机の上に、コインが一枚、置かれています。ごくふつうのコインで、表には絵が、裏には年号が刻まれています。このとき、「表と裏のどちらが出ていますか？」と尋ねられると、誰もが答えられるでしょう。

もちろん、コインの表裏の判別は、コインの種類によりません。それが1円玉であっても500円玉であっても、あるいは日本のコインであっても外国のコインであっても、表裏のルールさえ知っていれば判別することができます。また、いったん表であることを確認したコインは、少し目を離して、しばらくしてから見ても、表を向いているはずです。ずいぶんとあたりまえのことを言っているような気がします。

それでは、コインを肉眼では見られないほどにどんどん小さくして、量子（電子・陽子・光子など）の大きさの「コイン」を作ることができたらどうでしょうか。このとき作られた量子の世界の「コイン」も、日常のなかで用いられるコインと同様に、表裏の判別は可能であるという直観が働くのではないでしょうか。

しかし、量子の世界は日常の「あたりまえ」の直観には従うことはありませんでした。実際には、表と裏の中間状態、すなわち表と裏の「重ね合わせ」状態が見られるということがわかっています。「重ね合わせ」と言っているのは、一つのコインの表裏を判定しようとしても、あるときは表、またあるときは裏が観察されるということです。日常のコインとは異なって、表が出るのか裏が出るのかは、特殊な場合を除いて決定されません。ただし、表と裏が出る確率だけはわかります。

ここで注意しておかなければならないのは、コインの表裏が確率的にしかわからないというのは、たとえば「表が 60 枚、裏が 40 枚の計 100 枚のコインから一枚選び出したとき、表が出る確率は 60 % 、裏が出る確率は 40 % である」というのとは性質が異なるということです。この例では、コインの表裏はわたしたちが見る前から決まっていて、「表裏が確率的にしかわからない」というのは、表と裏が混合されていることによります。量子の世界で表裏が確率的にしかわからないというのは、この意味ではなく、コインの表裏はわたしたちが見ることによって初めて決まります。

ミクロスケールの世界をつかさどる「量子論」が多くの現象や概念をもたらすのは、この「重ね合わせ」状態にあります。そして、「量子コンピューター」に代表される量子計算・量子情報技術の根源も、この「重ね合わせ」状態が直観を超えていることにあります。

最後に、アインシュタインの有名なエピソードを引用しておきます。アインシュタインの直観は現代から見ると誤っていたものの、その問いは量子論の本質を鋭く突くものでした。

世界とは何か。あるいは、この世界はどのような機構のもとで動いているのか。理性的にせよ、感性的にせよ、もしくは、意識的にせよ、無意識的にせよ、この世界とは何なのか、考えたことのある人は少なくないのではないかと思います。そして、物理学とは、その問いに対して一つのしかたで答えようとする営みです。

世界について考えたとき、一つの問いかけの方向性としては、世界はどれほど広がっているだろうかということでしょう。たとえば、夜空を見上げたときに見られるあの星々、あれはどれだけ遠くにあるのだろうか、そこに近づくことはできるのだろうか、世界に果てはあるのか。そんな問いかけは、古くから数えきれないほどなされてきましたが、よく知られている通り、今では宇宙についていろいろなことがわかっています。

一方で、逆の方向性をもった問いかけも考えられます。すなわち、世界はどれくらい小さいのか、ということです。身の回りにあふれるいろいろなもの、それを切ると、半分に分かれます。さらに切ると、また半分に分かれます、さらに切ると……としたとき、いつまでも切ることは続けられるのでしょうか。言い換えると、世界は限りなく続いているのか、もしくは世界には最小単位はあるのか、ということです。

世界はどれくらい小さいのか、という問いは、ありふれています。だからこそ、古くから人間はそれを問い続けてきました。しかし、その問いに対して確固とした形で初めて答えを与えたのは、20 世紀はじめの物理学でした。答えは、世界には最小単位がある、ということでした。その最小単位は、たとえば電子、陽子、光子など、つぶつぶの（離散的な）ものとして現れ、それらはまとめて「量子」と呼ばれています。

そしてまた、もう一つ見出されたことは、その量子の世界をつかさどる法則は、人間の日常世界をつかさどる法則とは異なるということでした。この量子の世界をつかさどる理論体系が、「量子論」と呼ばれています。そこでは、いわゆる「不思議な現象」が見られます。

量子情報班では、ミクロなスケールをつかさどる「量子論」について考え、実験を行っています。具体的にどのような現象、どのような概念がそこで現れるのかは、また次回以降に。