量子力学は、誕生から100年を超えてなお私たちの物理観を根本から揺さぶり続ける学問です。
電子や光子といった極小の世界で起こる「もつれ」や「確率論的ふるまい」は、古典的な物理の常識をはるかに超える現象として、世界中の研究者たちを魅了してきました。
しかし、そんな量子力学にも「到達できる上限」と「超えられない境界」があるとしたらどうでしょうか。
フランスのパリ＝サクレー大学（UPSaclay）で行われた研究によって、量子力学が実現しうる統計パターンの“端”とも言えるポイントがほぼすべて洗い出され、量子力学の非常識さの限界値のようなものが明らかになったのです。
これは、一見抽象的に思える話題ですが、量子コンピュータや量子暗号といった先端技術にも深い影響を与える可能性を秘めています。
果たして「量子の限界」とはどんな姿をしているのか、そしてそれを知ることは私たちに何をもたらすのでしょうか。
研究内容の詳細は『Nature Physics』にて発表されました。
目次
量子もつれが覆せる“常識”の限界はあるのか？量子力学の非常識さの限界値を特定暴かれた量子の壁
量子もつれが覆せる“常識”の限界はあるのか？
量子力学の「非常識さの限界」がみえてきた―――最小シナリオで見えた新たな境界 / Credit:Canva
量子力学は、私たちの「常識」を大きく覆す不思議な理論です。
1930年代に
...moreアインシュタインやポドルスキー、ローゼンらが「量子力学は本当に完璧な理論なのだろうか？」と問いかけたことで、離れた粒子同士があたかも一体化したかのように振る舞う“量子もつれ”という現象が広く注目されました。
ただし、これが超光速で情報をやり取りしているわけではありませんが、実際に実験すると離れた場所の測定結果が驚くほど強い相関を示すため、多くの研究者がその原理を理解しようと奔走してきたのです。
ノーベル物理学賞「量子もつれ」をわかりやすく解説
この“不思議な相関”を検証するうえで、1960年代にジョン・ベルが提唱した「ベルの不等式」は画期的でした。
ベルの不等式が示すのは、「もし世界が古典的なルール（局所実在論）で動いているなら、これ以上の相関は得られない」という境界線です。
ところが、量子力学のもつれを上手に利用すると、この境界をあっさり飛び越えてしまうケースが実験で確認され、私たちの世界観は大きく揺さぶられました。
そのなかでも特に注目されるのが、CHSHシナリオと呼ばれるシンプルな実験設定です。
たとえば、アリスとボブという二人が、それぞれ二種類の測定方法を選んで＋か−の結果を得るだけという仕組みにもかかわらず、実際には非常に強い相関が観測されることがあります。
しかも、「どんな測定の角度や状態のもつれを使えば、いったいどの程度の相関を生み出せるのか？」という問いに対しては、未解明の部分が長らく残されてきました。
実際に量子力学で設定できる角度やもつれの度合いは連続的に無数にあり、それらをすべて調べるのは膨大な作業です。
古典的な相関がどこで終わり、量子の相関が始まるかは比較的簡単にわかるが、量子的なものがおそらく量子を超えるものにいつ移行するかを解明するのはより困難だからです。
しかし、この相関の全体像を正確に把握できれば、量子世界の非常識さの限界点を知ることが可能になるのです。
そこで、あえてCHSHシナリオに絞り込み、その最小限の条件下で「量子力学が発揮しうる相関のすべて」を解析するアプローチが注目されるようになりました。
ちょっとだけ詳しく解説
量子力学の世界には、アリスとボブが2種類ずつの測定を行い、その相関を数値化する「CHSH式」という基準があります。古典物理ならどんなに頑張っても「2」を超えられないのに、量子力学では上限が「2√2（約2.828）」にまで伸びることがわかっていて、これを「Tsirelsonの境界」と呼びます。今回の研究のポイントは、この「Tsirelsonの境界」だけに注目するのではなく、CHSHシナリオで取りうるあらゆる測定パターンやもつれ状態が生み出す“統計分布”の全体像を完全に描き出した点にあります。つまり、
– 最大値（2√2）に迫る場面だけでなく、その途中にある「部分的に違反している領域」も含めて、統計分布がどんな“形”をしているのか。
– その“形”のどこに行き着いたときに、「装置の中身をほぼ一意に確定できる」＝自己テストが成立するのか。
が一挙に見通せるようになったというわけです。言い換えれば、“これより先は行けない”という数値的な限界（CHSH値が2√2を超えられない）と、そこに至るまでのすべての相関の“地図”をまとめ上げたことが大きな成果だということです。
量子力学の非常識さの限界値を特定
量子力学の「非常識さの限界」がみえてきた―――最小シナリオで見えた新たな境界 / Credit:Canva
量子世界がどこまで“非日常的”な振る舞いを許すのか？
答えを得るため研究者たちはまず、“最小のベル実験”であるCHSHシナリオという舞台を用意しました。
これは、あたかも小さな劇場のようなもので、登場人物（アリスとボブ）を2人に絞り、測定方法を各2種類ずつに限定するという極限までシンプルなセットです。
「これで大丈夫なの？」と思うかもしれませんが、この条件だけでも量子力学特有のもつれ（奇妙なトリック）を十分発揮できる余地があるのです。
研究チームが次に行ったのは、まるで暗闇の部屋を照らすように、あらゆる測定角度やもつれの強さを網羅的にチェックするという作業でした。
角度や状態の組み合わせは一見無数に思えますが、数学的な対称性を巧みに利用することで重複を省き、すべての可能性を効率的に探索できる仕組みを整えたといいます。
そこで得られた膨大な統計データは、大きな立体図形のように一つの“かたまり”としてイメージできます。
さらに細かく見てみると、図形でいう「稜線」や「角」に当たる部分に、量子力学の非局所性が極限まで高まるポイントがあるのがわかりました。
そこでは「これ以上は決して超えられない」という“量子の壁”がそびえ立ち、まるで舞台の底から「ここが限界だよ」と宣言しているように見えるのです。
この“鋭い稜線”に当たる分布が持つもう一つの注目点は、“自己テスト”という特別な性質です。
宝の地図に描かれたXマークを見つければ確実に宝を得られるように、もし実験でこの分布が観測されれば、装置の中でどんな量子状態や測定が行われているかをほぼ一意に特定できるのです。
これが実現すれば、「自分たちの装置は確実にもつれを利用している」と強く主張できるわけです。
こうして解析を進めた結果、研究者たちはCHSHシナリオで量子力学が作り出せる統計分布をほぼ網羅し、そこにある「壁」と「自己テスト」の構造を初めて体系的に描き出しました。
どんな方法を試しても決して超えられないラインが存在し、その最先端に立ったときこそ自己テストが働くという展開は、まるで舞台脚本のクライマックスを見ているかのようです。
この発見により、量子暗号や量子コンピュータといった先端技術の分野でも「装置の中身は間違いなく本物のもつれを使っている」と胸を張って言える基盤が固まったといえます。
いわば、「量子世界の不思議はどこまで広がるのか？」という問いに対し、“ここからある意味で、これ以上先は行けない”という線と、“そこに到達したときこそわかる新たな真実”の両方がはっきり示されたのです。
暴かれた量子の壁
量子力学の「非常識さの限界」がみえてきた―――最小シナリオで見えた新たな境界 / Credit:Canva
今回の研究でわかったのは、最小シナリオに過ぎないCHSH実験のなかにも、予想以上に豊かな相関の広がりと、決して乗り越えられない“量子の壁”が厳然とあるという事実です。
さらに、その壁ぎりぎりの地点では「自己テスト」という強力な仕組みが顔を出し、観測されたデータだけで装置内の量子状態まで“見抜く”ことが可能になります。
理論面では、「量子が発揮できる最大限の非局所性」が初めて具体的に示されたうえ、そうした極限点でこそ自己テストが成り立つことまで解析的に解明されました。
これは、量子力学が取りうる相関の形をほぼ完全に把握した画期的な一歩です。
そして、あまりにも強い相関がありながら、その先には絶対に行けないラインがあり、その境界を踏むと逆に装置の構造が透けて見えるというのは、量子の二重性を改めて感じさせる興味深い発見だといえます。
実用面でも、この“壁”や“自己テスト”が...
「本当に予測できない乱数なんて作れるのか？」
アメリカのJPモルガン・チェース、テキサス大学らに行われた研究によって、量子力学の不思議な性質を活かすことで “究極の乱数”を生成することに成功しました。
乱数はセキュリティや暗号化、オンラインくじなど、あらゆる場面で用いられていますが、「本当に信頼できる乱数」を得るのは意外と難しく、既存のコンピュータが生み出す「疑似乱数」では、いずれ推測されてしまう危険性がありました。
そこで新たな研究では、量子コンピュータを使った乱数生成を徹底検証し、古典的なコンピューターでは予測不能な量子乱数の実証が目指されています。
果たして私たちは“予測不可能”を証明できるのでしょうか？
研究内容の詳細は『Nature』にて発表されました。
目次
なぜ量子は予測不能？ ‘重ね合わせ’が生む真のランダム量子力学が乱数を変える時量子乱数が支えるデジタル社会のゆくえ
なぜ量子は予測不能？ ‘重ね合わせ’が生む真のランダム
量子力学で「真の乱数」を生成か？ 量子の不確かさで予測困難な乱数の生成に成功 / Credit:Canva
私たちが日常で使う多くの乱数は、コンピュータのアルゴリズムで生み出される「疑似乱数」であり、演算のパターンが読み解かれると推測や再現が可能になってしまう恐れがあります。
暗号やオンラインくじなど「絶対に推測がされては困る」場面には、十
...more分強力とは言い切れないわけです。
一方、物理的なわずかな揺らぎや量子効果を利用したハードウェア乱数生成器も登場してきましたが、「その装置が本当に乱数を出しているのか？」を第三者が厳密に確認するのは容易ではありません。
そこで改めて注目されているのが、量子力学の現象そのものを使った「量子乱数生成」です。
量子力学の特徴として、「測定をするまでは結果が確定していない」という性質が挙げられます。
量子ビット（量子の情報単位）は「重ね合わせ状態」と呼ばれ、たとえばコイントスで言うなら、表と裏が“両方同時に存在している”かのようなイメージです。
測定する瞬間に初めて「表か裏か」が決定され、それまでは確率でしか語れないため、誰も結果を先取りできません。
これこそが量子の“本質的なランダム性”の源です。
また、量子ビットは観測や操作によって簡単に状態が変化してしまうため、「装置の内部で密かに仕掛けを仕込んで予測可能にする」ことも容易ではありません。
もし不正を試みれば量子ビットの状態が壊れ、その痕跡が分かってしまうのです。
こうした“自然が決めるくじ引き”のような仕組みが、量子乱数生成の強力な基盤となっています。
特に量子コンピュータを使えば、古典コンピュータではまねしづらい“本質的なランダム性”を生み出せると期待されています。
とはいえ、「量子力学を使って生み出された乱数」であっても、外部から「それが本当に予測不能かどうか」を十分に証明できないと、不安が残ることも事実です。
そこで研究チームは、「大量のランダム回路を作り、超大型スーパーコンピュータを使った検証手法によって、量子由来の乱数であることを証明する」という壮大な実験に挑戦しました。
量子力学が乱数を変える時
量子力学で「真の乱数」を生成か？ 量子の不確かさで予測困難な乱数の生成に成功 / Credit:Canva
量子コンピュータで生み出される乱数は、本当に“誰にも予測できない”ものなのでしょうか。
答えを得るため、研究者たちはまず、一組のカードを何度もシャッフルするかのように大量のランダム回路を用意しました。
これが「量子ビットに複雑な指示を与えるレシピ」であり、あらゆる手順を不規則に組み合わせることで、古典的には再現しがたい動きを狙います。
次に、そうして作られたランダム回路を「イオントラップ型」の量子コンピュータに渡して実行します。
これは、たとえるなら「見たこともない多面体のサイコロを振って、出目を測定する」ようなものです。
一回の測定で得られるビット列が本当に予測不能かどうかは、あとからチェックする必要があります。
そこで登場するのが、世界最速クラスのスーパーコンピュータです。
研究チームはこのスーパーコンピュータを“名探偵”に見立て、量子コンピュータから返ってきたビット列が「古典計算でごまかされていないか？」を確かめました。
具体的には、ビット列が理想的な量子回路の出力分布とどれだけ一致しているかを示す「XEBスコア」を算出し、そのスコアを高水準で得るには、とてつもない古典計算力が必要になることを示したのです。
XEBスコア（クロスエントロピー・ベンチマーキング）は、量子コンピュータが理想的に動作した場合の確率分布と、実際に測定されたビット列との“似かた”を数値化する指標です。
もし楽譜（理想の分布）どおりに演奏（測定結果）が行われていればスコアは高く、一方で“演奏”がズレていればスコアは低くなります。
高いスコアを得るには、量子計算が正確に動作しなければならず、古典コンピュータで偽装しようとすると計算コストが膨大に膨れ上がって時間切れになる、という仕組みです。
こうして量子コンピュータとスーパーコンピュータがタッグを組むことで、数万単位のランダム回路から合計7万ビット以上の測定結果が得られ、それらのXEBスコアは高水準を示しました。
これはつまり、測定されたビット列が理想的な量子回路の分布とよく合っている（＝古典的に偽装しづらい）ことを意味し、量子プロセッサが真に“予測不可能”な挙動をしている証拠になるわけです。
さらに、小さな種（シード）から大量の回路を生成できる仕組みも活かされ、最小限の入力から莫大な乱数を生産する道を示したといえます。
なぜこれが革新的なのか？
最大のポイントは、「量子が生み出す完璧に予測不能な乱数」を、スーパーコンピュータ級の“名探偵”によってしっかり検証したことにあります。
乱数の本当の安全性や予測不能性は、口で言うほど単純に確かめられません。
しかし今回の成果によって、世界最高峰の計算リソースさえ時間内に対応が難しいほどの“複雑性”があると示されたのです。
これは将来的に、暗号やオンラインくじ、電子投票など「絶対にごまかしがあってはならない場面」で、安全かつ信用できる乱数をどう手に入れるかという問題に、量子こそが決定打になる可能性を浮き彫りにしました。
量子乱数が支えるデジタル社会のゆくえ
量子力学で「真の乱数」を生成か？ 量子の不確かさで予測困難な乱数の生成に成功 / Credit:Canva
量子コンピュータが生み出すビット列は、本当に“量子的な乱数”なのか、そしてそれをリモート越しにどう証明するのか。
今回の研究の成果は、遠隔地にある量子コンピュータで大量に生成されたビット列を、超大型のスーパーコンピュータで厳密に検証し、「古典計算では再現が極めて難しい量子現象による乱数」であると高い精度で仕分ける仕組みを示した点にあります。
「量子を使えば予測できない乱数が作れる」とは以前から言われてきましたが、実際に第三者がどこまで厳しくチェックし得るのかという課題は残っていました。
今回の研究では、「量子コンピュータが短時間で大量のビット列を吐き出す能力」と「ランダム回路サンプリング(RCS)＋XEBスコアによる検証」を組み合わせることで、古典計算での偽装がほぼ不可能な乱数が本当に得られていると実証しています。
この成果の応用範囲は広大です。
暗号、オンライン抽選、電子投票など、誰もがアクセスでき、誰にもごまかされない乱数が求められる場面での利用が期待されます。
量子ゲートの精度や実行速度を数値化する指標（XEBスコア）のおかげで、量子コンピュータがどの程度理想通りに動いているかを定量的に把握できるのもメリットです。
さらにビット数が増えたりエラー訂正技術が進めば、より大規模な乱数生成や、他の量子アルゴリズムへ展開が進む可能性があります。
また、この研究は「量子コンピュータが古典コンピュータをどこまで上回れるのか？」という根源的な問いにも新たな視点を与えます。
世界最速クラスのスーパーコンピュータを動員しても、わずかな時間で量子の結果をそっくり再現・偽造するのは難しいと示された一方で、古典シミュレーションも進歩が早いため、将来的により強力なアルゴリズムが登場すれば、新たな議論が巻き起こるかもしれません。
さらに遠隔操作という面でも大きな前進がありました。
「本当に量子計算しているの？」という不安は、離れた場所の装置を使う際に必ずつきまとうものです。
しかし今回の研究は、大規模検証システムを組み...
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令和７年３月２８日
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