九州大学(九大)と名古屋大学(名大)は7月22日、「実在性の破れ」に着目し、振動子と左右に空間的に波束が局在化した重ね合わせ状態の粒子のハイブリッド模型を用いた理論解析を行った結果、重力相互作用が量子力学の枠組みに従う場合に、巨視的な量子系の実在性の破れを検証するために考案された「レゲット・ガーグ不等式」が破れることを発見し、「重力の実在性の破れ」という量子力学的性質が確かめられる可能性を明らかにしたことを発表した。

同成果は、九大の松村央助教、名古屋大学の南部保貞准教授、九大の山本一博教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、米国物理学会が刊行する原子・分子・光学・量子などを扱う学術誌「Physical Review A」に掲載された。

自然界の4つの力を統一して宇宙を完全に理解するには、マクロスケールにおいて重力を扱う一般相対性理論と、ミクロの世界における量子の確率的な振る舞いなどを扱う量子力学を融合させる「量子重力理論」を完成させる必要がある。しかし、一般相対性理論と量子力学は相性が悪いため、100年近い時間が研究に費やされても、今のところ量子重力理論を完成させることはできていない。

こうした量子重力理論が完成しない理由の1つが、理論と実験が結びつきにくい点にあるという。量子力学は、「測定・観測を行うまでは状態が確定しないという実在性の破れ(非実在性)を特徴とするが、重力が量子力学に従い非実在性を示すかどうかは、まったく検証されていないとする。

そこで研究チームは今回、最近の量子情報科学技術の発展を応用し、重力が量子力学に従うかどうかを確かめるための実験方法を考案することにしたという。

また今回の研究では、重力が量子力学に従うかどうか検証する方法の1つとして、重力相互作用する量子系のレゲット・ガーグ不等式に注目。同不等式は、量子力学の持つ非実在性を確かめる方法として考案されたもので、±1という値を取る変数が実在性の性質を満たすとき、時間的相関の組み合わせに対して成り立つが、この変数が量子力学に従って非実在性を持つときには、レゲット・ガーグ不等式が成立しないとされている。つまり、レゲット・ガーグ不等式の破れが確かめられると、量子力学の非実在性を検証することになる。実際、この方法を用いて、これまでもさまざまな巨視的量子系の非実在性が実証されてきている。

具体的な解析を行うため、先行研究にて採用された重力が作る量子もつれを検証するための理論模型に着目。振動子と左右に空間的に波束が局在した重ね合わせ状態の粒子からなる系で、ハイブリッド量子系と呼ばれている模型である。