ウィグナーの友達と量子測定

量子力学の世界には、現実の理解を揺るがす奇妙で魅力的な概念がある。その一つの思考実験が「ウィグナーの友達」と呼ばれるやつだ。この実験では、ある観察者が量子システムを測定し、別の観察者がその最初の観察者を見て、何を測定したかを確認する状況を探る。このシナリオの含意は、私たちが何を知ることができるか、そして時間の遅延なしに距離を超えてコミュニケーションできるかどうかについて疑問を投げかける。これがいわゆる「ノー・サイネイリング原理」と呼ばれるものだ。

#ウィグナーの友達実験

ウィグナーの友達実験では、二人の観察者がいる：ウィグナーと彼の友達、ここでは「友達」と呼ぶ。友達が量子システムの測定を行い、その後ウィグナーが友達の状態を測定する。この設定は、量子力学における測定の理解について厄介な疑問を提起する。

友達が量子システムを測定すると、彼らは結果を自分の記憶に記録する。しかし、ウィグナーが測定を行うと、友達の記憶に記録された内容が変わってしまう。これが問題になる：ウィグナーが測定した後、友達の測定の記憶は元々記録したものでないものになってしまう。記憶の変化は、友達が実際に何を観察したかについての混乱を引き起こす。

#測定の理解

量子力学では、測定が観察されているシステムの状態を変える。ウィグナーの測定が友達の結果の記録を変えるということは、ウィグナーが測定した後、友達が元々見たものを覚えていないかもしれないということだ。この状況は、「逆説」を導入し、二人の観察者が同じ出来事の異なる記録を持つことが示される。

この逆説の核心は、ウィグナーと友達が同じ測定を説明しているように見えるが、根本的に異なる方法で説明されている点にある。一方の観察者が見るものは、いつ誰が測定するかによって、他の観察者が記録するものとは一致しないことがあることを示している。

#ノー・サイネイリング原理

ノー・サイネイリング原理は、量子力学の中心的な考え方で、情報が遠く離れた観察者の間で瞬時に伝達されないことを示している。もし二人の観察者が遠く離れていた場合、一方の観察者の情報を変えても、他方の情報には影響を与えるべきではない。友達がウィグナーの測定後に自分の記憶の変化に気づくと、それは彼らの間での信号のやり取りを可能にしてしまい、ノー・サイネイリング原理に違反することになる。

例えば、友達がウィグナーの測定後に自分の記憶が変わったことを知れば、ウィグナーにそれを伝えることで、情報が光速を超えて移動することになる。これは量子理論において大きな問題で、情報伝達の限界についての理解と矛盾する。

#記憶の変化

ウィグナーが測定を行うと、友達の過去の測定に関する記憶が変わる。ウィグナーの介入の前に、友達は測定結果の特定の記憶を持っている。しかし、ウィグナーの評価後、友達の記憶はその元の情報を反映しなくなる。この不一致は、友達が認識するものとウィグナーが観察するものの間に緊張を生む。

観察者が一つのシステムを測定している単純な設定では、状況は簡潔に見える。観察者は測定し、記録し、自分の発見を保持する。しかし、複数の観察者や複雑な測定が導入されると、記録が矛盾するシナリオが生じ、誰が何を知っているのかを理解するのが難しくなる。

#意識の含意

もし友達がウィグナーの測定が自分の記憶をどう変えたのかについて少しでも意識していたら、これは信号を送ることに繋がるかもしれない。例えば、友達が自分の記憶が変わったことを知っていれば、それをウィグナーに伝えることができ、内面的な状態についての信号を送ることになる。これは、情報が光速を超えて伝達されてはならないという原理に違反することになる。

その含意は単なる理論を超える。観察者が他者の測定によって記憶の変化に気づくことができれば、通常は不可能なコミュニケーションが可能になる。この意識の変化は、友達はウィグナーの測定後に以前の測定を思い出せない必要があるという結論に繋がる。

#拡張ウィグナーの友達シナリオ

元のウィグナーの友達実験を越えて、研究者たちはより複雑なシナリオを考慮している。これらの拡張された設定では、一人の観察者が量子状態の一部を測定し、別の観察者が同じ状態の別の部分を見ている。これにより、観察者が自分の記憶の変化に気づくことができれば、信号の可能性が生じる。

これらのシナリオでは、友達の記憶とその中に保存された情報が重要になる。もし二人の観察者（友達ともう一人の人、ここではボブと呼ぶ）が測定を通じて互いの記憶に影響を与え合うことができれば、片方が瞬時に信号を送ることができる状況になる。この可能性は、私たちが測定や情報の流れを量子力学的にどう解釈するかについての重要な疑問を提起する。

#信号送信のためのプロトコル

信号の可能性を示すために、ボブがウィグナーと友達から遠く離れた状況を想像してみよう。ボブは自分のシステムの部分をどう測定するかを選択でき、その選択によって友達の記憶がウィグナーの測定後に異なるかもしれない。友達がボブの測定から記憶に明らかな変化を見分けることができれば、それをウィグナーに伝えることができる。

この設定は特に懸念される。なぜなら、ボブが自分の測定の選択を通じて、友達やウィグナーに情報を送ることができるからだ。これは、現在の量子力学の理解の下で可能でないべきことを違反する形での信号送信を可能にする。

#結論

ウィグナーの友達や拡張されたシナリオの探求は、量子力学において魅力的な研究領域を開く。観察者が測定を行う中で、記憶の変化や信号の可能性が、私たちの現実や量子システム内でのコミュニケーションの理解に複雑さを明らかにする。

量子力学の領域では、一方の観察者の知識が他方の理解に影響を与えるという考え方は、興味深い哲学的なジレンマを生む。ノー・サイネイリング原理は理論の基礎であり、測定、記憶の変化、そして観察者間の関係がどのように理解されるべきかについての慎重な考慮が必要であることを強調している。

研究が続く中で、私たちはこれらの基本原則についての新たな洞察を見つけ、自分たちの量子世界に関する理解を深めるかもしれない。