情報喪失問題

今年のノーベル物理学賞がブラックホール（ＢＨ）研究に貢献した３氏に決定した。ＢＨに入ると二度と出てこられないと言われるが、実験できない。このようなとき物理学では「思考実験」で理論の矛盾を突き考察を進める。

例えば、ＢＨに新聞を投げ込むとどうなるか？これも立派な思考実験だ。投じた物の分ＢＨの質量も増えればエネルギー保存則は満たされる。一方、熱力学第二法則も満たすためにはＢＨはエントロピーや温度を持つ必要があり、何も出さないはずのＢＨが熱放射（ホーキング放射）することになる。この矛盾は、ホーキングが相対論に量子効果を部分的に取り入れ１９７４年に理論的な解決を見た。

新聞の「情報」はどうなるだろう？相対論はＢＨがホーキング放射で徐々にエネルギーを失いやがて蒸発、ＢＨ内部に保存された情報も失われると予言する。一方、量子力学では情報は失われないと考える。このように、現代物理学の２本柱である相対論と量子力学は、事あるごとに齟齬（そご）をきたし、今も多くの物理学者を悩ませている。

短時間で復元

２００７年に新たな光が差した。量子情報の理論家ヘイデンとプレスキルは量子ビットをＢＨに投げ込む思考実験を行い、ホーキング放射の観測からＢＨ内の情報が復元できると示した。情報は消えずに保存され、しかも短時間で復元できるのだ。ＢＨ誕生時からのログの量子メモリーへの保存などＳＦ的仮定はあるが、原理的な無理はない。後に吉田とキタエフにより具体的方法が示され、実験家の興味も向けられた。

量子情報は今や物性や素粒子と並ぶ物理の１分野である（図）。対象は量子計算、量子通信にとどまらず物性や重力など他分野に波及し、新展開を生み出している。

物理学の悲願である相対論と量子力学の統合にも一役買いそうだ。ＢＨ情報喪失問題を巡ってプレスキルとホーキング、ソーン（１７年ノーベル物理学賞）の間で賭けまで行われたが、軍配は情報は消えないとする量子力学側に傾きつつある。

量子力学を情報理論の一種とすれば、量子情報でこの世の機序を理解しようとするのは当然の流れだ。

１０月に米国科学技術政策局は量子情報による宇宙の理解を「量子フロンティア」の一つに挙げた（同名の報告書）。笠・高柳公式など日本人の貢献も大きく、量子情報は産業応用だけでなく基礎物理学における新潮流としても期待の星である。

東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻博士課程修了。日本科学未来館で科学コミュニケーターとして展示解説や実演・展示制作に、ＪＳＴ戦略研究推進部でＩＴ分野の研究推進業務に従事後、１７年より現職。博士（工学、公共政策分析）。