物理学において、時間そのものほど馴染み深い、または不可解な概念はほとんどありません。アインシュタインの相対性理論は、時間が一定でも普遍でもないことを示しました。代わりに、速度と重力によって変化します。しかし、科学者が相対性理論と量子力学を組み合わせると、状況はさらに奇妙になります。量子論は、時間自体が重ね合わせて存在できること、つまり時間の流れが同時に速くなったり遅くなったりする可能性があることを示唆しています。
最近発表された研究は、研究者が近いうちにこの奇妙なアイデアを研究室でテストできるようになる可能性があることを示唆しています。 「光イオン時計における適切な時間の量子署名」と題されたこの記事は、2026 年 4 月 20 日に、 物理的なレビューレター。この研究はスティーブンス工科大学のイーゴリ・ピコフスキー助教授が主導し、コロラド州立大学のクリスチャン・サナー氏と国立標準技術研究所（NIST）のディートリッヒ・リーブフリート氏が率いる実験チームと協力した。
原子時計と量子時間
研究者らは、高度な原子時計が時間の流れに関連する隠された量子効果をどのように明らかにできるかを調査しました。彼らの研究結果によると、次世代の量子時計やコンピューター用に開発されている同じ技術を利用して、時間自体が量子法則に従って動作するかどうかを科学者が調査できる可能性があるという。
量子力学では、物体は同時に複数の状態で存在できます。この概念は、観察されるまで猫が生きていると同時に死んでいるとみなす思考実験であるシュレーディンガーの猫によって有名に説明されています。研究者らは、時間の経過とともに同様の奇妙なことが起こる可能性があると示唆している。量子法則に従って動作する時計は、同時に若い猫と老いた猫のように、複数の時間の流れを同時に経験することができます。
「量子論と相対性理論では、時間はまったく異なる役割を果たします」とピコフスキー氏は言う。 「私たちが示しているのは、これら 2 つの概念を組み合わせることで、古典物理学ではもはや説明できない時間の流れの隠された量子的特徴を明らかにできるということです。」
量子双子のパラドックス
相対性理論は、動きや場所に応じて時間の経過が異なることをすでに予測しています。それぞれの時計は独自の時間の流れを計測します。たとえば、秒速 10 m で 5,700 万年間進む時計は、静止した時計よりも約 1 秒遅れます。科学者たちは、NISTのアルミニウムイオン時計などの高精度の機器を使用して、このような効果を確認しました。
この現象は、双子の一方が高速で移動し、残された双子より若くして戻ってくるという「双子のパラドックス」によって説明されることがよくあります。新しい研究は、このアイデアを量子の領域にさらに押し込みます。
研究者らは、単一の時計が量子重ね合わせ状態にあるときに 2 つの異なる時間速度を同時に経験できるかどうかを尋ねてきました。量子論によれば、これは可能なはずです。ピコウスキー氏と彼の共同研究者らは10年以上前にこのアイデアを初めて提案したが、当時はその効果が実験的に観察するには微妙すぎた。原子時計技術の進歩により、この状況が変わる可能性があります。
超低温イオン時計と量子振動
研究チームは、NIST やコロラド州立大学で開発されたようなイオン時計に焦点を当てました。これらのデバイスは、アルミニウムやイッテルビウムなどの個々のイオンを捕捉し、絶対零度に近い温度まで冷却し、レーザーを使用して量子状態を制御します。
彼らの分析は、高精度の時計とトラップ量子コンピューティングの技術を組み合わせることで、これまで隠されていた量子特性を観察できる可能性があることを示しました。
スティーブンス工科大学の博士課程候補者で論文の共著者であるガブリエル・ソルシ氏は、「原子時計は現在非常に高感度になっており、微小な温度での熱振動によってのみ引き起こされる微小な時間差を検出できるようになっている」と述べている。 「しかし、絶対零度の基底状態であっても、カチカチ速度は量子ゆらぎのみの影響を受けるだけです。」
そこで研究者らはさらに珍しい可能性を検討した。彼らは、単純に原子を冷却するのではなく、「スクイーズ状態」、つまり位置と速度が異常な挙動を示す量子状態を作り出すことで真空そのものを操作することを提案した。
同時に速く時を刻む時計と、遅く時を刻む時計
これらの条件下では、研究チームは、時間を伴うまったく新しい量子効果が現れる可能性があることを発見しました。単一の時計は、実際には、量子の動きを絡めながら、同時に速く時を刻んだり、遅く時を刻んだりすることができます。
研究者らは現在、これらの効果を実験で実証したいと考えている。
「私たちは、このような効果を初めて観察するために必要なスクイーズと、イオン時計に必要な時計精度に到達するための経路を作り出す技術を持っています」とコロラド州のセナー氏は言う。
ピコウスキーにとって、より広範な影響も同様に興味深いものです。彼の以前の研究には、量子技術が重力を運ぶと考えられている仮説上の粒子である個々の重力子を検出できる可能性があることを示したことが含まれています。
「物理学は、最も基本的なレベルでは依然として謎に満ちています。量子技術は、それらを解明するための新しいツールを私たちに提供します。」
