特殊相対性理論は、未来と過去の概念を拡張するものとして、未来の円錐の考え方を広げます

2021年9月30日

特殊相対性理論は、未来と過去の概念を拡張するものとして、未来の円錐の考え方を広げます

https://jfsdigital.org/articles-and-essays/vol-26-no-1-september-2021/special-relativity-theory-expands-the-futures-cones-conceptualisation-of-the-futures-and-the-pasts/

エパミノンダス・クリストフィロポロス、UNESCO未来研究部門長、FORTH/PRAXI、モリホヴォ広場、546 25、テッサロニキ、ギリシャ。

 

* こちらのJFSのテキストバージョンは、読みやすさを目的としています。各記事の有効かつ公開されている内容については、PDFバージョンを参照してください。

この記事の目的は、未来研究において未来の円錐が使用される方法を拡張することが可能かどうかを調査すること、特に未来のさまざまな代替の発展や、異なる未来、異なる過去、そして現在との間の相互関係を考慮することです。

物理学において、研究者たちは大きな物体や小さな物体、それらの物体の動き、そしてそれらの物体が関与する事象に多くの注目をしています。彼らはこれらの事象の発展を計算し、複雑なシステムを研究し、時折未来に関する予測も行います。しかしながら、物理学において、そして未来研究においても、研究者たちは不確実性を受け入れ、さらにはその不確実性を積極的に取り入れています。例えば、ハイゼンベルクやシュレディンガー、そしてその他の物理学者たちは、不確実性を美しいものとして受け入れています。ハイゼンベルクの不確実性原理は、物体の正確な位置とその速度を同時に知ることは決してできないと述べています（Wiseman, 2012）。別の例として、シュレディンガーの猫の逆説によれば、箱の中の仮定の猫は、箱が開けられるまで、同時に死んでいるとも生きているとも考えられるべきだとされています（Kramer, 2013）。

同様に、未来研究において研究者たちはシステムを研究し、中期から長期の未来を調査するための多数のツールを利用しています。物理学と同じく、未来研究も不確実性を本質的に受け入れており、それはアマラの未来に関する三つの法則（Amara, 1981）によって強調されています：1) 未来はあらかじめ定められているわけではない、2) 未来は予測することはできない、3) 現在の選択によって未来の結果を影響させることができる。

この記事は、二つの学問分野を「結びつける」試みとして、アルバート・アインシュタインの特殊相対性理論とその幾何学である時空のミンコフスキー幾何学（Dray, 2012）が、未来研究で広く使われている未来の円錐の概念とどのように関連しているかに焦点を当てています。特に、未来の円錐の概念化をどのように拡張できるかに注目しています。

まず、未来の円錐の概念とその主なバージョンについて簡単に説明します。次に、この論文はミンコフスキー空間とその光の円錐について説明します。最後に、二つの概念の間の明らかな類似点や、未来研究での未来の円錐の利用方法を拡張するためのアイデアについての議論があります。

未来研究：未来の円錐

未来学者たちは、過去数年にわたり、「可能な未来」「確実な未来」そして「好ましい未来」の3つの主要なクラスについて語ってきました（図1）。この「可能性の円錐」に関する最初の公的な言及は、1990年にチャールズ・テイラーによって彼の「戦略的計画のための代替的な世界のシナリオ」(Taylor, 1990)で提案した地政学的シナリオを示すために行われました。テイラーの「可能性の円錐」の初期の発展以来、トレヴァー・ハンコック、クレメント・ベゾルト、そしてジョセフ・ヴォロスなどの未来学者によって、2003年に7つの代替的な未来を含む円錐の超拡張版を作成するなど、多くの簡略化された現代的な代替案が開発されてきました(Voros, 2017)。

図1: ヴォロス (2017) による拡張された未来の円錐 日本語訳

以下は、ヴォロスの未来の円錐の主な特徴を簡潔に説明したものです（Voros, 2017）：

• Potential/ポテンシャル(潜在性) ：現在の瞬間を超えたすべてが潜在的な未来です。この考えは、未来は決定されておらず、「開かれている」という前提からきており、必然的や「固定された」ものではありません。
• 
  
• Preposterous/前提のない(非現実的な）：我々が「ばかばかしい」と判断する未来や、「不可能」と見なされる未来、または「決して」起こらないと思われる未来。
  
  
• Possible/可能性がある ：我々が「起こるかもしれない」と考える未来。これは、我々がまだ持っていない将来の知識に基づいており、しかし、いつかはそれを得るかもしれないということに基づいています。
  
  
• Plausible/考えられる：現在の私たちの世界の理解（物理法則、社会的プロセスなど）に基づいて、私たちが「起こり得る」と考える未来。
  
  
• Probable/可能性が高い：現在のトレンドに基づいて、私たちが「起こる可能性が高い」と考える未来。
  
  
• Preferable /望ましい：私たちが「起こるべき」や「起こった方が良い」と考える未来。
  
  
• Projected/予測される：（単一の）デフォルト、いつもの通り、基準、過去を現在を通して持続させる「線形予測」の未来。
  
  
• （予想される）：誰かが「起こる」と主張する未来。

ヴォロスは、未来のいくつかの追加的な細分化を主に取り入れて、初期のフューチャーズコーンの概念を拡張することに成功しました。この未来の円錐版は、マトリョーシカ人形のセット（図2）としても想像でき、すべての異なる部分（クラス）の未来が前提のない未来の人形に含まれています。しかし、この代替の視覚化、マトリョーシカのパラダイムは、未来の視野が拡張されているにもかかわらず、未来がまだ制限的な方法で説明されていることを示しています。

図2：マトリョーシカ人形（出典：著者）

実際に、未来を研究する多くのケースにおいて、未来の円錐が非常に役立っていることを認めるべきです。それは、ニュートン物理学が単純なシステムの広範な範囲で私たちに役立つのと同じです。しかし、未来の円錐を用いて未来を想像する助けとして使用する際に、いくつかの概念的な疑問が生じるかもしれません：

• 円錐の頂点に立っている観察者は誰ですか？
  
  
• この未来の円錐は、全体的な未来を表しているのですか、それとも特定の観察者に関連する主観的な未来のみを表しているのですか？
  
  
• 円錐の外側に何かありますか？ヴォロスは伝統的な未来の円錐に「あり得ない」未来をすべて含む部分として、とんでもない未来を追加して拡張しました。では、この「境界線」の外にも何かありますか？

また、現在の未来の円錐の説明は、円錐内のさまざまな「イベント」の相互接続を説明していません：これらの「イベント」は円錐内で何らかの方法で接続されているのでしょうか、特にこれらのイベントに影響を与えることはできるのでしょうか？さらに、未来の円錐は過去の情報を提供せず（過去は未来研究で考慮される）、過去が現在の瞬間とどのように関連しているかについての情報も提供しません。最後に、過去は未来のように複数形なのでしょうか？

物理学：特殊相対性理論とミンコフスキー時空

20世紀初頭の物理学者を想像してみてください。その時代、すべては18世紀に開発されたニュートンの理論によって独占されていました。

1905年、アルベルト・アインシュタインは相対性理論を発表しました。この理論は、相対的に一定の速度で動いている場所間の動きをどのように解釈するかを説明しています（Zimmerman Jones & Robbins, 無日）。しかしながら、当時の世界の科学コミュニティ、特に主にイギリスの物理学を広く受け入れていた者たちにとって、アインシュタインの理論は実用的でなく、不合理として当初は嘲笑されました（Wills, 2016）。

アインシュタインの特殊相対性理論は、空間と時間の間に基本的な繋がりを作り出しました。それ以来、宇宙は4次元（三つの空間と一つの時間の次元）を持つと見なされるようになり、それは永遠に私たちが物理的な世界（そしてなぜ未来でないのか？）をどのように見て、経験するかを変えました。

1907年、ヘルマン・ミンコフスキーは特殊相対性理論を基盤として、空間と時間の関係を視覚化する方法を探求しました。これは特に相対論的効果についての疑問を解決するのに非常に有用でした（Norton, 2015）。以下は、特殊相対性理論に基づく人間の状態の視覚的表現で、その時空は常に光の円錐のようなミンコフスキー図によって表現される（図3）。

図3：ミンコフスキー時空の細分化：光の円錐、絶対的な未来、絶対的な過去、およびそれ以外の場所　日本語wiki

ミンコフスキーの時空は、以下の4つの主要な要素によって構成されています（Sard, 1970）。

• 特定の瞬間に発生する事象P。
  
  
• Pの絶対的な未来：ここでのすべての事象は未来に発生します。事象Pは理論的にこの光の円錐のこの部分内のすべての事象に影響を与えることができます。
  
  
• Pの絶対的な過去：ここでのすべての事象は過去に発生しました。それには、事象Pに直接的または間接的に影響を与えた事象が含まれます。
  
  
• 光の円錐外の他の場所。この領域は事象Pの影響を受けませんし、別の宇宙に属していると考えられます。
  

要するに、光の円錐は、未来の光の円錐と過去の光の円錐という2つの部分に分かれます。過去の光の円錐内の出来事のみが、光の円錐の頂点の出来事の原因となることができ、光の円錐の頂点の出来事は未来の光の円錐内の出来事に影響を及ぼすことができます（図4）。

図4：因果関係の曲線（Norton, 2015）

未来の円錐と光の円錐：私たちの未来理解の拡大

特殊相対性理論を使用して私たちの想像力を拡張し、未来の円錐の不完全さを「解消」するというアイディアに触発されて、同じアイディアを使用して機械学習を改善するための新しい論文が公開されました（Vlontzos, Rocha, Rueckert, & Kainz, 2020）。特殊相対性理論には他の学問分野が使用できる興味深いものが確かに存在するようです。

では、ミンコフスキー空間は未来研究に何を提供するのでしょうか？この記事の前のセクションで取り上げられた問題について、さらに詳しく議論することは可能ですか？

• 未来の円錐の頂点に立っている観察者は誰ですか？
  
  
• 未来の円錐は、全体的な絶対的な未来を含んでいるのですか、それとも特定の観察者に関連した主観的な未来のみを含んでいますか？
  
  
• 未来の円錐の外に何かありますか？Voros（2017）は伝統的な未来の円錐を拡張し、あり得ない未来を追加し、それらを円錐の「不可能な」未来をすべて含む部分として説明しました。では、この「境界線」の外にも何かありますか？
  
  
• 未来の円錐は因果関係のルールについて何か言及していますか？

もし、ミンコフスキーの光の円錐で説明されているような特殊相対性理論の概念が適用されるのであれば、未来の円錐はアップグレードされ、下に示すように未来（および過去）の概念化を豊かにする追加の属性を得ることができるでしょう（図5参照）。

図5: すべての円錐図（出典：著者）

絶対的な未来

円錐の先端が特定の出来事の現在の時間を表していると考えることができます。したがって、円錐が絶対的な未来のより「実際的な」表現を提供していると仮定することができます。未来の円錐はもはや観察者の主観的な想像を視覚化していません。それはむしろ、ある出来事の客観的な未来が無限の可能性に開かれているという事実を視覚化しています。

過去の多元性

未来の円錐は、過去の表現を含まないのが自然ですが、遠見の演習のいくつかの部分では過去が考慮されます。この拡張された「すべての円錐」には過去が含まれており、過去の多元性を強調しています。『絶対的な』過去の出来事は、円錐の先端の出来事に直接的または間接的に影響を与えた可能性があるものです。未来が多元的であるように、過去にも同じことが当てはまります：過去の円錐内の異なる出来事が、因果関係の曲線上で現在の出来事を引き起こし、それを作り出すことができます。

出来事の因果関係

ミンコフスキーの光の円錐は、何が何とつながっているのかを示すことで、円錐内の出来事間の因果関係を示しています。ある出来事「P」を考慮すると、未来と過去の光の円錐は、Pと関連する時空内のすべての出来事を含んでいます（図6）。過去の光の円錐には、Pに因果的に影響を及ぼすことができるすべての過去の出来事が含まれており、未来の光の円錐には、Pから因果的に影響を受けるすべての出来事が含まれています。したがって、ミンコフスキーの光の円錐は、現在の瞬間に行われる行動が未来に影響を及ぼすことを示しており、実際にアマラの第3の法則の直接的な証明を提供しています。

「すべての円錐」の「未来」の部分は、絶対的な未来を表しているだけでなく、実際には私たちが直接的または間接的に影響を及ぼすことができる未来を示しています。カオス理論のバタフライ効果を考えてみてください。これは一般的に受け入れられており、微小な出来事の過大な意義を強調するために使用されています（Vernon、2017）。

図6：すべての円錐：事象の因果関係の表現。出典：Vernon（2017）

未来の全体性

特殊相対性理論とミンコフスキー時空の可視化は、未来（または過去）を確実/可能/ありそうな領域に分けることはありません。唯一の限界（物理学の法則による）は光の速度です。したがって、ミンコフスキー時空の円錐の表面は絶対的な限界であり、円錐の表面は、光の速度で移動する場合のみに発生する未来の事象を表します。アインシュタインによれば、円錐内の何もかもが発生する可能性があります。したがって、すべての円錐は、上記のマトリョーシカ人形の例（図2）で描写されているように、未来を制限的な方法で考えるのを防ぐことができます。

円錐の外にある未来は何ですか？

未来研究において、円錐の外側に何があるのかの具体的な説明はありません。Voros (2017)は、現在の瞬間を超えたものすべてを「潜在的な未来」として述べていますが、そこに何があるのかという疑問は残ります。ミンコフスキー時空は、この問いに答えを提供できるかもしれません。上記で述べたように、時空は、事象“P”に因果的に影響されるすべての事象をカタログ化しています。一方、円錐の外側にあるものは、“P”に因果的に影響されない事象であり、これらの事象を実際に「見る」または「コミュニケートする」ことはできません。過去と未来の両方の光の円錐の外にある時空のこの残りの領域は、他の宇宙のような他の場所を表し、そこで事象が異なる方法で発生し、進化し、異なる未来を創出することができます。

エピローグ

「すべての理論」(TOE)は、宇宙のすべての既知の物理現象を説明する仮説的な枠組みです。研究者たちは、20世紀初頭の量子力学の発展とアルベルト・アインシュタインの相対性理論の登場以来、このようなモデルを探し求めてきました（Mann, 2019）。残念ながら、この記事は未来研究と物理学を組み合わせた「すべての理論」を提示する意図はありませんが、相対性理論の概念を基にして、(1)未来を想像する私たちの精神的能力を拡大するためと、(2)物理学によれば、最も小さな行動でさえ未来の事象に影響を与える可能性があることを認識して、力を与えるためのものです。

ノート

• 例えば、列車、自動車、宇宙船のようなもの。
• 電子、光子、ニュートリノなどのようなもの。
• 通常のユークリッド空間幾何学とは対照的に。
• 簡単のため、この論文に関連するミンコフスキー時空の要素のみが説明されています。

参考文献

Amara, R. (1981). 未来の領域：定義と境界を求めて。The Futurist、15, 25-29。

Dowden, B. (日付不明). 時間の補足 | インターネット哲学百科事典. 2020年11月24日に取得: https://iep.utm.edu/time-sup/

Dray, T. (2012). 特殊相対性理論の幾何学 (第1版). A K Peters/CRC Press.

Kramer, M. (2013年8月14日). シュレディンガーの猫の逆説背後の物理学. ナショナル ジオグラフィック ニュース. https://www.nationalgeographic.com/news/2013/8/130812-physics-schrodinger-erwin-google-doodle-cat-paradox-science/

Mann, A. (2019年8月29日). すべての理論とは何か? Space.Com. https://www.space.com/theory-of-everything-definition.html

Norton, J. (2015年2月9日). スペースタイム。Einstein for Everyone. https://www.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/spacetime/index.html

Sard, R. D. (1970). 相対論的力学 - 特殊相対性理論と古典粒子力学。ニューヨーク: W. A. Benjamin. ISBN 978-0805384918.

Taylor, C. W. (1990). 戦略的ビジョンの創出。戦略研究所, アメリカ陸軍戦争大学。

Vernon, J. L. (2017). バタフライ効果を理解する | American Scientist. American Scientist, 105(3), 130.

Vlontzos, A., Rocha, H. B., Rueckert, D., & Kainz, B. (2020). ミンコフスキー時空における因果的未来予測. ArXiv:2008.09154 [Cs]. http://arxiv.org/abs/2008.09154

Voros, J. (2017, February 24). 未来の円錐、その使用と歴史. The Voroscope. https://thevoroscope.com/2017/02/24/the-futures-cone-use-and-history/

Wills, M. (2016, August 19). なぜアインシュタインを信じなかったのか. JSTOR Daily. https://daily.jstor.org/why-no-one-believed-einstein/

Wiseman, H. (2012, June 13). 説明: ハイゼンベルクの不確定性原理. The Conversation. http://theconversation.com/explainer-heisenbergs-uncertainty-principle-7512

Zimmerman Jones, A., & Robbins, D. (n.d.). アインシュタインの特殊相対性理論. Dummies. 2020年11月23日取得, https://www.dummies.com/education/science/physics/einsteins-special-relativity/

翻訳：GPT4

Googleの量子コンピュータで作られた異世界の「タイムクリスタル」は、物理学を永遠に変えるかもしれない。

2021年9月14日

Googleの量子コンピューター内で作られた、この世のものとは思えない「タイムクリスタル」が物理学を永遠に変える可能性がある

https://www.livescience.com/google-invents-time-crystal

この結晶は、エネルギーを失うことなく、永遠に状態を繰り返すことができます。

グーグルのSycamoreチップの中で作られたタイムクリスタルは、量子クライオスタットの中で冷やされている。(画像提供：Eric Lucero/Google, Inc.)

グーグルと共同で研究を行っている研究者たちが、この巨大企業の量子コンピュータを使って、物質のまったく新しい段階であるタイムクリスタルを作り出したかもしれない。

エネルギーを失うことなく2つの状態の間を永遠に循環する能力を持つタイムクリスタルは、物理学の最も重要な法則の1つである熱力学の第2法則をかわしている。この奇妙なタイムクリスタルは、常に流動的な状態にあるにもかかわらず、ランダム性への溶解に抵抗し、安定した状態を保っている。

プレプリントデータベース「arXiv」に7月28日に投稿された研究論文によると、科学者たちは、グーグルの量子プロセッサー「Sycamore」のコアに内蔵された量子ビット（従来のコンピューターのビットの量子コンピューティング版）を使って、およそ100秒間のタイムクリスタルを作り出すことができたという。

関連記事：12の驚くべき量子物理学実験 

この奇妙な新しい物質相の存在と、それが明らかにする全く新しい物理的振る舞いの領域は、物理学者にとって信じられないほどエキサイティングなものです。特に、タイムクリスタルの存在が最初に予測されたのはわずか9年前のことだからです。

「これは大きな驚きでした」と、今回の研究には関与していないイギリスのバーミンガム大学の物理学者カート・フォン・キーザーリンクは、Live Scienceに語りました。「30年前、20年前、あるいは10年前でさえ、誰かに尋ねたら、彼らはこれを予想しなかったでしょう。」

タイムクリスタルが物理学者にとって魅力的なのは、それらが本質的に物理学の中で最も確固たる法則の1つである熱力学の第二法則を回避しているからです。それは、エントロピー（システムの乱雑さの大まかな類似物）が常に増加するというものです。何かをより秩序だったものにしたければ、より多くのエネルギーを注ぎ込む必要があります。

無秩序への傾きは、様々な現象を説明します。 例えば、材料を混ぜるのは簡単なのに分離するのは難しいのはなぜなのか、イヤホンのコードがズボンのポケットで絡まってしまうのはなぜなのか、といった現象です。この無秩序への傾きは、時間の矢印の方向も決定します。 過去は常に現在よりも秩序が整っており、例えば、動画を逆再生すると、このエントロピーの流れが逆転しているため、奇妙に見えてしまうのです。

熱力学の第二法則によれば、すべてのシステムは、エネルギーがシステム全体に均等に分配される、より無秩序な状態に向かって進化する。(画像引用元：Universal History Archive/Universal Images Group via Getty Images)

タイムクリスタルはこの法則に従いません。タイムクリスタルは、ゆっくりと熱平衡に近づき、エネルギーや温度が周囲に均等に分布するように「熱化」するのではなく、平衡状態よりも上の2つのエネルギー状態の間にはまり込み、その間を無限に行ったり来たりする。

この行動がいかに深く異常であるかを説明するために、フォン・キーザーリンクは、100万回揺さぶる前のコインで満たされた密閉された箱を思い浮かべてほしいと言った。コインがお互いに跳ね返ると、「ますます混沌とし、あらゆる種類の構成を模索するようになります」。そして、揺れが収まり、箱を開けると、コインはおよそ半分が上向き、半分が下向きのランダムな構成になっています。最初にどのようにコインを並べたかにかかわらず、このようなランダムな半面・半面・半面の終点を見ることができるのです。

GoogleのSycamoreの「箱」の中では、コインと同じように量子プロセッサーの量子ビットを見ることができます。コインが「頭」か「尻尾」のどちらかであるのと同じように、量子ビットも「1」か「0」のどちらかであり、2つの状態のシステムでは2つの可能性があります。フォン・キーザーリンクによると、タイムクリスタルの奇妙な点は、いくら振っても、つまりある状態から別の状態に叩いても、タイムクリスタルの量子ビットを最もエネルギーの低い状態、つまりランダムな構成に移すことができないことである。

「von Keyserlingk氏は、「ただ、反転しているだけです。「最終的にはランダムな状態にはならず、ただ詰まったような状態になります。最初にどのように見えたかを記憶していて、時間が経つとそのパターンを繰り返すようなものです」。

その意味で、タイムクリスタルは、揺れ続ける振り子のようなものだと思います。

「物理的に振り子を宇宙から完全に隔離して、摩擦や空気抵抗がない状態にしても、結局は止まってしまいます。それは熱力学の第2法則によるものです」と、2015年に新しい相の理論的な可能性を最初に発見した科学者の一人である、英国ラフバラ大学の物理学者アキレアス・ラザリデスはLive Science誌に語っています。「エネルギーは最初、振り子の重心に集中していますが、棒の内部には原子の振動方法など、内部の自由度がすべてあり、最終的にはそこに移動します」。

実際、大規模な物体がタイムクリスタルのように振る舞うことは、馬鹿げていると言わざるを得ません。なぜならば、タイムクリスタルが存在するための唯一のルールは、非常に小さな世界を支配する不気味で超現実的なルール、すなわち量子力学だからです。

量子力学の世界では、物体は点状の粒子であると同時に小さな波のように振る舞い、空間の任意の領域における波の大きさは、その場所で粒子が見つかる確率を表しています。しかし、ランダム性（結晶構造のランダムな欠陥や量子ビット間の相互作用強度のプログラムされたランダム性など）によって、粒子の確率波はごく小さな領域を除いてどこでも相殺されてしまいます。粒子はその場に根を下ろし、移動も状態の変化も周囲との熱交換もできず、局在化してしまう。

研究者たちは、この局在化プロセスを実験の基礎として用いました。実験では、量子ビットに20本の超伝導アルミニウムを用い、それぞれの量子ビットを2つの可能な状態のいずれかにプログラムした。研究者たちは、この実験を何万回も繰り返し、さまざまな地点で停止して量子ビットの状態を記録した。実験を何万回も繰り返し、いろいろなところで止めては量子ビットの状態を記録した。その結果、量子ビットの集まりは、たった2つの構成の間を行ったり来たりしていること、そしてマイクロ波の熱を吸収していないことがわかった。

さらに、このタイムクリスタルが物質の相であることを示す重要な手がかりも得られた。相と呼ばれるためには、通常、揺らぎに対して非常に安定していなければならない。固体は周囲の温度が多少変化しても溶けないし、液体も多少の変動で急に蒸発したり凍ったりすることはない。同じように、量子ビットの状態を反転させるためのマイクロ波ビームを、完全な反転に必要な正確な180度に近いがわずかにずれているように調整しても、量子ビットはもう一方の状態に反転してしまう。

ラザリデスは、「正確な180度でなければスクランブルがかかるというわけではありません」と述べている。「僅かなミスを犯しても、魔法のように（タイムクリスタルは）常に少しだけ内側に傾くのです」。

相転移のもう一つの特徴は、物理的な対称性の破れです。これは、物理法則が時間や空間のどの時点でも同じであるという考え方です。液体である水の分子は、空間のどの点でも、どの方向でも、同じ物理法則に従っている。しかし、水を十分に冷やして氷に変えると、水の分子は、結晶構造（格子）に沿って規則的な点を選んで配列するようになる。突然、水の分子は空間内の好きな場所を占めるようになり、他の場所は空っぽになります。つまり、水の空間的な対称性が自然に崩れたのです。

氷が空間的な対称性を破って空間内の結晶になるのと同じように、タイムクリスタルも時間的な対称性を破って時間内の結晶になります。タイムクリスタル相に変化する前の最初の段階では、量子ビットの列は、時間のすべての瞬間の間で連続的な対称性を経験します。しかし、マイクロ波ビームの周期的なサイクルは、量子ビットが経験する一定の条件を離散的なパケットに切り刻む（ビームによって課される対称性を離散的な時間変換対称性にする）。そして、ビームの波長の2倍の周期で前後に反転させることで、量子ビットはレーザーによって課せられた離散的な時間移動の対称性を破ることができる。このようなことができるのは、私たちが知る限り初めての物体です。

このような奇妙な現象のおかげで、タイムクリスタルは新しい物理学の宝庫となっています。また、シカモアでは他の実験装置よりも制御性が高いため、さらなる研究のための理想的なプラットフォームとなるでしょう。しかし、改良の余地がないわけではありません。他の量子システムと同様に、グーグルの量子コンピューターも、量子ビットがデコヒーレンスと呼ばれるプロセスを経て、最終的に量子局在効果が破壊され、タイムクリスタルが破壊されるのを防ぐために、環境から完全に隔離する必要がある。研究者たちは、プロセッサーをよりよく隔離し、デコヒーレンスの影響を軽減する方法を研究していますが、この効果を永久になくすことはできないでしょう」と述べています。

しかし、グーグルの実験は、タイムクリスタルを研究するための最良の方法であることは間違いないだろう。ダイヤモンド、ヘリウム3の超流動体、マグノンと呼ばれる準粒子、ボーズ-アインシュタイン凝縮など、他の方法でタイムクリスタルと思われるものを作ることに成功したプロジェクトは数多くあるが、ほとんどの場合、これらのセットアップで生成された結晶は、詳細な研究を行うにはあまりにも早く消滅してしまうのだ。

この結晶の理論的な新しさは、ある意味では諸刃の剣であり、物理学者たちは現在、この結晶の明確な応用例を見つけるのに苦労している。しかし、von Keyserlingkは、この結晶を高精度のセンサーとして使えるのではないかと提案している。他にも、この結晶を使って、より優れた記憶装置を作ったり、より高速な処理能力を持つ量子コンピューターを開発したりすることも提案されている。

しかし、別の意味で、タイムクリスタルの最大の用途は、すでにここにあるのかもしれない。それは、量子力学の限界を探ることです。

「自然界に現れるものを研究するだけでなく、実際に設計して、量子力学でできること、できないことを調べることができるのです」とラザリデスは言う。「もし自然界で何かを見つけられなくても、それが存在しないということではありません。

この記事はLive Scienceに掲載されました。


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