TED日本語 - アーロン・オコンネル: 目に見える量子物体を理解する

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TED日本語 - アーロン・オコンネル: 目に見える量子物体を理解する

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目に見える量子物体を理解する
Making sense of a visible quantum object
アーロン・オコンネル
Aaron O'Connell

内容

物理学者は素粒子が通常の物体とは全く異なり、奇抜な量子力学の法則に従って振る舞うという考えに慣れています。アーロン・オコンネルは画期的な実験によって、肉眼で確認ができ、二つの場所に同時に存在することが実証可能な物体を作り、そのような区別を曖昧にさせました。本トークではその結果に対して興味深い考察を紹介します。

Script

This is a representation of your brain, and your brain can be broken into two parts. There's the left half, which is the logical side, and then the right half, which is the intuitive. And so if we had a scale to measure the aptitude of each hemisphere, then we can plot our brain. And for example, this would be somebody who's completely logical. This would be someone who's entirely intuitive. So where would you put your brain on this scale? Some of us may have opted for one of these extremes, but I think for most people in the audience, your brain is something like this -- with a high aptitude in both hemispheres at the same time. It's not like they're mutually exclusive or anything. You can be logical and intuitive.

And so I consider myself one of these people, along with most of the other experimental quantum physicists, who need a good deal of logic to string together these complex ideas. But at the same time, we need a good deal of intuition to actually make the experiments work. How do we develop this intuition? Well we like to play with stuff. So we go out and play with it, and then we see how it acts, and then we develop our intuition from there. And really you do the same thing.

So some intuition that you may have developed over the years is that one thing is only in one place at a time. I mean, it can sound weird to think about one thing being in two different places at the same time, but you weren't born with this notion, you developed it. And I remember watching a kid playing on a car stop. He was just a toddler and he wasn't very good at it, and he kept falling over. But I bet playing with this car stop taught him a really valuable lesson, and that's that large things don't let you get right past them, and that they stay in one place.

And so this is a great conceptual model to have of the world, unless you're a particle physicist. It'd be a terrible model for a particle physicist, because they don't play with car stops, they play with these little weird particles. And when they play with their particles, they find they do all sorts of really weird things -- like they can fly right through walls, or they can be in two different places at the same time. And so they wrote down all these observations, and they called it the theory of quantum mechanics.

And so that's where physics was at a few years ago; you needed quantum mechanics to describe little, tiny particles. But you didn't need it to describe the large, everyday objects around us. This didn't really sit well with my intuition, and maybe it's just because I don't play with particles very often. Well, I play with them sometimes, but not very often. And I've never seen them. I mean, nobody's ever seen a particle. But it didn't sit well with my logical side either. Because if everything is made up of little particles and all the little particles follow quantum mechanics, then shouldn't everything just follow quantum mechanics? I don't see any reason why it shouldn't. And so I'd feel a lot better about the whole thing if we could somehow show that an everyday object also follows quantum mechanics. So a few years ago, I set off to do just that.

So I made one. This is the first object that you can see that has been in a mechanical quantum superposition. So what we're looking at here is a tiny computer chip. And you can sort of see this green dot right in the middle. And that's this piece of metal I'm going to be talking about in a minute. This is a photograph of the object. And here I'll zoom in a little bit. We're looking right there in the center. And then here's a really, really big close-up of the little piece of metal. So what we're looking at is a little chunk of metal, and it's shaped like a diving board, and it's sticking out over a ledge. And so I made this thing in nearly the same way as you make a computer chip. I went into a clean room with a fresh silicon wafer, and then I just cranked away at all the big machines for about 100 hours. For the last stuff, I had to build my own machine -- to make this swimming pool-shaped hole underneath the device. This device has the ability to be in a quantum superposition, but it needs a little help to do it.

Here, let me give you an analogy. You know how uncomfortable it is to be in a crowded elevator? I mean, when I'm in an elevator all alone, I do all sorts of weird things, but then other people get on board and I stop doing those things because I don't want to bother them, or, frankly, scare them. So quantum mechanics says that inanimate objects feel the same way. The fellow passengers for inanimate objects are not just people, but it's also the light shining on it and the wind blowing past it and the heat of the room. And so we knew, if we wanted to see this piece of metal behave quantum mechanically, we're going to have to kick out all the other passengers.

And so that's what we did. We turned off the lights, and then we put it in a vacuum and sucked out all the air, and then we cooled it down to just a fraction of a degree above absolute zero. Now, all alone in the elevator, the little chunk of metal is free to act however it wanted. And so we measured its motion. We found it was moving in really weird ways. Instead of just sitting perfectly still, it was vibrating, and the way it was vibrating was breathing something like this -- like expanding and contracting bellows. And by giving it a gentle nudge, we were able to make it both vibrate and not vibrate at the same time -- something that's only allowed with quantum mechanics.

So what I'm telling you here is something truly fantastic. What does it mean for one thing to be both vibrating and not vibrating at the same time? So let's think about the atoms. So in one case: all the trillions of atoms that make up that chunk of metal are sitting still and at the same time those same atoms are moving up and down. Now it's only at precise times when they align. The rest of the time they're delocalized. That means that every atom is in two different places at the same time, which in turn means the entire chunk of metal is in two different places. I think this is really cool. (Laughter) Really.

(Applause)

It was worth locking myself in a clean room to do this for all those years because, check this out, the difference in scale between a single atom and that chunk of metal is about the same as the difference between that chunk of metal and you. So if a single atom can be in two different places at the same time, that chunk of metal can be in two different places, then why not you? I mean, this is just my logical side talking. So imagine if you're in multiple places at the same time, what would that be like? How would your consciousness handle your body being delocalized in space?

There's one more part to the story. It's when we warmed it up, and we turned on the lights and looked inside the box, we saw that the piece metal was still there in one piece. And so I had to develop this new intuition, that it seems like all the objects in the elevator are really just quantum objects just crammed into a tiny space.

You hear a lot of talk about how quantum mechanics says that everything is all interconnected. Well, that's not quite right. It's more than that; it's deeper. It's that those connections, your connections to all the things around you, literally define who you are, and that's the profound weirdness of quantum mechanics.

Thank you.

(Applause)

これは脳を表しています 脳は二つの部分に分けられます 左半分は論理を司り 右半分は 直感を担当します 左右の脳半球の能力を示す基準があれば 脳を図に表すことが可能です 例えばこの場合 完全に論理的な人を表します この場合は完全に直感的な人でしょう 皆さんの脳はどの位置でしょうか 極端なパターンの人もいるかもしれませんが 皆さんの脳は大抵 こんな風に 同時に両半球で高い能力を持っていると思います 双方相容れない訳でなく 論理的且つ直感的になれるのです

私もこの分類に入ると思っています 他の実験量子物理学者の多くもそうです 量子物理の複雑な考えをまとめる 論理性が必要である一方 実験を成功させるための かなりの直感が必要なのです どう直感を培えばよいでしょうか? まずは試してみるのです 試しにいろいろやってみて その結果を見てみます そこから直感を培っていくのです 皆さんも同じ事をしています

何年もかけて 皆さんが培ってきた直感の一つは 一つの物は 同時に二つの場所に存在しないということです 一つの物が 同時に二つの異なる場所に 存在するというのは 奇妙に感じるでしょう これは生まれもった概念ではなく 培ってきたものです 子供が車止めの上で遊んでいるのを見たことを思い出します よちよち歩きの幼児で よく落ちていました でも車止めで遊んで あの子は貴重なことを学んだと思います それは 大きい物体は自分を通り抜けることはせず 一つの場所にとどまるということです

これは世界の概念として優れたモデルです でも素粒子物理学者の観点では ひどいモデルです 彼らの対象は車止めでなく 素粒子という奇妙なものだからです 素粒子を扱ってみると それが 本当に奇妙なことをすることを知りました 壁を通り抜けたり 二つの異なる場所に同時に存在するのです このような観測内容はまとめられ 量子力学理論と名付けられました

それが数年前の頃の物理学でした 極めて小さな素粒子の説明には 量子力学が必要です でも私たちの周囲にある 普通の大きさの物体の説明には必要ありません これは私の直感に しっくりきませんでしたが 普段から 素粒子を扱わないからかもしれません たまに扱うこともありますが めったにありません それに見たこともありません そもそも素粒子を見た人は誰もいません さらに 論理的にもしっくりきませんでした もし全ての物体が素粒子で構成され 素粒子は 量子力学に従うのであれば 全ての物体も量子力学に従うのではないでしょうか? そうならない理由を見出すことができません もし 通常の物体も 量子力学に従うことを 何とか証明できれば全てが 納得できると考えました そして数年前 その取り組みに着手しました

そして一つ作ってみたのです これが機械的に 量子重ね合わせ状態になった 肉眼で見える初めての物体です 今見ているのは 小さなコンピュータチップです 真ん中に緑の点が見えます これはこの後説明する金属片です これが物体の写真になります ここを少し拡大してみます あの中心を見ています これが小さな金属片を拡大した時のものです 今見ているのは小さな金属の塊で ダイビング・ボードのような出っ張った形をしています コンピュータチップを作るのと 同じ方法でこれを作りました 新しいシリコンウェハーと共に クリーンルームの中で 100時間程 様々な巨大な機械を使い製作します 最後の工程では 装置の下の 水泳プールの形をした穴を作るために 機械を自作する必要がありました この装置は 量子重ね合わせ状態になる機能がありますが 少し手助けが必要です

ここである例えを紹介します 混んでいるエレベーターの中の不快さを想像してみてください エレベーターに私一人なら 変なことをしたりするのですが 他の乗客が入ってくると そういうことはやめます 他の人の迷惑になりたくないですし 怖がらせたくありません 量子力学的には 無生物もそう思うようです 乗客としての無生物は 人だけでなく 差し込む光だったり 吹き抜ける風や室内の熱だったりします ですから この金属片が 量子力学的に振る舞うのを見るには 乗客を全て 降ろす必要があると分かっていたので

そうしました 明かりを消して 吸引機で全ての空気を除去し 絶対零度付近の温度まで 冷やしました エレベーターに残されたこの小さな金属片は これで自由に振る舞う事が可能です そこでその挙動を測定してみると 非常に奇妙な動きをしていました 完全に静止する代わりに 振動していたのです 振動はまるで呼吸のように 肺が拡大 縮小をしているようでした そして軽く押してみると 金属片に振動と無振動を 同時に行わせることが 出来たのです それは量子力学においてのみあり得る動きです

ここでお話していることは本当に素晴らしいことです 一つの物体が 振動と無振動を同時に行うとは どういった事でしょうか? 原子について考えてみましょう 例を出します あの金属片を構成する無数の原子は 静止していますが 同時に 上下にも動いています 一列に並ぶのは一瞬だけで それ以外の時は離れています これが意味するのは 全ての原子が 同時に二つの異なる場所に存在し すなわち 金属の塊は丸ごと二つの異なる場所に 存在しているということです これは本当にスゴいことだと思います (笑) 本当ですよ

(拍手)

何年もクリーンルームに閉じこもっていた甲斐がありました と言うのも 聞いてください 一つの原子と あの金属の塊との間の縮尺の違いは あの金属の塊と皆さんとの 縮尺の違いと大体同じです つまり一つの原子が同時に二つの異なる場所に存在できるなら 金属片も二つの異なる場所に存在できます なら 皆さんにも可能では? これは私の論理的な視点の意見です 自分が複数の場所に存在していたら どうなるか想像してみてください 意識はどのようにして 空間の一ヶ所に存在しない体に対応するのでしょうか?

話にはもう一つ続きがあります 物体を暖め 明かりをつけ 箱の中を見たところ 金属片はまだそこに存在していました そこで 新しい直感を形成する必要がありました エレベーターの中の全ての物体は 実は紛れもない量子物体で 狭い空間にいるだけのようでした

量子力学上では 全ては相互に関連し合っていることをよく聞きます しかし 全く正しいとは言えません それだけの話ではなく もっと深いのです 周囲に存在する全ての物体と 皆さんとの関連性が 文字通り皆さんを定義するのです それが量子力学のとても不思議な所なのです

ありがとうございました

(拍手)

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品詞分類

  • 主語
  • 動詞
  • 助動詞
  • 準動詞
  • 関係詞等

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