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　量子の世界は奇妙きわまりない。

　理論上、そしてある程度は現実においても、それは粒子が同時に2ヶ所に存在することができると説く――これを「重ね合わせ」という。

　さらに2つの粒子は「もつれ」ており、正体不明のメカニズムでもって遠く離れた者同士で情報を共有することができるとも説明する。

　科学者らは細菌を使って量子のもつれを説明しようとしている。これは量子生物学の重要な一歩となるかもしれない。

・シュレーディンガーの猫という思考実験

　量子力学の奇妙さを伝える有名な事例が「シュレーディンガーの猫」だ。

　これは1935年に理論物理学者のエルヴィン・シュレーディンガーが考案した思考実験で、ある箱の中に猫が1匹いる場面を想定したものだ。
　
　箱の中には、猫のほかに、放射性物質のラジウムと放射線測定器と毒ガスの発生装置がある。ラジウムから放射線が生じれば放射線測定器が反応し、それを合図に毒ガス装置から毒ガスが発生、猫は死にいたる。

　ここで放射線が生じる確率を50パーセントだとすると、「（箱を開けて中を確認するまでは）生きている状態と死んでいる状態が同時に重なり合って存在する」という奇妙な状況が生じることになる。

　じつに奇妙な話であるが、量子のスケールでは、実験によってこの概念が繰り返し確認されてきた。


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・量子世界と非量子世界の境界はどこにあるのか？

　ところが、もっと単純で直感的にも分かりやすいマクロの世界になると、状況は一変する。

　猫はおろか、宇宙に無数にある星々や惑星ですらも、重ね合わさって存在している姿や、量子的にもつれている姿は確認されていない。

　量子論が登場して以来、科学者たちはミクロの量子世界とマクロの非量子世界の境界はどこなのだろうかと考え続けてきた。

　量子の世界はどこまで広がっているのか？ それはこの世の生物に影響を与えるほど広大なのだろうか？ と。

　過去20年で登場した量子生物学という分野では、この疑問への答えを探し求めている。生物を使った実験や理論から、量子世界の広まりを探ろうというのだ。


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・生物における量子効果を探る量子生物学

　それらの実験では、不可思議だがはっきり断言できない結果が出ている。

　たとえば、今年初め、植物の光合成には量子効果が関係しているかもしれないと発表された。

　また鳥がどのように方角を知るのか、あるいは私たちがどのように臭いを感じているのかといったことにも量子効果が関係しているかもしれないという。

　しかし、こうした結果は、ほんの部分的なものであって、それがバクテリアのようなごく小さな生き物であっても、生物全体にもつれや重ね合わせが生じていることを明らかにした研究はなかった。


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・シュレーディンガーの細菌で量子のもつれを説明

　だからこそ、イギリス・オックスフォード大学の研究チームによる、細菌と光子のもつれを観測したという研究論文は驚きであった。

　キアラ・マーレット（Chiara Marletto）らが『Journal of Physics Communications』で発表した研究は、2016年に英シェフィールド大学のデビッド・コールズ（David Coles）らが行った実験を解析したものだ。

　その実験では、光合成細菌の一種である緑色硫黄細菌を2枚の鏡の間に大量に並べた。

　鏡同士は徐々に距離が近づくように配置されており、最後は数百ナノメートル（人の髪の毛よりも細い）まで狭められていた。

　コールズはここに白い光を反射させ、細菌内にある光合成分子と鏡の空洞とを連結（相互作用）させようとした――つまりは細菌に光子の吸収・放出・再吸収を連続的に行わせようとしたのだ。

　結果、細菌6匹が光子と連結した。


緑色硫黄細菌 image credit:Green d winogradsky.wikimedia

　しかし、これを解析したマーレットらは、ただ単に空洞と連結しているだけではないと論じている。

彼女らによると、実験で確認されたエネルギーの特徴は、細菌の光合成システムが空洞内の光ともつれた場合のそれと一致するという。

　本質的には、光子が細菌の中にある光合成分子に同時に衝突しかつ外れているように見えるのだという――すなわち、もつれの特徴を示しているのだ。

　共著者のトリスタン・ファロー（Tristan Farrow）は、こうした効果が生きた生物の中で確認されたのは初めてのことだとコメントする。彼によれば、”シュレーディンガーの細菌”を実証するための鍵であるという。

　ファローによれば、この発見は、自然界において量子効果が発揮されている事例のありかも指し示している。

　緑色硫黄細菌は光の届かない深海に潜む生物である。こうした環境であるからこそ、光合成を強化するために、量子力学的な進化適応が促された可能性があるのかもしれないのだそうだ。


・まだはっきりとした結論は出せない

　ただし、この主張にはいくつもの注意点がある。

　まず一番気をつけねばならないのは、もつれの証拠とされるものは状況証拠でしかなく、細菌を出入りする光の解釈の仕方に依存しているという点だ。マーレットらは、量子効果とは関係のない古典的モデルによって実験結果を説明できる可能性についても認めている。

　もちろん光子はちっとも古典的などではなく、まさに量子のものだ。しかし、より現実的であろう半古典的モデル（細菌にニュートンの法則、光子に量子を使ったモデル）では、件の実験結果が再現できない。

　また別の注意点として、細菌と光子のエネルギーが個々にではなく、集合的に計測されたということもある。通常、もつれを実証するためには、2つの系を独立して計測しなければならない。そうでなければ量子の相関関係は本物とは認められないのだ。


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・量子生物学に光明

　こうした不確かな点はあるが、多くの専門家にとって、量子生物学が単なる理論上のものから具体的な現実になるかという疑問は、すでに「なるかどうか？」ではなく「いつか？」というものだ。

　生物系の外における分子については、個々にも集合的にも、量子効果が実験で証明されて数十年になる。ならば、それを細菌や人体の中で探し求めることは、十分理にかなっているように思える。

　人間や大きな動物においては、分子の量子効果は取るに足らないものになってしまうかもしれない。しかしもっと小さな細菌でなら、それが生きる上で量子効果が大きな役割を担っていたとしてもそれほど意外ではないだろう。

　さらに一歩進めようという研究もある。たとえば緩歩動物という小さな水生動物を重ね合わせてしまおうという実験がある。緩歩動物が細菌よりも数百倍も大きいことを考えると、細菌における量子もつれよりもはるかに難しいことだ。

　またファローは細菌の実験をもっと改良する方法を模索している。彼によると、来年には細菌を光ともつれさせるのではなく、2匹の細菌同士でもつれさせたいと考えているそうだ。

　「それは現実がどのような性質を持っているのか理解するためのもの」だとファローは語る。もちろん、物質の根本には量子が存在する。しかし生きている生物の中で量子効果がどのような役割を担っているかは大きな謎だ。

　たとえば、「自然選択によって、量子現象を自然に利用する生物システムが誕生しているという可能性がある」とマーレットは話す。先ほどの緑色硫黄細菌もその一例かもしれない。


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・生物における量子の探求は始まったばかり

　しかしそれを明らかにするには、小さなものから始めなければならない。そして、数百万の原子をもつれさせることに成功した最近の実験のように、徐々にマクロレベルの実験へと引き上げていく。

　生物を構成する分子が意味のある量子効果を発揮していると証明することは、次のステップとして非常に重要なことだ。そうした古典的な量子の領域を探求することで、マクロレベルの量子とはどういうことなのか理解を進めることができる。

References:motherboard / abovetopsecret / scientificamerican/ written by hiroching / edited by parumo