極小の量子が極大の宇宙を支配する？量子力学×量子コンピューターで迫るブラックホールの謎

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量子力学と宇宙の不思議な関係。量子コンピューターが解き明かす「宇宙の始まり」とは？

夜空を見上げるとき、私たちは果てしなく広がる「極大」の世界を見ています。しかし今、最先端の天文学や物理学が注目しているのは、目に見えないほど小さな「極小」の世界、すなわち「量子（りょうし）」です。

「宇宙の話をしているのに、なぜ目に見えない小さな粒の話になるの？」と思うかもしれません。

実は、ブラックホールの謎や、宇宙がどのようにして始まったのかという最大のミステリーを解き明かす鍵は、この「量子力学」に隠されているのです。そして、その複雑なパズルを解くための最強のツールとして期待されているのが「量子コンピューター」です。

この記事では、SPACEDOOR編集部が、一見難しそうな量子力学と宇宙の繋がりを、数式を一切使わずに分かりやすく解説します。読み終える頃には、あなたの宇宙を見る目が180度変わっているはずです。

そもそも「量子力学」とは？宇宙とどう関係しているの？

日常の常識が完全に崩れる「極小の世界」のルール

量子力学とは、原子や電子といった「これ以上分けられないほど小さな物質（量子）」の世界のルールを説明する物理学です。

この世界がどれほど私たちの常識とかけ離れているか、「2つの箱と1つのボール」というまったく同じ状況を使って、私たちの日常（マクロ）と量子の世界（ミクロ）を比較してみましょう。

私たちの日常（マクロの世界） 目の前に「箱A」と「箱B」があり、誰かがそのどちらかにボールを隠したとします。あなたが箱を開けて確認する前であっても、ボールは「箱Aか箱Bのどちらか一方」に確実に存在しています。単にあなたが「まだどちらに入っているかを知らないだけ」です。
量子の世界（ミクロの世界） しかし、もしボールが目に見えない極小の「量子」だった場合、常識を覆す現象が起きます。あなたが箱を開けて中身を見るまで、そのボールは「箱Aに入っている状態」と「箱Bに入っている状態」が同時に重なり合って存在しているのです。「どちらか」ではなく、1つのボールが「両方の箱に同時に存在している」のが量子の世界の当たり前です。

箱を開けて「見た（観測した）瞬間」に初めて、どちらかの箱にボールの存在がパッと確定します。まるで手品やSF映画のような話ですが、これが数々の実験で証明されている「極小の世界」の現実なのです。

私たちの世界とは全く違った現象がおこっているため、ちょっとイメージしにくいですよね？もう少し違った角度からも解説します。

量子力学の正体。「波」であり「粒」でもある不思議な性質

量子の世界がマクロな日常と大きく異なる最大の理由は、量子が「粒（つぶ）」と「波（なみ）」の2つの性質を同時に持っているという点にあります。これを物理学の用語で「波と粒子の二重性」と呼びます。

この不思議な性質を理解するために、身近な例えと、有名な実験のイメージを使って解説しましょう。

【視点1】「回転しているコイン」の例え（観測と重なり合い）

箱のボールの例を、もっと日常的なイメージに置き換えてみましょう。机の上で「コインを指で弾いて、勢いよく回転させている状態」を想像してください。

回転中のコイン： 表でもあり、裏でもある状態が「重なり合って」います。回転している間は、どちらか一方に決まっていません。これが量子の「波（空間に広がっている）」としての性質です。
手で押さえつけた瞬間： パシッと手で押さえて回転を止めた（観測した）瞬間、初めて「表」か「裏」かが確定します。この瞬間、波としての広がりは消え、一つの確固たる「粒」としての性質に変わります。

量子の世界では、人間や機械が「見る（観測する）」という行為そのものが、量子の振る舞いを変えてしまうのです。

【視点2】世界一美しい実験「二重スリット実験」

量子力学を語る上で欠かせないのが、「二重スリット実験」という有名な実験です。これも直感的なイメージで捉えてみましょう。

壁に「2つの細い縦長の隙間（スリット）」が開いているとします。

ペンキのボール（粒）を投げる場合： 壁の向こう側には、隙間を通り抜けたペンキによって「2本の線」ができます。これは私たちの日常の常識です。
水（波）を流し込む場合： 2つの隙間を通り抜けた波同士がぶつかり合い、強め合ったり打ち消し合ったりして、壁の向こう側には「何本もの縞模様（干渉縞）」ができます。

では、極小の「量子（電子など）」を1粒ずつ、この隙間に向かって発射したらどうなるでしょうか？ 1粒のボールなのだから「2本の線」ができるはず、と誰もが思います。しかし結果は、波と同じ「何本もの縞模様」ができるのです。

これは、1粒の量子が「波」のように広がって2つの隙間を同時に通り抜け、自分自身とぶつかり合って縞模様を作ったとしか説明がつきません。まさに、量子が「波」と「粒」の両方の性質を併せ持っている決定的な証拠です。

実はあなたのスマホも「量子力学」で動いている

「そんな不思議な話、本当に現実なの？」と思うかもしれません。しかし、これは単なる空想の理論ではありません。

私たちが毎日使っているスマートフォンの半導体、パソコンのメモリ、病院のMRI、バーコードを読み取るレーザーなど、現代のあらゆる最先端テクノロジーは、この「量子が波と粒の性質を持つ」という計算（量子力学）をベースにして作られています。

量子の不可思議なルールは、すでに私たちの生活を根底から支えているのです。そして今、このルールの究極の応用として、宇宙の謎を解き明かす「量子コンピューター」の完成が急がれています。

「極小」の量子が「極大」の宇宙を形作った

では、なぜこの奇妙な小さな世界の話が、広大な宇宙と関係するのでしょうか。それは、「今の広大な宇宙も、138億年前の誕生の瞬間は、目に見えないほど極小の点だったから」です。

宇宙の始まり（ビッグバン）や、重力が極限まで強くなった「ブラックホールの中心」では、巨大な質量を持つ物質がギュッと極小サイズにまで圧縮されています。つまり、宇宙の根本的な謎を解くためには、「星の動き」を計算するアインシュタインの相対性理論だけでなく、この奇妙な「極小の世界」のルールである量子力学が絶対に欠かせないのです。

アインシュタインも悩んだ「量子もつれ」が宇宙を繋いでいる？

量子力学の中でも、特に宇宙の謎を解く鍵として注目されているのが「量子もつれ（Quantum Entanglement）」という現象です。

光の速さを超える不思議なつながり

「量子もつれ」とは、2つの粒子が特別なペアになり、どんなに遠く離れていても、「片方の状態が決まると、一瞬でもう片方の状態も決まる」という現象です。

例え話： 地球と、何光年も離れたアンドロメダ銀河に、それぞれペアになった「魔法のコイン」を置いたとします。地球のコインを回して「表」が出た瞬間、距離に関係なく、アンドロメダ銀河のコインは瞬時に「裏」になるのです。

アインシュタインはこの現象を「不気味な遠隔作用（Spooky action at a distance）」と呼び、懐疑的でした。しかし、現在では実験でその存在が証明されており、2022年のノーベル物理学賞の研究テーマにもなりました。

「空間」そのものが量子もつれから生まれている？

最新の理論物理学では、驚くべき仮説が提唱されています。それは「私たちがいるこの宇宙の『空間』そのものが、無数の量子もつれによって編み出されたネットワークのようなものではないか」という考え方です。

もしこれが正しければ、量子力学は単なる小さな世界のルールではなく、宇宙という舞台そのものを作り出している土台だということになります。

量子コンピューターが切り拓く「新しい宇宙論」

ここまで読んで、「なんだか難しくて計算が大変そう…」と感じたかもしれません。その通りです。量子の世界の複雑な計算は、現在世界最速のスーパーコンピューター（富岳など）を使っても、途方もない時間がかかってしまいます。

そこで登場するのが「量子コンピューター」です。

量子コンピューターはなぜ「宇宙の計算」が得意なのか？

従来のコンピューターは「0」か「1」のどちらかで計算します。しかし量子コンピューターは、量子力学の「重なり合い」の性質を利用し、「0であり、同時に1でもある」状態を使って計算します。

これにより、迷路のすべてのルートを同時に探索するように、特定の複雑な計算を一瞬で解くことができます。量子のルールで動いている宇宙をシミュレーションするには、同じ量子のルールで動く量子コンピューターが最適なのです。

量子コンピューターが解き明かす「3つの宇宙の謎」

近い将来、量子コンピューターが実用化されれば、以下のような謎が解明されると期待されています。

解明が期待される謎	量子コンピューターがもたらす変化
ブラックホールの内部	ブラックホールに吸い込まれた情報がどうなるのか、量子レベルでシミュレーション可能になる。
ダークマターの正体	宇宙の質量の大部分を占める「見えない物質」の性質を、膨大なデータから解析できる。
宇宙創世（ビッグバン）	宇宙が誕生した最初の「1秒の何兆分の一」の世界を、コンピューター上で正確に再現できる。

※現在、NASAや各国の研究機関が、量子コンピューターを用いた天体データの解析や、宇宙シミュレーションの研究を本格的にスタートさせています。