量子テレポーテーションでは転送装置は作れない

真っ当な意見 

物理学者には量子テレポーテーションを用いればマクロの物質の転送も可能だと主張する者もいるようだが、それは明らかなジョークである。

なお、ザイリンガーなど一部の物理学者は、物質転送がさも実現できそうな文章を書いていますが、私には、彼らが本気であるとは思えません(物理学者は、ジョークが好きなのです)。

質問集 - 科学と技術の諸相

典型的な勘違いの例 

量子テレポーテーションについて、カナダ在住の哲学に興味がある一般の方から質問を受けたことがある。 転送される人体は装置によってバラバラの素粒子に分解され、到着地にあった別な素粒子を使って再構成されるわけだが、そのときに現れる人間は本当に出発した人間と同じ人物なのかという問いだった。


量子情報物理学の立場から答えると、それは本当に同一人物である。 人体を含め、量子テレポーテーションされる様々な物体の本性は、多数の素粒子に記憶された量子情報そのものである。 素粒子1つ1つには個性は全くないし、誰かの体を作っていたという記憶も残らない。

Masahiro Hotta - twitter

「装置によってバラバラの素粒子に分解され」て到着地で「再構成される」なら、「そのときに現れる人間は本当に出発した人間と同じ人物なのかという問い」は「量子テレポーテーションについて」の質問ではない。 この場合、物理学(量子力学)で論じることができるのは、再構成された人体のパーツである素粒子の同一性のみであり、再構成された人間の同一性を物理学(量子力学)で論じることはできない。 物理学(量子力学)で人間の同一性を論じるなら、「装置によってバラバラの素粒子に分解」した素粒子単位の量子テレポーテーションを行うのではなく、人間一人をバラバラにすることなく丸ごと量子テレポーテーションを行う必要がある。 尚、そうしたことが可能かどうかは後ほど説明する。

量子テレポーテーションで移動するのは、飽くまで本人。 人間をマクロな量子系として、その量子状態を転送しているのだが、この量子状態の中の量子情報は、ユニタリー性から複製が禁止されている。 古典情報はコピーはできるが、量子情報はコピーできず、とても強いアイデンティティを持っている。

Masahiro Hotta - twitter

「人間をマクロな量子系として、その量子状態を転送している」と言うためには、「装置によってバラバラの素粒子に分解」した素粒子単位の量子テレポーテーションを行うのではなく、人間一人をバラバラにすることなく丸ごと量子テレポーテーションを行う必要がある。 尚、そうしたことが可能かどうかは後ほど説明する。 「装置によってバラバラの素粒子に分解され」て到着地で「再構成される」なら、パーツとなる素粒子「の量子状態を転送している」とは言えるかもしれないが、「人間をマクロな量子系として、その量子状態を転送している」とは到底言えない。

ここでの「本人」の定義は、外部の観測者がその対象にあらゆる質問や刺激を与えても、転送する前の人間と全く同じ回答や反応をするというもの。 例えば転送前に持っていた記憶は全部転送後も確認可能。

Masahiro Hotta - twitter

「外部の観測者がその対象にあらゆる質問や刺激を与えても、転送する前の人間と全く同じ回答や反応をする」「転送前に持っていた記憶は全部転送後も確認可能」は元の人間の記憶を移植したクローンでも再現可能であり、それでは本人であることを証明できない。 それは、「送るモノの設計図」を忠実に作成し、その「送るモノの設計図」に基づいて忠実に再構成した結果によるものであって、量子テレポーテーションとは全く関係がない。 例えば、Aさんが「装置によってバラバラの素粒子に分解され」たのち、その素粒子を使ってBさんの設計図に基づいて再構成すれば、Bさんに対して「外部の観測者がその対象にあらゆる質問や刺激を与えても、転送する前の人間と全く同じ回答や反応をする」「転送前に持っていた記憶は全部転送後も確認可能」が実現できるだろう。 このように、同一のパーツを使うことは同一の人間を再現することを保証しない。 そもそも、人間の同一性は、物理学(量子力学)で語れる問題ではない。

量子テレポーテーションは、テセウスの船でもスワンプマンでもどこでもドアでもありません。 送り主の測定は送るモノの設計図を作るためのものでないのです。 その証拠に測定結果には、全くそのモノの情報は含まれません。

Masahiro Hotta - twitter

「送るモノの設計図」を作成する作業と、その「送るモノの設計図」に基づいて再構成する作業を、量子テレポーテーションとは全く別の独立したプロセスとして実現しているならば、そうした過程で再現されたものは「送るモノの設計図」を元にしたコピーでしかない。 パーツの同一性と設計の同一性と完成品の同一性の関係を論じることは、正しく、「テセウスの船」である。

尚、量子テレポーテーションそのものについては「測定結果には、全くそのモノの情報は含まれません」は正しくない。 量子テレポーテーションでは、設計図の大部分はベル測定の段階で、量子もつれの相方に伝送される。 しかし、それだけでは実験は成立せず、「測定結果」を別の情報に差し替えてもダメであり、その「測定結果」は必須の情報である。 「測定結果」はわずかlog23≒1.58bitの情報量しかなく、設計図に必要な情報量より遥かに少ない。 しかし、必須の情報である以上、それは非常に重要な鍵を握る設計図の一部である。

転送するモノの情報とは全く無関係なランダムな数列が、測定結果として吐き出されます。 そのデータを受信地に送ると、モノの情報がデータに入っていないにもかかわらず、受信地の素粒子を使ってモノが復元されるのです。 だから複製(コピー)を作ることは全く不可能なのです。

Masahiro Hotta - twitter

「装置によってバラバラの素粒子に分解され」て到着地で「再構成される」なら、複製できないのはパーツである素粒子であって元の人間ではない。 「送るモノの設計図」を作成する作業と、その「送るモノの設計図」に基づいて再構成する作業を、量子テレポーテーションとは全く別の独立したプロセスとして実現しているならば、元の人間をいくらでも複製できることになる。

尚、量子テレポーテーションそのものについては「転送するモノの情報とは全く無関係なランダムな数列が、測定結果として吐き出されます」は正しくない。 わずかlog23≒1.58bitの情報だから、それだけを見ても「転送するモノの情報とは全く無関係なランダムな数列」に見えるだけに過ぎない。 ベル測定の段階で量子もつれの相方に伝送されたであろう設計図の大部分と併せて初めて意味を持つ情報なのだから、それだけを見ても意味を見出すことができないのは当たり前である。

え!スタートレックの転送機って実現可能なの?


原理的には、似たことが可能ということです。

Masahiro Hotta - twitter

「送るモノの設計図」を作成する作業と、その「送るモノの設計図」に基づいて再構成する作業は、量子テレポーテーションよりも遥かに難しく、現在の科学技術では到底実現不可能なことである。 たとえ、文系であっても、そのような装置が実現されていないことくらいは知っているだろう。 そもそも、それら作業は困難さは、不確定性原理とも関係するので、原理的に実現可能とは断言できない。 よって、「スタートレックの転送機」と「原理的には、似たことが可能」とは到底言えない。

マクロの物体を転送する具体的な方法を思い浮かべなければ、量子テレポーテーションによってマクロの物体転送が実現できると勘違いするかもしれない。 しかし、「転送される人体は装置によってバラバラの素粒子に分解され、到着地にあった別な素粒子を使って再構成される」とここまで具体的に述べておきながら、その難易度に気づかないことはあり得ない。

では、我々や様々な物体の「個性」はどこからくるのか。

それは集まった素粒子の量子的運動を記述する量子状態の差に起因している。

つまりモノのアイデンティティとは、量子状態に収納されている量子情報そのものなのである。

物理学における量子テレポーテーションでは、素粒子の集まりである物体そのものは転送できないが、そのモノの個性を完全に記述する量子状態、そして量子情報を転送している。

量子テレポーテーションは、本当はテレポーテーションではないのか。 - Quantum Universe

ここでは、「素粒子の集まりである物体」「そのモノの個性」=「モノのアイデンティティ」が「量子状態に収納されている量子情報」だとする根拠が何も示されていない。 というか、「量子状態に収納されている量子情報」が本当に「素粒子の集まりである物体」「そのモノの個性」=「モノのアイデンティティ」と言って良いのか、何ら検証されていない。 それなのに、何故か、「素粒子の集まりである物体」「そのモノの個性」=「モノのアイデンティティ」が「量子状態に収納されている量子情報」だと決めつけられている。 そして、これは明らかに常識に反する考えである。 それは、次のような例えで明らかにできる。

例えば、チョコレート・キューブを作ることを考える。 気泡などが生じることなく、均一に混ざり、焦げたり熱化学反応をおこなさいよう均一に加熱された溶解チョコレートを同じ型に流し込んで、均一に冷却できれば、区別困難なそっくりなチョコレート・キューブをいくつも作ることができる。 この過程において、「量子情報」が似た素粒子を利用したわけではないし、同じ場所に似た「量子情報」の素粒子を配置するような細工は一切していない。 それでも、区別困難なそっくりなチョコレート・キューブを作ることができる。 仮に、「量子情報」が似た素粒子を集め、「量子情報」が似た素粒子を同じ場所に配置するようにしたとしても、そっくりさに差が生じないことは明らかであろう。 もしも、「素粒子の集まりである物体」「そのモノの個性」=「モノのアイデンティティ」が「量子状態に収納されている量子情報」であるなら、この事実を説明できない。 言い換えると、「素粒子の集まりである物体」「そのモノの個性」=「モノのアイデンティティ」が「量子状態に収納されている量子情報」ではないからこそ、「量子状態に収納されている量子情報」と無関係に区別困難なそっくりなチョコレート・キューブを作ることができるのである。

どうしてそうなるのか。 それは、マクロの「素粒子の集まりである物体」では、「集まった素粒子の量子的運動を記述する量子状態」は、確率的に平均化されるため、「そのモノの個性」=「モノのアイデンティティ」には反映されないからである。 例えば、個性的な人間ばかり集めたとしよう。 そして、それを幾つかのグループに無作為に分けるとする。 グループの構成人数が少なければ、各グループ間の個性の差は顕著であろう。 しかし、グループの構成人数が多くなるにつれて、各グループ間の個性の差は小さくなっていく。 グループの構成人数が巨大になれば、各グループ間の個性の差はほぼゼロになる。 このように、ミクロレベルでいくら個性があろうとも、その個性の集合体となるマクロでは、ミクロの個性を見出すことができなくなる。 そして、マクロの物質は天文学的な数の「素粒子の集まり」なので、「集まった素粒子の量子的運動を記述する量子状態」が「そのモノの個性」=「モノのアイデンティティ」として現れないのである。 以上は常識で考えれば誰にでも分かることである。

では、何故、常識に反する考えに至ったのか。 それは、初めから結論ありきだからであろう。 「装置によってバラバラの素粒子に分解され、到着地にあった別な素粒子を使って再構成され」た「素粒子の集まりである物体」が元の物体と同一であると主張するためには、他に同一物体が存在してはまずい。 だから、その主張を成立させるためには、「装置によってバラバラの素粒子に分解され、到着地にあった別な素粒子を使って再構成され」た「素粒子の集まりである物体」だけが同一物体になる条件を用意する必要がある。 そして、「素粒子の集まりである物体」「そのモノの個性」=「モノのアイデンティティ」が「量子状態に収納されている量子情報」であるとすれば、「装置によってバラバラの素粒子に分解され、到着地にあった別な素粒子を使って再構成され」た「素粒子の集まりである物体」だけが同一物体になる。 しかし、それは導きたい結論に都合が良い定義を用意しただけに過ぎない。 そのような主張は循環論証と呼ばれる。

しかし一般の方々の中には、本当に人類が瞬間移動の術を手に入れたと勘違いされている人もいらっしゃるようだ

それに対して物理の専門家は、量子テレポーテーションでSF的な瞬間移動装置を作るのはできないことも説明してきた。

この事実を強調することはとても意義があることだと思う。

このプロトコルではある古典的な情報を相手に伝える必要があるため、情報通信の最大速度である光速を超えてテレポーテーションを起こすことはできないのだ。

量子テレポーテーションは、本当はテレポーテーションではないのか。 - Quantum Universe

「SF的な瞬間移動装置」であるか否かを論じるにあたって、「情報通信の最大速度である光速を超えてテレポーテーションを起こす」かどうかを論じる意味は全くない。 何故なら、一般人の思考からすれば、「SF的な瞬間移動装置」と言うためには、光速を超える必要が全くないからである。 一般人の言う「瞬間」とは、日常的に体験できる速度を遥かに超えていれば良いのであって、光速を超えることまでは意味しない。

例えば、アメリカのある都市から、イギリスのある都市まで、1秒で移動する装置を作ったとする。 この場合、移動速度は、1秒で地球を約7周半回ることのできる光速よりかなり遅い。 その装置を見て、光速より遅いことをもって「SF的な瞬間移動装置」ではないと言う人がいるだろうか。 いやいや、普通に考えれば、一般人にとってこの装置が「SF的な瞬間移動装置」であることは疑う余地がない。

もちろんのこと、「情報通信の最大速度である光速を超えてテレポーテーションを起こすことはできない」と説明することは科学的に意味がある。 しかし、それは「一般の方々の中には」「勘違いされている人もいらっしゃる」ことを意味しない。 辞書を引けば、「瞬間」とは、極めて短い時間を指す言葉であって、時間経過が零であることを意味しない。 だから、「瞬間移動」には光速を超える意味は含まれない。 にも関わらず、独自解釈で「瞬間移動」に光速を超える意味を付加しておいて、その可否を論じるのはマッチポンプと言う他ない。

理論的な考察 

「装置によってバラバラの素粒子に分解され」て到着地で「再構成される」技術の難易度 

原子がどんな形に組み上がっているかを調べる装置はあるが、それは物体の表面だけに限られ、物体内部を調べることはできない。 また、調べる過程で物体の組み立てに影響を与えてしまう。 原子レベルですら実現が困難なのだから、素粒子レベルでの設計図を作ることなど夢のまた夢である。 原子の組み立てを調べる装置の副作用を利用して、原子レベルでの造形を行うことは可能である。 ただし、副作用が及ぼす影響が複雑すぎるため、物体の表面の細工が限度であり、あまり複雑な物は作れない。 原子レベルですら実現が困難なのだから、素粒子レベルでの組み立てを行うなど夢のまた夢である。

そもそも、現代の技術では、もっとハードルが低い錬金術ですら実現できていない。 錬金術なら、目的の元素を作れば良いだけで、元素の中身までは問わないため、元の設計図通りに組み上げる必要はない。 だから、設計図通りに素粒子を組み上げるよりははるかに簡単なはずである。 しかし、よりハードルが低い錬金術ですら、現代の技術では実現できていない。 核反応によって元の元素が違う元素に作り替えられるが、その方法では元の元素と作る替え先の元素を自由に選ぶことはできない。 特定の元素を任意の別の元素に作る変える技術は確立されていない。 仮に、実現できたとしても、莫大なエネルギーが必要になるため、費用対効果が得られない。

以上踏まえると、「装置によってバラバラの素粒子に分解され」て到着地で「再構成される」技術が現代の技術レベルをはるかに超越していることは疑う余地がない。

物体としての同一性と量子テレポーテーションの必要性 

何をもってオリジナルとするかは定義の問題である。 ここでは、常識的に矛盾のない定義を模索する。

まず、オリジナルを破壊せずに、素粒子レベルのオリジナルの設計図を作り、その設計図通りに素粒子を組み立てるとどうなるか。 この場合は、最初から存在した方がオリジナルであり、後から組み立てた方がコピーであることは疑う余地がない。

では、次の場合はどうか。

  • オリジナルを「バラバラの素粒子に分解」した後、それを元通りに組み立てる
  • それと並行して、オリジナルの設計図通りに素粒子を組み立てる

物体の同一性には構成する素粒子の同一性が必要と考えるなら、前者がオリジナルとなる。 だとすれば、次の場合はどうか。

  • オリジナルを破壊せず、かつ、機能を維持しつつ、構成する素粒子を1つずつ順に全て別の素粒子に入れかえる
  • 入れ替えて取り出した方の素粒子をオリジナルの設計図通りに組み立てる

物体の同一性には構成する素粒子の同一性が必要と考えるなら、後者がオリジナルとなってしまう。 何と、破壊されずに機能を維持したままの方がコピーと見做されるのだ。 これに違和感を何も感じない人はいないだろう。

そもそも、物体の同一性には構成する素粒子の同一性が必要なのか。 前者のように、オリジナルを破壊せずに素粒子を全て別の素粒子に置き換えたら、それはオリジナルではないのか。 全て別の素粒子に置き換えることは容易ではないが、自由電子だけなら害のない程度の電流を長時間流せば容易に置き換えることが可能である。 この場合、天文学的な数の電子が別の電子に置き換わるが、それによって、オリジナルではなくなるのだろうか。 人体に限れば、新陳代謝で全身の細胞が約3ヶ月で全て入れ替わるとされるが、人間は何もせずとも3ヶ月経過しただけで別人になってしまうのか。 常識で考えれば、3ヶ月前に自分も今の自分も同一人物であるはずである。 よって、人体や物体を構成するパーツの同一性は、人体や物体そのものの同一性とは無関係と考えるべきであろう。

以上を踏まえると、この場合も、前者がオリジナルであると考えるのが妥当である。 それならば、これらにおいて、何をもって同一性の定義としているのか。 オリジナルとされる方には、共通して、物体としての時間的連続性が見られる。 そこで、物体としての時間的連続性を物体の同一性の定義とするなら、次の場合は両者ともコピーとなる。

  • オリジナルを「バラバラの素粒子に分解」した後、それを元通りに組み立てる
  • それと並行して、オリジナルの設計図通りに素粒子を組み立てる

よって、オリジナルを「バラバラの素粒子に分解」するなら、オリジナルを破壊したうえでコピーを作っているだけであり、それは物質転送装置とは言えない破壊後複製装置である。 それは、パーツの同一性を担保しても変わらない。 よって、このような破壊後複製装置を作るうえで量子テレポーテーションは必要ない。

ただし、次の場合は、物質転送装置と言っても差し支えなかろう。

  • オリジナルを「バラバラの素粒子に分解」した後、それを元通りに組み立てる
    • バラバラになっている期間も、原子核と原子内電子の相互作用、原子間の相互作用、分子間の相互作用は維持される
    • 結果として、人体の場合は、生命活動が維持される

もちろん、言うまでもなく、このような装置機能は夢のまた夢である。

マクロレベルの量子テレポーテーション 

原子レベルの量子テレポーテーションは既に実現されているようだ。

ワインランド博士の研究でテレポートさせたのはベリリウム原子の原子特性で、オーストリアのブラット博士のチームではカルシウム原子だった。それぞれ、原子の「量子状態」(特性の複雑な組み合わせ)を対となる原子に送った。

この移動で鍵となるのは、「エンタングルメント」(絡み合い)という現象だ。アインシュタインは、エンタングルメントを「幽霊のような遠隔作用」と嘲笑したが、その後の実験によりこの現象が実在することが示された。

量子テレポーテーションの実験は、基本的には次のようなものだ。まず、実験室内の技術を使って、粒子の対の間に、ある不可思議な関係を作り出す。そうすると、片方の粒子に起きたことが即、もう片方に影響を与えるようになる。つまり、もし片方がある特性を帯びるようになれば、対の方もただちに、それに一致する、あるいは反対の特性を帯びるようになっている。これは両者がいかに離れていようと、また明確に物理的につながっていなくても起きる現象だ。

量子テレポーテーション実験、原子を使い成功 - WIRED

この説明ではただの量子もつれであり、量子テレポーテーションではない。

NISTの科学者らは、科学雑誌「Nature」に掲載された論文で、ベリリウム原子1個の量子状態(一連のアクティブな特性)を、別のベリリウム原子に転送することに成功したと発表した。


NISTの実験では、トラップと呼ばれる、金の電子とレーザー光で満たされた閉領域に3つの原子を入れる。 レーザー光は原子を活性化させ、スピンと呼ばれる量子特性を変更するのに用いられる。 第1と第2の原子を、「もつれ」と呼ばれる特有の形で絡み合わせる。 そしてこの関係を、第1と第3の原子のもつれにコピーする。 すると第1と第3の原子のもつれは、第1と第2の原子のもつれと測定上全く同一になるので、第3の原子は第2の原子の性質を帯びる、という仕組みだ。

米科学者ら、原子の量子テレポーテーションに成功 - CNET Japan

この説明も変である。 この実験の過程でオリジナルの「第2の原子の性質」が失われたら、「第3の原子は第2の原子の性質を帯び」たとしても、オリジナルの「第2の原子の性質」が再現できないから、量子テレポーテーションに失敗している。 この実験の過程でオリジナルの「第2の原子の性質」が失われないとしたら、「第3の原子は第2の原子の性質を帯びる」と、オリジナルを残したままコピーが作れてしまい、理論に反する結果が生じてしまう。

いずれも説明内容が正しくないと思われるが、原子と原子の間の量子もつれを利用することは確かなようだ。 原子レベルの量子テレポーテーションと同様のことがマクロレベルでも不可能ではないようである。

テレポーテーションを証明する初の実験は 1997 年に、光を構成する粒子である光子を使って行われました。 さらには、原子間のテレポーテーションが実施されています。

原子や光子よりも大きな物体のテレポーテーションは困難であることが明らかにされています。 SF 番組でお馴染みのように、人間ほどの大きさの物体をテレポーテーションすることは、実質上不可能と考えられています。

その理由は、量子力学が微小世界をつかさどり、大きな物体では量子現象は観測しづらい傾向があるためです。 テレポーテーションは、アインシュタインが「spooky action at a distance(不気味な遠隔作用)」と呼んだことで有名な「エンタングルメント(もつれ)」という量子力学的現象に大きく依存します。 大きな物体については、エンタングルメントはほぼできた瞬間に消えるため、テレポーテーション等を実施するのは不可能になります。

巨視的物体の新たなテレポート方法の開発に成功 - 国立情報学研究所

この説明においても、マクロレベルの量子テレポーテーションは、マクロ物質間の量子もつれを利用することとなっている。 そして、「大きな物体については、エンタングルメントはほぼできた瞬間に消える」ため「実質上不可能」とされるが、その抜け道があるようだ。

今回、研究チームは、巨視的物体においても存在する新たな「もつれ状態」を見つけることにより、これを克服する方法を開発しました。 このもつれ状態を使って、何千以上という原子のテレポーテーションが可能であることが証明されました。

この方法は、1995 年に実験的に実現されたボース・アインシュタイン凝縮体という新たな物質状態を利用するもので、発見者は数年後にノーベル賞を受賞しました。 原子は絶対零度を超える数十億分の1度に冷却され、単一量子状態を形成します。

巨視的物体の新たなテレポート方法の開発に成功 - 国立情報学研究所

ただし、「ボース・アインシュタイン凝縮体という新たな物質状態」になる過程で元の物体の形や性質は失われ、生物なら蘇生不可能な死を迎えるだろうから、実用的な転送装置には使えない。 実用的な転送装置には使えないのだから、マクロレベルの量子テレポーテーションの出力先がオリジナルと同一かどうかを論じる意味はない。 そもそも、元の物体のコピーを丸ごと量子もつれ状態にする手間をかけてまで量子テレポーテーションを利用する意味はないだろう。 人間を転送する場合はクローンを2体用意しなければならないのであり、それが如何に馬鹿馬鹿しいかは言うまでもない。


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