【量子】「量子性」を測定する温度計が現代物理学にもたらすインパクト [すらいむ★]

**すらいむ ★** · 2026/01/27(火) 23:48:14.31

「量子性」を測定する温度計が現代物理学にもたらすインパクト
物理学者たちは、熱力学第二法則に反しているように見える「異常な」熱の流れを利用することで、「量子もつれ」を壊さずに検出することに成功した。

　物理法則のなかでも、直感的に理解しやすいものがあるとすれば、熱力学第二法則だろう。
　「熱は自然に高温の物体から低温の物体へと流れる」という法則だ。
　ところがいま、アレクサンドレ・デ・オリヴェイラ・ジュニアは、穏やかに、しかもさりげなく、わたしがこの法則をまったく理解していなかったことを教えてくれた。

　コペンハーゲンのカフェで席をともにした際、ブラジル人の物理学者デ・オリヴェイラは、熱いコーヒーのカップと冷たいミルクのポットを例に説明してくれた。
　これらを接触させれば、確かに熱は高温の物体から低温の物体へと流れる。
　1850年にドイツの科学者ルドルフ・クラウジウスが初めて示したとおりだ。
　だがデ・オリヴェイラによれば、条件によっては、量子力学の法則が作用することで、熱の流れが逆転し、低温から高温へ流れることがあるという。

（以下略、続きはソースでご確認ください）

Wired 2026.01.27
https://wired.jp/article/a-thermometer-for-measuring-quantumness/

**名無しのひみつ** · 2026/01/28(水) 07:42:18.42

>>1の内容

研究チームの主張によれば、異常な熱の流れを応用することで、「量子性」──例えば、ある物体が複数の観測可能な量子的「重ね合わせ」状態にあることや、ふたつの物体が「量子もつれ」の状態で相互に依存していること──を、その繊細な量子現象を破壊することなく検出できるという。このような診断ツールがあれば、量子コンピューターが本当に量子リソースを用いて計算を行なっているのかどうかを確認できるだろう。

**名無しのひみつ** · 2026/01/28(水) 07:43:07.59

>>1の本文

さらに、現代物理学における野心的な目標のひとつである、重力の量子的側面を感知する手がかりになるかもしれない。そのためには──研究者たちの説明によると──量子システムをそのシステムに関する情報を蓄える第二のシステムと、大量のエネルギーを吸収できる「ヒートシンク」に繋ぐだけでよい。
この仕組みを使えば、従来許容されていた範囲を超えて、ヒートシンクに大量の熱を送ることが可能になる。ヒートシンクがどれほど熱くなったかを測定するだけで、その量子システムに重ね合わせやもつれが存在するかどうかを検出できるのだ。
こうした実用的な利点に加えて、この研究は熱力学の深い真理にも新たな光を当てている。それは、物理システムにおいて、熱やエネルギーがどのように変換され移動するかは、そのシステムについてすでに知られている、あるいは原理的に知りうる情報と密接に結びついているということだ。そして上記の場合、異常な熱流を生み出す代償として、量子システムについて蓄えられた情報が「対価」として犠牲にされるのだ。

**名無しのひみつ** · 2026/01/28(水) 07:44:54.75

>>1の本文

情報をエネルギーに変える
熱力学第二法則と情報の関係を最初に探究したのは、19世紀のスコットランドの物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルだった。マクスウェルは、ある問題に頭を悩ませていた。クラウジウスの第二法則を突き詰めていくと、熱のかたまりは宇宙全体に散逸し、やがてあらゆる温度差が消失すると考えられたからだ。その過程で、宇宙全体のエントロピー──大まかに言えば、宇宙がどれほど無秩序で特徴のない状態にあるかを示す尺度──は増え続けることになる。
マクスウェルは、この傾向が続けば、熱の流れから有用な仕事を取り出すことはいずれ不可能になり、宇宙は一様な熱運動のざわめきに満たされた不毛な平衡状態、いわゆる「熱的死」を迎えると考えた。この予測は誰にとっても憂慮すべきものだが、敬虔なキリスト教徒であったマクスウェルにとっては、とても受け入れられるものではなかった。だが1867年、マクスウェルは友人のピーター・ガスリー・テイトに宛てた手紙のなかで、第二法則に「穴を開ける」方法を見つけたと主張した。
ルドルフ・クラウジウス外部の助けなしに、ある物体から別のより高温の物体へ熱を運ぶことは不可能である」と、ルドルフ・クラウジウスは1850年に（ドイツ語で）書いている。これが、熱力学第二法則の最初の表現だった。
PHOTOGRAPH: BETTMANN/GETTY IMAGESもつ、極小の存在を想像した（この存在はのちに「悪魔」と呼ばれるようになる）。気体は内壁で仕切られた箱の中にあり、その仕切りには落とし戸が設けられている。
悪魔はこの落とし戸を意図的に開閉し、速く動く分子を一方の区画に、遅く動く分子をもう一方の区画に集めることで、それぞれ高温の気体と低温の気体をつくり出すことができる。
悪魔は分子の運動について集めた情報に基づいて落とし戸を操作し、気体のエントロピーを減少させ、その結果として、ピストンを押すなどの機械的な仕事に利用できる温度勾配を生み出すのだ。
科学者たちは、マクスウェルの悪魔が第二法則を破ることは決してできないと確信していたが、その理由を突き止めるまでに100年近くを要した。その答えは、悪魔が分子の運動について収集・蓄積する情報が、やがて有限のメモリー容量を満たしてしまう点にある。悪魔が働き続けるためには、メモリーを消去してリセットしなければならない。
物理学者ロルフ・ランダウアーは1961年、この消去操作がエネルギーを消費し、エントロピーを生み出すことを示した。その際に生じるエントロピーは、悪魔の選別によって減少するエントロピーを上回る。
ランダウアーの解析は、情報とエントロピーが等価であり、情報そのものが熱力学的リソースとして機能し、仕事へと変換できることを示唆した。そして2010年には、物理学者たちが実験によって、この情報からエネルギーへの変換が可能であることを実証した。

**名無しのひみつ** · 2026/01/28(水) 07:47:17.85

>>1の本文

量子もつれが古典的熱力学を覆す
量子もつれの状態にある物体は、互いに情報を共有している。すなわち相関しており、一方を調べることで、もう一方の性質を知ることができる。この点自体は、それほど奇妙な考え方ではない。例えば、一対の手袋の片方を見て左手用だとわかれば、もう片方が右手用だとわかるのと同じだ。
だが、もつれた量子粒子のペアには、手袋の左右を見極めるのとは異なる特徴がある。手袋の左右は、見る前からすでに決まっているが、量子力学ではそうではない。もつれたペアの各粒子がどの観測可能な性質をもつかは、測定が行なわれるまで決まっていないのだ。その段階でわかるのは、値の組み合わせがどの確率であらわれるかで、50％の確率で左-右、50％の確率で右-左といった具合だ。測定前には複数の可能性が同時に存在しているが、一方の粒子を測定した瞬間、それらはひとつの確定した結果へと収束する。この測定過程を通じて、もつれは「破壊」される。
マクスウェル
熱力学第二法則に悩まされたスコットランドの物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、全知の悪魔を用いた思考実験を考案した。そこからは、現在に至るまで新たな洞察が引き出され続けている。
気体分子がこのようにもつれている場合、マクスウェルの悪魔は、すべての分子が独立して動いている場合よりも効率よく操作できる。例えば、速く動く分子の直後に、別の速い分子が続くという相関関係がわかっていれば、それを知っている悪魔は、わざわざ観察を行なわなくても、落とし戸を開けて2番目の粒子を通せばよい。つまり、熱力学第二法則を（一時的に）出し抜くために必要な熱力学的コストが下がるのだ。
この点に着目し、ウィーン大学の量子理論家チャスラフ・ブルクナーと、当時インペリアル・カレッジ・ロンドンに在籍していたヴラトコ・ヴェドラルは、04年に、粒子間の量子もつれの存在を明らかにする「証人」として、巨視的な熱力学的測定を用いることが可能だと指摘した。特定の条件下では、量子もつれが存在すると、システムの熱容量や磁場に対する応答に、その痕跡が刻まれるはずだと主張したのだ。
同様に、ほかの物理学者たちも、システムに量子もつれがある場合には、純粋に古典的な場合よりも温かい物体からより多くの仕事、つまりエネルギーを取り出せることを、計算によって示した。
熱力学的測定を粒子間の量子もつれの存在を明らかにする「証人」として用いることを提唱した発案者のひとりであるヴラトコ・ヴェドラル。
そして08年、カリフォルニア州立大学の物理学者ホセイン・パルトビは、量子もつれには、古典的な熱力学から導かれてきた先入観を揺るがすほどの重要な意味があるということを非常に劇的なかたちで明らかにした。量子もつれが存在することによって、熱い物体から冷たい物体へと流れるはずの熱の自発的な流れが逆転し、実際に第二法則そのものを覆しうるというものだった。
この逆転は、特殊な種類の「冷却」だと、ユンガー・ハルパーンは言う。そして冷却が常にそうであるように、それは代償なしに得られるものではない（したがって、本当の意味で第二法則を破るわけではない）。古典的には、物体を冷却するには仕事が必要であり、燃料を消費して熱を「誤った」方向に送り、低温の物体をさらに冷たくし、高温の物体をさらに熱くすることで減少したエントロピーを補う必要がある。
だが量子の場合は、冷却を達成するために燃料を燃やす代わりに、「相関を燃やす」のだと、ユンガー・ハルパーンは説明する。言い換えれば、異常な熱流が進むにつれて、もつれが破壊されていく。最初は相関した性質をもっていた粒子が、相関を失い、互いに独立していくのだ。「相関をリソースとして使えば、熱を逆方向に押しやることができる」と、ユンガー・ハルパーンは指摘している。
ここで言う燃料とは、実質的には情報そのものだと考えられる。具体的には、もつれた高温物体と低温物体のあいだに存在する相互情報だ。
その2年後、インペリアル・カレッジ・ロンドンのデヴィッド・ジェニングスとテリー・ルドルフは、相互情報が存在する場合を考慮に入れて熱力学第二法則を再定式化する方法を示し、量子相関を消費することで、古典的な熱流がどの程度まで変化、あるいは逆転しうるか、その限界を計算した。
量子の悪魔は知っている
量子効果が作用すると、熱力学第二法則はもはや単純なものではなくなる。では、量子物理学が熱力学の法則による縛りを緩めることは、何かの役に立つのだろうか？それこそが、量子熱力学と呼ばれる分野が目指す目標のひとつだ。研究者のなかには、古典的なエンジンよりも高効率で動作する量子エンジンや、より速く充電できる量子バッテリーの開発を目指す者もいる。

**名無しのひみつ** · 2026/01/28(水) 07:50:05.66

>>1の本文

一方で、ポーランド科学アカデミー理論物理学センターのパトリック・リプカ＝バルトシクは、逆のアプローチを試みている。すなわち、量子物理学を探求するためのツールとして、熱力学を応用するのだ。
2024年、リプカ＝バルトシクとその共同研究者たちは、04年にブルクナーとヴェドラルが唱えた、量子もつれの証人として熱力学的性質を利用するというアイデアを実現する方法を見い出した。そのアプローチには、互いに相関した高温および低温の量子システムと、それらのあいだの熱流を仲介する第三のシステムが含まれている。
パトリック・リプカ＝バルトシクは、熱力学的測定を使って量子効果を検出する方法を探してきた。
この第三のシステムは、マクスウェルの悪魔に相当するものと考えることができるが、今回はその悪魔が「量子メモリー」を備えており、このメモリーもまた、操作対象のシステムともつれる能力をもっている。悪魔のメモリーともつれることで、高温と低温のシステムは実質的に結びつき、悪魔は一方の性質を知ることで、もう一方の性質を推測できるようになる。
この場合、量子の悪魔は一種の触媒として機能する。悪魔がいなければアクセスできない相関にアクセスすることで、熱の移動を促進するのだ。つまり、高温と低温の物体の両方ともつれている悪魔は、すべての相関を体系的に把握し、それを利用できる。そして触媒と同様に、物体間の熱交換が終わると、この第三のシステムは元の状態に戻る。こうして、このプロセスは触媒なしでは達成できない異常な熱流を増幅できるのだ。
リプカ＝バルトシクとデンマーク工科大学のヨナタン・ボーア・ブラスク、そしてデ・オリヴェイラが共著で25年に発表した論文は、こうしたアイデアを部分的に踏襲しているが、決定的な違いがある。その違いのおかげで、彼らが提唱する仕組みは量子性を測定する一種の温度計となっている。

**名無しのひみつ** · 2026/01/28(水) 07:50:27.73

>>1の本文
た量子システム──高温のものと低温のもののペア──と相互作用していた。だが最新の論文では、量子メモリーは量子システム（例えば、量子コンピューター内のもつれた量子ビット、すなわちキュービットの配列）と、その量子システムとは直接もつれていない単純なヒートシンクのあいだに配置されている。
メモリーは量子システムとヒートシンクの両方ともつれているため、今回もまた、両者のあいだの熱流を、古典的に可能な範囲を超えて触媒できる。このプロセスでは、量子システム内のもつれが余分な熱に変換され、ヒートシンクへと流れ込む。したがって、ヒートシンクに蓄えられたエネルギーを測定する──要するにその「温度」を読み取る──ことで、量子システム内に量子もつれが存在するかどうかが明らかになる。
一方で、量子システムとヒートシンク自体はもつれていないため、ヒートシンクを測定しても、量子システムの状態には影響を与えない。つまり、量子もつれは破壊されないので、測定という行為そのものが量子性を壊してしまうという、これまで科学者たちを悩ませてきた問題を回避できるのだ。「単純に［量子］システムを直接測定しようとすると、熱の移動が始まる前に量子もつれを破壊してしまうのです」とデ・オリヴェイラは語る。
物理学者アレクサンドレ・デ・オリヴェイラ・ジュニア（左）とヨナタン・ボーア・ブラスク（右）は、パトリック・リプカ＝バルトシクと協力して、量子性を破壊せずに検出する新しい方式を開発した。
現在オックスフォード大学に所属するヴェドラルは、この新しい方式には、単純で汎用性が高いという利点があると指摘する。「このような検証プロトコルは非常に重要です」。また、量子コンピューター企業が最新デバイスの性能について新たな発表をするたびに、量子ビット間のもつれが実際の計算に本当に役立っているか、もし役立っているとすれば、それをどのように把握しているのかという疑問が必ず生じる、とも付け加えた。
だが今回の発見によって、ヒートシンクのエネルギー変化がそうした量子現象を検出するため指標として機能しうると考えられる。このアイデアを実装するには、ひとつの量子ビットを、ほかの量子ビットの状態を明らかにするメモリーとして指定し、このメモリー量子ビットを、ヒートシンクとして機能する一連の粒子に結合させ、それらのエネルギーを測定すればよい（ただしヴェドラルは注意点も挙げている。システムを厳格にコントロールし、測定を汚染しうるほかの熱流源が存在しないことを確認する必要がある。また、この方法を用いても、すべての量子もつれを検出できるわけではない）。
重力に起因する量子もつれ
デ・オリヴェイラは、自分たちのアイデアを実験的に検証するためのシステムは、すでに存在していると考えている。デ・オリヴェイラたちはすでに、ブラジルのサンパウロにあるABC連邦大学のロベルト・セラの研究グループと、検証実験について議論を始めている。セラを中心とする研究チームは16年、クロロホルム分子内の炭素原子と水素原子の磁気配向、いわゆるスピンを量子ビットとして用い、それらのあいだで熱を移動させることに成功している。
デ・オリヴェイラは、このセットアップを使えば、量子的な振る舞い──この場合はコヒーレンス、すなわちふたつ以上のスピンの性質が互いに同位相で進化している状態──を利用して、原子間の熱流を変化させることができるはずだと主張する。量子ビットのコヒーレンスは量子コンピューティングに不可欠な要素であるため、異常な熱交換の検出を通じてコヒーレンスを検証できれば、さまざまな場面で役立つだろう。
さらに大きな可能性も秘められている。いくつかの研究グループが実験を計画しており、ほかの3つの基本的な力と同様に、重力もまた量子的な力なのかどうかを判定しようとしている。そうした試みには、ふたつの物体のあいだで、純粋に相互の重力によって生成された量子もつれを探すことも含まれている。
研究者たちは、物体に対して単純な熱力学的測定を行なうことで、重力に起因する量子もつれを検出できるかもしれないと考えている。それが実現すれば、重力が本当に量子化されているかどうかが明らかになるだろう。
ヴェドラルは、物理学におけるもっとも深い問題のひとつについて、次のように語っている。「これほど簡単に、しかも巨視的な方法でアプローチできるとしたら、すばらしいことだと思いませんか？」

**名無しのひみつ** · 2026/01/28(水) 11:08:44.35

>だがデ・オリヴェイラによれば、条件によっては、量子力学の法則が作用することで、熱の流れが逆転し、低温から高温へ流れることがあるという。

第二法則の主張は、熱の流れじゃなくエントロピーの増大なのに、ひでーな

>だが量子の場合は、冷却を達成するために燃料を燃やす代わりに、「相関を燃やす」のだと、ユンガー・ハルパーンは説明する。

だからエントロピーは増えるだろーが、あほらし

**名無しのひみつ** · 2026/01/28(水) 13:11:53.24

>だがデ・オリヴェイラによれば、条件によっては、量子力学の法則が作用することで、熱の流れが逆転し
熱力学第二法則とは、「熱は高温から低温へ自発的に流れ、その逆は自然に起こらない」という

**名無しのひみつ** · 2026/01/28(水) 13:49:48.26

量子もつれや相関という情報を「燃料」みたいに使って、熱の常識をねじまげたわけね
量子の「相関」という情報を隠されたリソースとして使うわけか

これが実用化したら今まで以上に魔法だな
まぁ実用化まで100年・・？

**名無しのひみつ** · 2026/01/28(水) 13:51:00.74

いや量子研究の進み方的に10年単位か・・

**名無しのひみつ** · 2026/01/28(水) 14:07:34.06

寒気の流れから考えれば、低から高へ流れている
北風がぴゅー、ぴゅー流れている
これを条件に考えると熱力学第二法則が、・・・・になる