ウィーン大学、原子クラスターで巨視的量子重ね合わせを実証、シュレーディンガーの猫の概念を拡張

20世紀を代表する理論物理学者エルヴィン・シュレーディンガーが1935年に提唱した「シュレーディンガーの猫」は、量子重ね合わせの概念を説明するための象徴的な思考実験として知られています。この実験は、観測されるまで箱の中の猫が「生きている状態」と「死んでいる状態」が同時に存在する重ね合わせにあることを示唆しました。現代の物理学研究は、この理論的枠組みをより大きなスケールで実現する方向へと進展しています。

ウィーン大学の研究チームは、これまでに記録された中で最も質量の大きな物体の量子重ね合わせを達成しました。この成果は、シュレーディンガーの猫の思考実験を巨視的なスケールで実証したものと評価されています。2026年1月21日に科学誌『Nature』に掲載された研究報告によると、約7,000個のナトリウム金属原子から構成され、直径約8ナノメートルに達する個々の原子クラスターが、同時に二つの異なる軌道に存在する振る舞いを示しました。

これらの原子クラスターは粒子としてではなく波として振る舞い、明確に分離した軌道の重ね合わせの中で広がり、検出可能な干渉パターンを形成しました。量子論は重ね合わせのサイズに理論的な上限を設けていませんが、日常的な物体でこの現象が見られないのは、環境との相互作用による「デコヒーレンス」が原因です。デコヒーレンスは、系が環境と相互作用する際に波動関数を収縮させ、系を確定した状態へと移行させます。

この業績の重要性は、物体の質量と量子状態の持続時間を組み合わせた指標である「巨視性（macroscopicity）」の達成度合いにあります。研究チームの発表では、この重ね合わせ状態は以前の記録と比較して10倍の大きさを示しました。先行する記録としては、2023年にスイス連邦工科大学チューリッヒ校（ETH Zurich）が達成した、16マイクログラムの振動する結晶を重ね合わせにした実験が挙げられます。ウィーン大学のシュテファン・ゲルリッヒ氏は、質量の大きな粒子は波長が短くなるため、さらなるスケールアップには量子的な予測と古典的な予測の区別が難しくなるという課題を指摘しています。

シュレーディンガーの猫の思考実験は、元来、量子力学のコペンハーゲン解釈への批判として考案されましたが、量子世界と古典世界の境界を探る上で基礎的な役割を果たし続けています。量子力学の黎明期、原子や電子といったミクロな世界の記述が確率的にならざるを得ないという事実は、ニュートン以来の決定論的な古典物理学との大きな隔たりを示しました。

ウィーン大学の研究チームは、この成果を基盤として、わずか15年前には「不可能」と見なされていた生物学的物質を実験対象に加える方向へ研究を進めることを目指しています。量子コンピュータの研究開発が進む中で、量子ビットの制御や測定におけるデコヒーレンスは精度に大きく影響します。この最新の実験は、巨視的なスケールでの量子現象の持続可能性を示し、量子情報科学や基礎物理学の探求におけるデコヒーレンス克服への重要な一歩を刻んだと言えます。