量子もつれとブラックホール：片方が事象の地平面に入っても相関は保たれるのか

量子もつれ状態にある2つの粒子のうち片方がブラックホールの中に入った場合、「外にいるもう片方と相関はどうなるのか」という疑問は量子情報と重力理論の境界に関わる重要なテーマです。本記事では、標準的な量子力学とブラックホール物理の観点から整理します。

量子もつれの基本的な性質

量子もつれとは、2つ以上の粒子が一つの量子状態として記述される現象です。

片方を測定するともう片方の状態が即座に確定するように見えますが、情報が超光速で伝わるわけではありません。

これは量子力学における確率的相関として理解されます。

一般相対性理論では、ブラックホールの事象の地平面の内側から外へ情報は出られないとされます。

そのため、もつれた粒子の片方が内部に入ると、その状態を外部から直接観測することはできません。

この点が量子もつれの直感的理解を難しくする要因です。

外に残った粒子だけを観測すると、もつれ相手の情報が失われたように見えます。

しかし実際には全体系としての量子状態は定義されており、完全にランダムな状態に見えることがあります。

この現象は「部分トレース」によって説明されます。

ブラックホールはホーキング放射によって徐々に蒸発すると考えられています。

このとき情報がどのように保存されるかは「ブラックホール情報パラドックス」として未解決問題です。

量子もつれの相関が最終的にどう扱われるかもこの問題に関係します。

標準的な量子力学では、全体系が閉じている限りもつれ構造は維持されます。

しかしブラックホールを含む時空では、観測可能な範囲では相関が失われたように見える場合があります。

そのため「片方を見ればもう片方が確定する」という単純な形では扱えません。

量子もつれ自体は理論的には維持されますが、片方がブラックホール内部に入ることで観測可能な相関は大きく制限されます。

これは量子力学と一般相対性理論の境界にある未解決問題に関わる重要なテーマです。

そのため現時点では単純な「確定関係」として説明することはできません。