「量子力学」と「一般相対性理論」を統合する「量子重力」の性質を明らかにする枠組みを構築ー重力そのものが量子重ね合わせ状態にある必要がなく、同じ物理的予測を再現することが可能ー

2026-07-02 九州大学

九州大学高等研究院のフー・ジョシュア准教授らの国際研究チームは、量子力学と一般相対性理論を結ぶ量子重力の解釈に新たな視点を与える「時空の重ね合わせの相対性(Relativity of Spacetime Superpositions)」という理論的枠組みを構築した。従来は、重力の量子的性質を示すには「重力場そのものが量子重ね合わせ状態にある」ことが必要と考えられてきたが、本研究では、特定の状況では重力場を古典的なままとし、代わりに試験粒子の位置が量子重ね合わせ状態にあると解釈しても、同じ物理的予測が得られることを示した。この枠組みを重力による量子もつれやデコヒーレンスを調べる複数の理論実験に適用した結果、量子重力の証拠と考えられてきた現象には本質的な解釈の曖昧さが存在することが判明した。本成果は、将来の量子重力実験で「何を観測すれば重力の量子的性質を実証したといえるのか」を明確化するための理論的指針を与え、量子重力理論の検証に向けた実験設計の高度化に貢献する。成果はnpj Quantum Information誌に掲載された。

「量子力学」と「一般相対性理論」を統合する「量子重力」の性質を明らかにする枠組みを構築ー重力そのものが量子重ね合わせ状態にある必要がなく、同じ物理的予測を再現することが可能ー
同じ物理的状況を、異なる視点から見た二つの解釈の図。重力場または時空の量子重ね合わせ(上)、通常の重力場における位置の量子重ね合わせにある「試験」粒子(下)。この重力場は、星やブラックホール、あるいは別の量子「源」粒子によって生み出されたものである可能性がある。

<関連情報>

相対性理論と時空重ね合わせのデコヒーレンス Relativity and decoherence of spacetime superpositions

Joshua Foo,Cendikiawan Suryaatmadja,Robert B. Mann & Magdalena Zych
npj Quantum Information  Published:13 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41534-026-01234-x  Unedited version

Abstract

It is univocally anticipated that in a theory of quantum gravity, there exist quantum superpositions of semiclassical states of spacetime geometry. Such states could arise, for example, from a source mass in a superposition of spatial configurations. In this paper, we introduce a framework for describing such “quantum superpositions of spacetime states.” We introduce the notion of the relativity of spacetime superpositions, demonstrating that for states in which the superposed amplitudes differ by a coordinate transformation, it is always possible to re-express the scenario in terms of dynamics on a single, fixed background. Our result unveils an inherent ambiguity in labelling such superpositions as genuinely quantum-gravitational, which has been done extensively in the literature, most notably with reference to recent proposals to test gravitationally-induced entanglement. We apply our framework to the above-mentioned scenarios, looking at gravitationally-induced entanglement, the problem of decoherence of gravitational sources, and clarifying commonly overlooked assumptions. In the context of decoherence of gravitational sources, our result implies that the resulting decoherence is not fundamental, but depends on the existence of external systems that define a relative set of coordinates through which the notion of spatial superposition obtains physical meaning.

1701物理及び化学
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