフの突飛な予言を実証した。実験によれば，確率に相当する物理量は，確かに「マイナス1」を示したのだ。だが確率はその定義からして，そもそも負の値は取り得ないはずだ。「マイナス１」との測定値は，一体何を意味しているのだろうか？　その謎の背後には，量子力学における因果関係をどう捉えるべきかという，　理論の根幹にかかわる問題が潜んでいる。

　弱い想定で観測した状態を，干渉計の外に取り出すことは不可能だ。だが何の役にも立たないとは言い切れないという。将来，弱い測定を工学的に応用する可能性についても紹介する。

再録：別冊日経サイエンス186 「実在とは何か？」