ウィーラーの遅延選択実験

ウィーラーの遅延選択実験は、ジョン・アーチボルド・ウィーラーが提唱した量子物理学における一連の思考実験であり、その中で最も有名なものは1978年と1984年に発表された。 ^[1] これらの実験は量子論の中心的な点を示している。

光子が入射点から最後の飛行の瞬間まで移動する過程において、光子に実体があると考えるのは誤りである。^{[2] : 184}

これらの実験は、量子の振る舞いは実験の配置に依存するという従来の二重スリット実験の実証における抜け穴を塞ぐ。この抜け穴は「陰謀」モデルと呼ばれ、光が何らかの形で実験装置を「感知」し、その振る舞いを粒子または波の振る舞いに調整する。光子が「飛行」しているはずの後に装置を変更することで、抜け穴は塞がれる。遅延選択の宇宙バージョンでは、数十億年前に放出された光子を使用するが、結果は変わらない。^[3] 遅延選択の概念は、多くの啓示的な実験を生み出してきた。^[4] 遅延選択の概念の新しいバージョンでは、量子効果を使用して「選択」を制御し、量子遅延選択実験につながる。

ウィーラーの遅延選択実験は、相対論と整合する粒子伝播モデルでは量子論を説明できないことを証明している。^{[2] :  184}二重スリット実験と同様に、ウィーラーの概念には、光源と検出器の間に 2 つの同等の経路がある。二重スリットのどちらの方向バージョンと同様に、実験は 2 つのバージョンで実行される。1 つは波の干渉を検出するように設計され、もう 1 つは粒子を検出するように設計されている。ウィーラーのアプローチの新しい要素は、これら 2 つの実験間の遅延選択である。波の干渉を測定するか粒子の経路を測定するかの決定は、検出の直前まで延期される。目標は、実験の選択が行われる前に、移動する粒子または波が量子システム内の 2 つの異なる経路の領域を通過するようにすることです。^{[5] :  967}

因果関係の通常の考えを壊さないようにするために、何人かの理論家^{[誰? ]}は、2 番目のビームスプリッターが設置されているかどうかに関する情報を、実験装置の終端から、実験装置に入る直前の光子に何らかの方法で送信し、適切な「決定」を行えるようにできると提案しました。そこで、ホイーラーは彼の実験の宇宙バージョンを提案しました。その思考実験で、彼は、地球から数百万光年または数十億光年離れたクエーサーまたは他の銀河が、重力レンズとして機能する介在する銀河または銀河団の周りを光で通過させたら何が起こるかを尋ねています。地球に正確に向かう光子は、介在する巨大な銀河の近くの空間の歪みに遭遇します。その時点で、光子は、粒子として移動してレンズ銀河の周りを一周するか、波として移動して両方向に移動するかを「決定」する必要があります。光子が地球の天文台に到着したら、何が起こるでしょうか? 重力レンズ効果により、天文台の望遠鏡は同じクエーサーの 2 つの画像、つまりレンズ効果のある銀河の左側と右側の画像を見ることになります。光子が粒子として移動し、左側のクエーサー画像に向けられた望遠鏡の筒に入ってきたとしたら、光子は数百万年の間ずっと粒子として移動することを決めたに違いない、と一部の実験者は言います。その望遠鏡は、もう一方のクエーサー画像から何かを拾うには間違った方向を向いています。光子が粒子として移動し、逆方向に進んだとしたら、右側の「クエーサー」に向けられた望遠鏡によってのみ拾われることになります。つまり、数百万年前、光子は粒子の姿で移動することを決定し、ランダムに別の経路を選んだのです。しかし、実験者は今、別の方法を試すことにしました。彼らは、図に示すように、2 つの望遠鏡の出力をビームスプリッターに導き、一方の出力が非常に明るく (正の干渉を示す)、もう一方の出力が実質的にゼロであることを発見しました。これは、入ってくる波動関数のペアが自己キャンセルしたことを示しています。

するとホイーラーは、あえて反対意見を述べ、おそらくこれらの実験結果が得られたということは、天文学者がビームスプリッターを挿入した瞬間に、数百万年前にクエーサーから出た光子が遡及的に波として移動することを決定し、天文学者がビームスプリッターを再び引き抜くことを決定したときに、その決定が時間を通じて数百万年と数分前にクエーサーから出た光子に伝達され、光子が遡及的に粒子として移動することを決定したことを意味するのではないかと示唆する。

ウィーラーの基本的な考えを実装するいくつかの方法が実際の実験で行われ、それらはウィーラーが予期した結論^[要出典]、つまり光子が検出される前に実験装置の出口ポートで行われる処理によって干渉現象が発生するかどうかが決まるという結論を裏付けています。

2 つ目の種類の実験は、通常の二重スリット実験に似ています。この実験の概略図は、二重スリットの反対側にあるレンズによって、各スリットからの経路が、そのレンズのかなり近くで交差した後、他のスリットからわずかに分岐することを示しています。その結果、各光子の 2 つの波動関数は、二重スリットからかなり近い距離内で重ね合わされ、波動関数が重ね合わされている領域内に検出スクリーンが設けられると、干渉パターンが見られます。特定の光子が二重スリットのどちらかから到着したと判断する方法はありません。ただし、検出スクリーンが取り除かれると、各経路の波動関数は、振幅がますます小さい領域で重ね合わされ、それらの合計確率値は、各経路の中心での強化されていない確率値よりもはるかに低くなります。望遠鏡を 2 つの経路の中心に向けると、光子がどちらかの経路に現れる確率はほぼ 50% の等確率になります。望遠鏡 1 で光子が検出されると、研究者はその光子を下部のスリットから出現した波動関数と関連付ける場合があります。望遠鏡 2 で光子が検出されると、研究者はその光子を上部のスリットから出現した波動関数と関連付ける場合があります。実験結果のこの解釈を裏付ける説明は、光子がスリットの 1 つから出現し、それで終わりであるということです。光子はレーザーから始まり、スリットの 1 つを通過し、対応する望遠鏡に 1 本の直線経路で到達したに違いありません。

ウィーラーが受け入れていない逆因果的説明では、検出スクリーンが設置されると干渉が発現するはずだとしている。干渉が発現するには、2 つのスリットのそれぞれから光波が出現する必要がある。したがって、二重スリット絞りに入った単一の光子は、検出スクリーン上で干渉するために両方のスリットを通過する必要があることを「決定」している必要がある。干渉が発現しないためには、二重スリット絞りに入った単一の光子は、適切な単一望遠鏡のカメラに映るように、1 つのスリットだけを通過することを「決定」している必要がある。

この思考実験では、望遠鏡は常に存在しますが、実験は検出スクリーンがある状態で開始し、光子が二重スリット絞りを出た直後に取り外すか、または検出スクリーンがない状態で開始し、光子が絞りを出た直後に挿入することができます。一部の理論家は、実験の途中でスクリーンを挿入または除去すると、光子は以前に波として通過したにもかかわらず、粒子として二重スリットを通過することを遡及的に決定する可能性があると主張しています。またはその逆です。ウィーラーはこの解釈を受け入れていません。

二重スリット実験は、他の 6 つの理想的な実験 (顕微鏡、分割ビーム、傾斜歯、放射パターン、1 光子偏光、および対光子偏光) と同様に、相補的な観察モードの選択を強いる。各実験において、私たちは、探査する現象の種類の選択を、現象の発達の最終段階まで遅らせる方法を発見した。そして、それは、私たちがどのタイプの検出装置に固執するかによって決まる。その遅延は、実験予測には何ら影響しない。この点で、私たちが発見したすべてのことは、ボーアのあの独りで意味深い一文に予兆されていた。「...明確な実験配置によって得られる観察可能な効果に関しては、装置の構築または取り扱いの計画が事前に決まっているか、あるいは、粒子がすでに 1 つの装置から別の装置へと移動している後の瞬間まで計画の完了を延期することを好むかは、何ら影響しない。」^[8]

ボームの量子力学の解釈では、粒子は、その運動が量子ポテンシャルの追加的な影響下で起こることを除いて、古典力学に従います。^{[9] [10] [11] ：279}光子または電子は、古典的な粒子の場合と同様に、一定の軌道を持ち、2つのスリットのどちらか一方を通過し、両方を通過することはありません。過去は決定されており、波として検出するための実験構成が到着時刻T _2で粒子を検出するものに変更された瞬間T _{1までの状態のままです。実験構成が変更された}T ₁で、ボームの量子ポテンシャルは必要に応じて変化し、粒子は新しい量子ポテンシャルの下で、粒子として検出されるT ₂まで古典的に動きます。このように、ボーム力学は世界とその過去に関する従来の見方を復元します。過去は、遅延選択によって遡及的に変更できない客観的な歴史としてそこにあります。量子ポテンシャルにはシステムを定義する境界条件に関する情報が含まれているため、実験装置のいかなる変更も、粒子のダイナミクスを決定する量子ポテンシャルの変化に反映されます。^{[11] : 6.7.1}しかし、量子ポテンシャルは非局所的であり、その変化は瞬間的であり、相対性理論と矛盾しています。^{[12] : 121}

遅延選択量子の可能性に関するジョン・ホイーラーの最初の議論は、「法則のない法則」と題されたエッセイに登場し、これは彼とヴォイチェフ・フーベルト・ズーレクが編集した『量子理論と測定』の 182 ～ 213 ページに掲載された。彼は、理解可能な現実を望んだアルバート・アインシュタインと、アインシュタインの現実の概念は制限されすぎていると考えていたニールス・ボーアとの議論を繰り返すことで、自分の発言を始めた。ホイーラーは、アインシュタインとボーアが、以下で説明する実験室実験の結果を検討したと指摘している。実験では、光は、半銀メッキと完全銀メッキの長方形の鏡の配列の 1 つの角からもう 1 つの角まで進み、単一の経路で周囲を半分回ってから出て行くだけでなく、周囲を両方向に回ってから、どちらかのポートから出るかを「選択した」ように見せることができる。この結果は光線だけでなく、単一の光子にも当てはまります。ウィーラーは次のように述べています。

アインシュタインとボーアが論じた干渉計 の形の実験は、理論的には、光子が単一の経路に沿って出発することもあるのか、常に 2 つの経路をたどるが、そのうちの 1 つしか使用しないこともあるのか、あるいは何か他のことが現れるのかを調べるために使用できる。しかし、「実験をランダムに実行している間、光子が到着する直前に 2 つ目の半銀鏡を挿入する」と言う方が、そのような迅速な置き換えを行う方法を考えるよりも簡単だった。少なくとも実験室の範囲内では、光の速度は機械装置でこの作業を行うには速すぎる。この問題を回避するには、多くの創意工夫が必要だった。

いくつかの裏付けとなる実験が発表された後、ジャックらは自分たちの実験がホイーラーが提案した当初の計画に完全に従っていると主張した。^{[13] [14]彼らの複雑な実験は}マッハ・ツェンダー干渉計に基づいており、トリガーされたダイヤモンドN-V色中心光子発生器、偏光、および切り替え可能なビームスプリッターとして機能する電気光学変調器が含まれている。閉じた構成で測定すると干渉が示されたが、開いた構成で測定すると粒子の経路を決定でき、干渉を不可能にした。

ウィーラー版の干渉計実験は、光子が最初のビームスプリッターに入ってから、2 番目のビームスプリッター用に用意された位置に到着するまでの短い時間間隔で、2 番目のビームスプリッターを挿入したり取り外したりすることが実際上困難であったため、最近まで実験室で実行できませんでした。この実験の実現は、長い光ファイバー ケーブルを挿入して両方の経路の長さを延長することによって行われます。そうすることで、装置を通過する時間間隔がはるかに長くなります。一方の経路にある、高電圧スイッチ、ポッケルス セル、およびグラン トムソン プリズムで構成される高速切り替え可能なデバイスにより、その経路を通常の目的地から迂回させて、その経路を事実上行き止まりにすることができます。迂回路が動作していると、その経路を通ってどちらの検出器にも何も到達できないため、干渉は発生しません。迂回路をオフにすると、経路は通常の動作モードに戻り、2 番目のビームスプリッターを通過して、干渉が再び発生します。この配置では、実際には第 2 ビームスプリッターを挿入したり取り外したりするわけではありませんが、干渉が発生する状態から干渉が発生しない状態に切り替えることが可能であり、第 1 ビームスプリッターに入る光と第 2 ビームスプリッターから出る光の間の間隔で切り替えることができます。光子が第 1 ビームスプリッターに波または粒子として入ることを「決定」した場合、その決定を取り消して別の姿でシステムを通過するように指示されているはずです。また、そのような伝達は光速でも遅すぎるため、入射光子または第 1 ビームスプリッターに物理的なプロセスが中継されることなく、そのようにしているはずです。Wheeler の物理的結果の解釈は、2 つの実験の 1 つの構成では、入射光子の波動関数の単一のコピーが 50% の確率でいずれかの検出器で受信され、もう 1 つの構成では、異なる経路を移動した波動関数の 2 つのコピーが両方の検出器に到達し、互いに位相がずれているため干渉が発生するというものです。一方の検出器では波動関数は互いに同位相となり、その結果、光子はその検出器に現れる確率が100%になります。もう一方の検出器では波動関数は180°位相がずれ、互いに完全に打ち消し合い、関連する光子がその検出器に現れる確率は0%になります。^[15]

ウィーラーが構想した宇宙実験は、干渉計実験に類似しているとも、二重スリット実験に類似しているとも言える。重要なのは、第 3 の装置、つまり重力レンズとして機能する巨大な恒星によって、光源からの光子が 2 つの経路で到達できるということである。波動関数のペア間の位相差がどのように配置されるかによって、それに応じて異なる種類の干渉現象が観測される。入射波動関数を合体させるかどうか、またどのように合体させるかは、実験者によって制御できる。実験装置によって波動関数に導入される位相差は、実験室の干渉計実験のように存在しないため、光源の近くに二重スリット装置がないにもかかわらず、宇宙実験は二重スリット実験に近い。しかし、ウィーラーは、ビームスプリッターを使用して入射波動関数を合体させる実験を計画した。^[16]

この実験を実行する上での主な困難は、実験者が各光子が地球に向かって旅を始めた時期を制御または知ることができないこと、また実験者が遠方のクエーサー間の 2 つの経路のそれぞれの長さを知らないことです。したがって、1 つの波動関数の 2 つのコピーが異なる時間に到着する可能性があります。相互作用できるようにそれらを時間的に一致させるには、最初に到着する光子に何らかの遅延装置を使用する必要があります。その作業を行う前に、時間遅延を計算する方法を見つける必要があります。

この宇宙実験装置の両端からの入力を同期させるための1つの提案は、クエーサーの特性と、何らかの信号特性を持つ同一のイベントを識別できる可能性にあります。ウィーラーが推測の基礎として使用した双子クエーサーからの情報は、約14か月の間隔で地球に到達します。^[17]光の量子を1年以上何らかのループに保つ方法を見つけるのは簡単ではありません。

ウィーラーの二重スリット実験は、2 つのスリットから出てくる同じ光子を 2 つの方法で検出できるように構成されている。最初の方法では、2 つの経路を一緒にし、波動関数の 2 つのコピーを重ねて、干渉を示す。2 番目の方法では、光子源からさらに離れて、波動関数の 2 つのコピー間の距離が大きすぎて干渉効果が現れない位置に移動します。研究室での技術的な問題は、干渉効果を観察するために適切なポイントに検出器スクリーンを挿入するか、またはスリットがある狭い空間領域からの光子の受信に限定できる光子検出器を明らかにするためにそのスクリーンを除去するかです。このタスクを達成する 1 つの方法は、最近開発された電気的に切り替え可能なミラーを使用し、ミラーのオン/オフを切り替えるだけで、スリットからの 2 つの経路の方向を切り替えることです。2014 年初頭の時点で、その^[update]ような実験は発表されていません。

ウィーラーが説明した宇宙実験には他にも問題があるが、関係する光子が波になるか粒子になるかを「決定」したずっと後に波動関数のコピーをある場所または別の場所に誘導するには、それほどの速度はまったく必要ではない。この作業を完了するには約 10 億年かかる。

宇宙版干渉計実験は、図に示すように宇宙二重スリット装置として機能するように適応させることができる。^{[18] : 66}

ウィーラーの意図に従って二重スリット装置で検出方法を最終的に決定する最初の実際の実験は、ウォルボーンらによる実験である^{[19] 。}

もともとSETI研究用に設計された電波望遠鏡にアクセスできる研究者たちは、星間ホイーラー実験を実施する際の実際的な困難さを明らかにした。^[20]

遅延選択実験の新しいバージョンでは、遅延を機械的に起動するのではなく、量子効果によって制御される 2 つのパスを設計します。全体的な実験では、粒子の挙動または波の挙動という 2 つの結果の重ね合わせが作成されます。この一連の実験は、最初に考案されたときは実行が非常に困難であることが判明しました。しかし、研究者が「単一量子の波動粒子二重性のますます洗練された実証」を提供することにつながったため、長年にわたって非常に価値があることが証明されています。^{[21] [22]}ある実験者が説明するように、「波動と粒子の挙動は同時に共存できます。」^[23]

マニングらによる最近の実験では、ヘリウム原子を用いた標準的な量子力学の標準的な予測が確認された。^[24]

マクロな量子遅延選択実験が提案されており、2本のカーボンナノチューブのコヒーレント結合は増幅された単一フォノンイベントによって制御できる可能性がある。^[25]

Ma、Zeilingerらは、 Wheeler の提案から生まれた実験の結果として何がわかるかをまとめています。彼らは次のように述べています。

我々の研究は、2 つのエンタングルされた光子間の相関が、ウェルチャー・ウェグ[「どちら向き」] 情報を明らかにするか、または 1 つの (システム) 光子の干渉パターンを明らかにするかは、たとえ空間的に分離できる両側のすべてのイベントが空間的に分離されていたとしても、もう 1 つの (環境) 光子の測定の選択に依存することを実証し、確認しています。波動または粒子の特性が測定からかなり後 (さらには測定から空間的に分離されて) に現れるかどうかを決定できるという事実は、量子現象を解釈するための素朴な現実的な図式を持つべきではないことを教えてくれます。1 つの光子の特定の個別の観測で何が起こっているかを説明するには、両方の光子からなる完全な量子状態の実験装置全体を考慮に入れる必要があり、補完変数に関するすべての情報が記録された後でのみ意味を成します。我々の結果は、システム光子が波として確実に、または粒子として確実に動作するという見方には、光より速い通信が必要であることを示しています。これは特殊相対性理論と強い矛盾を生じるため、このような見解は完全に放棄されるべきだと我々は考えています。^[26]

遅延選択実験の概念は、1978年にホイーラーによって初めて提案された量子物理学における一連の思考実験として始まった。 ^{[27] [28]}相補性原理 によれば、光子の「粒子のような」（正確な位置を持つ）または「波のような」（周波数または振幅を持つ）特性は測定できるが、同時に両方を測定することはできない。どちらの特性が測定されるかは、実験者が粒子を観察するための装置を使用するか、波を観察するための装置を使用するかによって決まる。^[29]この記述を非常に厳密に適用すると、検出器の種類を決定することによって、光子を粒子としてのみ、または波としてのみ発現するように強制できると主張することもできる。光子の検出は一般に破壊的なプロセスである（非破壊測定については量子非破壊測定を参照）。たとえば、光子は、そのエネルギーを受け入れる光電子増倍管内の電子によって吸収された結果として検出され、それが次にその装置から「クリック」音を生成する一連のイベントをトリガーするために使用される。二重スリット実験の場合、光子はスクリーン上で空間と時間の中で非常に局所的な点として現れます。スクリーン上の光子の蓄積は、光子がスリットを波として通過したのか、粒子として通過したのかを示します。蓄積の結果、波の典型的な干渉パターンが現れる場合、光子は波として通過したと言えます (蓄積を示すアニメーションについては、二重スリット実験 § 個々の粒子からの干渉を参照してください)。ただし、スリットの 1 つが閉じられている場合、または 2 つの直交する偏光子がスリットの前に配置されている場合 (異なるスリットを通過する光子を区別できるようにするため)、干渉パターンは現れず、蓄積は光子が粒子として通過した結果として説明できます。

• 遅延選択量子消去
• ウィーラー・ファインマン時間対称理論

• ジャック、ヴィンセント。ウー、E;グロッシャン、フレデリック。フランソワ・トロイサール。グランジェ、フィリップ。アスペクト、アラン。ジャン・フランソワ・ロシュ (2007)。 「ウィーラーの遅延選択ゲダンケン実験の実験的実現」。科学。315 (5814): 966–8。arXiv : quant-ph/0610241。Bibcode :2007Sci...315..966J。土井：10.1126/science.11​​36303。PMID  17303748。S2CID 6086068  。
• ウィーラーの全作品をリストアップしたオンライン書誌
• ジョン・アーチボルド・ウィーラー、「『過去』と『遅延選択二重スリット実験』」、AR マーロウ編『量子理論の数学的基礎』、アカデミック・プレス（1978 年） 9～48 ページ
• ジョン・アーチボルド・ウィーラーとヴォイチェフ・フーベルト・ズーレク『量子理論と測定』（プリンストン物理学シリーズ）
• ジョン・D・バロー、ポール・C・W・デイヴィス、ジュニア、チャールズ・L・ハーパーム『科学と究極の現実：量子論、宇宙論、複雑性』（ケンブリッジ大学出版局）2004年
• Xiao-song Ma、Johannes Kofler、Anton Zeilinger、「遅延選択ゲダンケン実験とその実現」、arXiv :1407.2930、2016年3月。調査記事。

• ウィーラーの古典的な遅延選択実験（ロス・ローズ著）
• ジョン・G・クレイマー著『量子消しゴム』
• 遅延選択実験の謎を解く
• 「ジョン・ウィーラー - 遅延選択実験（105/130）」。YouTube。Web of Stories。2017年10月6日。2021年12月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。