遅延選択型量子消去装置

遅延選択量子消去実験は、量子消去実験を発展させたもので、ジョン・アーチボルド・ホイーラーの遅延選択実験で検討された概念を取り入れている。この実験は、量子力学における有名な二重スリット実験の特異な結果、および量子もつれの結果を調べるために設計された。

遅延選択量子消去実験は、従来の二重スリット実験から生じる次の明らかなパラドックスを調査するために設計されています。光子を観測したときに、それが特定の経路をたどって検出器に到達したと推測できる場合、「常識」（ウィーラーらが異議を唱えている）によれば、光子は粒子として二重スリット装置に入ったに違いない、一方、光子の経路を推測できない場合は、光子は波として二重スリット装置に入ったに違いない、ということです。この論理によれば、光子が通過中に観測モードが自発的に変化すると、光子は波のような振る舞いまたは粒子のような振る舞いを示すという当初の「コミットメント」を遡及的に変更せざるを得なくなる可能性があります。ウィーラーは、星間規模の実験装置を想像すると、この推論は、地球上で光子をどのように観測するかについての最後の決定が、数百万年、あるいは数十億年前に確立された物理的構成を変える可能性があることを示唆していると指摘しました。^{[ 1 ] : 193 [ 2 ]}

遅延選択実験では、（測定方法に関する）決定によって、決定が下された時点ですでに発生した事象が変化するように見えるかもしれないが、この結論は量子力学の非標準的な解釈を採用した場合にのみ得られる可能性がある。標準的な解釈では、移動中の光子は、測定で観測される状態の1つだけの重ね合わせ状態にあると考えられる。 ^{[ 3 ] [ 4 ]}

基本的な二重スリット実験では、コヒーレントな光線（実際にはレーザーであることが多い）を、固体の障壁にある2つの（平行な）狭い垂直スリットに照射します。障壁の反対側に検出スクリーンを十分な距離に置くと、明暗の縞模様が交互に現れる干渉パターンが観察されます。電子などの他の原子スケールの実体も、二重スリットに照射すると、同様の挙動を示すことがわかっています。^{[ 5 ]}光源の明るさを十分に下げると、干渉パターンを形成する個々の粒子を検出できます。^{[ 6 ]}干渉パターンの出現は、スリットを通過する各粒子が自身と干渉し、したがってある意味で粒子が両方のスリットを同時に通過していることを示唆しています。^{[ 7 ] : 110}これは、離散的な物体に関する私たちの日常的な経験と矛盾する考え方です。

量子力学の歴史において重要な役割を果たした有名な思考実験（例えば、アインシュタインによるこの実験の議論を参照）は、光子がどちらのスリットを通過するかを示すためにスリットに粒子検出器を配置すると、干渉パターンが消えることを示した。^{[ 5 ]}このどちらの方向かの実験は、光子は粒子としても波としても振る舞うことができるが、粒子と波の両方として同時に観測することはできないという相補性原理を示している。 ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}この 思考実験の技術的な課題により、1970年代以前にはこの実験が実現されなかった。^{[ 11 ]}現在では、同様の実験を学部生の物理学実験室で行うことができる。^{[ 12 ]}

光子の経路情報と干渉縞の可視性は相補的な量であり、光子の経路に関する情報を観測​​するか、干渉縞を観測するかのどちらかしかできず、両方を同じ試行で観測することはできない。二重スリット実験では、粒子の経路を観測すると、ハイゼンベルクの不確定性原理の結果として、粒子が必然的に乱されて干渉パターンが破壊されると考えられていた。

1982年、スカリーとドリュールはこの解釈に対する回避策を指摘した。^{[ 13 ]} 彼らは、光子がどのスリットを通過したか、あるいは彼らの設定ではどの原子から光子が再放出されたかという情報を、その原子の励起状態に保存することを提案した。この時点では、どの経路を通ったかの情報は既知であり、干渉は観測されない。しかし、原子に別の光子を放出させて基底状態に遷移させることで、この情報を「消去」することができる。それだけでは干渉パターンは戻らないが、2番目の光子の適切な測定からどの経路を通ったかの情報は依然として抽出できる。しかし、2番目の光子がどの原子からも等確率で到達する可能性のある場所で測定されると、どの経路を通ったかの情報はうまく「消去」される。元の光子は干渉パターンを示す（干渉縞の位置は、2番目の光子が正確にどこで観測されたかに依存するため、全体の統計では平均化され、干渉縞は見られない）。 1982年以来、複数の実験でこのいわゆる量子「消去器」の有効性が実証されている。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}スカリーとドリュールの概念に非常に近い実験が2000年に行われた。^{[ 17 ] [ 18 ]}

シンプルな量子消去実験

量子消去器の単純なバージョンは次のように説明できます。1つの光子またはその確率波を2つのスリットに分割するのではなく、光子をビームスプリッターに通します。このようなビームスプリッターによって光子の流れがランダムに2つの経路に導かれ、それらの経路が相互作用しないようにすると、どの光子も他の光子や自分自身と干渉することはできないように思われます。

光子生成率を下げて、一度に装置に入る光子を1個だけにすると、光子が1つの経路だけを移動していると考えることは不可能になる。なぜなら、経路の出力が共通の検出器上で一致するように方向転換されると、干渉現象が現れるからである。これは、2つのスリットを持つ装置に1つの光子が入っている状況を想像するのと似ている。1つの光子であっても、何らかの形で両方のスリットと相互作用しているのである。

図1の2つの図では、黄色の星印で示されるレーザーから光子が1つずつ放出されます。放出された光子は、50%ビームスプリッター（緑色のブロック）を通過し、光子の半分が反射または透過されます。反射または透過された光子は、赤線または青線で示される2つの経路に沿って進みます。

上の図では、光子の軌跡が既知であるかのように見えます。光子が装置の上部から出てきた場合、青い経路を通ってきたに違いないように見え、装置の側面から出てきた場合、赤い経路を通ってきたに違いないように見えます。しかし、光子は検出されるまでは経路の重ね合わせ状態にあることを覚えておくことが重要です。上記の仮定、つまり光子がどちらかの経路を通ってきたに違いないという考え方は、「分離の誤謬」の一種です。

下の図では、右上に2つ目のビームスプリッターが導入されています。これは、赤と青の経路に対応するビームを再結合します。2つ目のビームスプリッターを導入することで、経路情報が「消去」されたと考えるのが一般的です。しかし、光子が「実際に」どちらかの経路を通ったとは限らないため、注意が必要です。ビームを再結合すると、各出力ポートのすぐ先に配置された検出スクリーンで干渉現象が発生します。右側に出るものは強め合いを示し、上側に出るものは打ち消し合いを示します。ただし、図示された干渉計効果は、純粋状態の単一光子にのみ適用されることに留意することが重要です。もつれ合った光子のペアを扱う場合、干渉計に遭遇する光子は混合状態になり、データの適切なサブセットを選択するための同時計数法を用いなければ、目に見える干渉パターンは得られません。^{[ 19 ]}

実験装置は、Kimら^{[ 17 ]}で詳細に説明されており、図2に示されています。アルゴンレーザーは、 二重スリット装置（図の左上隅の垂直な黒線）を通過する個々の351.1 nmの光子を生成します。

個々の光子は、2つのスリットのうちの1つ（または両方）を通過します。図では、光子の経路は、光子がどちらのスリットを通過したかを示すために、赤または水色の線で色分けされています（赤はスリットA、水色はスリットBを示します）。

ここまでは、この実験は従来の二重スリット実験と同様です。ただし、スリットの後では、自発的パラメトリック下方変換（SPDC）を用いて、もつれ合った二光子状態を生成します。これは、非線形光学結晶BBO（ベータバリウムホウ酸塩）​​によって行われ、この結晶は（どちらかのスリットから）光子を、元の光子の周波数の1/2の周波数を持つ、互いに直交偏光した2つの同一のもつれ合った光子に変換します。これらの直交偏光した光子の経路は、グラン・トンプソンプリズムによって分岐します。

これらの702.2  nmの光子のうちの1つ、いわゆる「信号」光子（グラン・トンプソンプリズムから上向きに伸びる赤と水色の線を参照）は、ターゲット検出器D ₀へと進みます。実験中、検出器D _{0はステッピングモーターによって制御され、} x軸に沿って走査されます。D _{0で検出された「信号」}光子のカウント数をxに対してプロットすることで、累積信号が干渉パターンを形成するかどうかを調べることができます。

もう一方のエンタングルした光子は「アイドラー」光子と呼ばれ（グラン・トンプソン・プリズムから下に向かって伸びる赤と水色の線を参照）、スリットAから来たかスリットBから来たかによって異なる経路をたどるプリズムPSによって偏向されます。

光路分岐点から少し進んだところで、アイドラー光子はビームスプリッターBS _a、BS _b、BS _{cに遭遇します。これらのビームスプリッターはそれぞれ}、アイドラー光子を通過させる確率が50%、反射させる確率が50%です。M _aとM _bは鏡です。

ビームスプリッターとミラーは、アイドラー光子を_D1 、D2、D3、D4とラベル付けさ_れた_検出器_に導きます。注意：

• 検出器D ₃でアイドラー光子が記録された場合、それはスリット B から来たものに違いない。
• アイドラー光子が検出器D4で記録された場合、それはスリットAから来たものに違いない_。
• アイドラー光子が検出器D1またはD2で検出された場合、それ_はスリットAまたはスリットBから来た可能性がある_。
• _スリットからD1、D2、_D3、_{D4までの光路長は}、スリットからD0までの光路長よりも2.5m長い。これは、アイドラー光子から得られる情報は_、そのエンタングルした信号光子から得られる情報よりも約8ナノ秒遅れることを意味する。  

D3またはD4によるアイドラー光子の検出は、_それとエンタングルしている信号光子がスリットAまたはBのどちらを通過したかを示す遅延した「経路情報」を提供する。一方、D1またはD2によるアイドラー光子の検出は、_{エンタングル}して_いる信号光子についてはそのような情報が得られないという遅延した情報を提供する。アイドラー光子から以前に経路情報が得られる可能性があった場合、その情報_は「遅延消去」を受けたと言われる。

同時計数計を用いることで、実験者は光ノイズから量子もつれ信号を分離し、信号光子とアイドラー光子の両方が検出された事象のみを記録することができた（8ナノ秒の遅延を補正した後）。図3および図4 を参照のこと。  

• _{実験者たちが、}D1またはD2で検出されたエンタングルドアイドラー_を持つ信号光子を調べたところ、干渉パターンが検出された。
• しかし、 D3またはD4で検出されたエンタングルドアイドラー_を持つ信号光子を調べたところ、干渉のない単純な回折パターンが検出された_。

意義

_{この結果は、位相値（R 01}またはR ₀₂ ）に基づいて干渉を抽出した場合に干渉が観測されるため、二重スリット実験の結果と類似している。ただし、光子の経路（光子が通過するスリット）が既知の場合は、位相を測定することはできないことに注意が必要である。

しかし、この実験が驚くべきものになり得る理由は、古典的な二重スリット実験とは異なり、アイドラーの経路情報を保持するか消去するかの選択が、信号光子の位置がD _{0によって測定され}てから 8ナノ秒後まで行われなかったことである。

D ₀における信号光子の検出は、_直接的にどの経路を通ったかという情報を提供しません。D 3 または D 4 におけるアイドラー光子の検出は、どの経路_を通ったかという情報を提供するため、D _{0における信号光子の同時検出サブセットでは干渉パターンは観測されません。同様に、} D ₁またはD ₂におけるアイドラー光子の検出は、どの経路を通ったかという情報を提供しないため、D ₀における信号光子の同時検出サブセットでは干渉パターンが観測されます。

言い換えれば、アイドラー光子は、そのもつれ合った信号光子がD ₀に到着してからずっと後に観測されるが、これは後者の光路が短いためである。しかし、D _{0での干渉は、信号光子のもつれ合ったアイドラー光子が、どの経路を通ったかの情報を保持する検出器 (} D ₃またはD ₄ )で検出されるか、どの経路を通ったかの情報を消去する検出器 ( D ₁またはD ₂ )で検出されるかによって決まる。

この結果を、アイドラー光子の経路を観測するかしないかの選択が遅れることで、過去の出来事の結果が変わることを意味すると解釈する人もいる。^{[ 22 ]}特に、干渉パターンはアイドラーが検出された後（つまり、 D1またはD2 ）にのみ観測のために引き出すことができることに注意さ_れたい。

D ₀におけるすべての信号光子の全体パターンは、そのもつれアイドラーが複数の異なる検出器に送られたため、アイドラー光子に何が起きようとも干渉は示さない。^{[ 23 ]}この仕組みは、 R ₀₁、R ₀₂、R ₀₃、R ₀₄のグラフを見て、R _{01のピークが}R ₀₂の谷と一致していること(つまり、2 つの干渉縞の間に π の位相シフトが存在すること) を観察することで理解できる。R _{03 は}単一の最大値を示し、実験的にR ₀₃と同一であるR ₀₄は同等の結果を示す。同時計数器の助けを借りてフィルタリングされたもつれ光子は、実験から得られる証拠の視覚的な印象を与えるために図 5でシミュレートされている。D ₀では、すべての相関カウントの合計は干渉を示さない。D ₀に到達するすべての光子を1つのグラフにプロットすると、明るい中央の帯だけが見えるだろう。 

Scarcelliら(2007) は、2 光子イメージング方式に基づく遅延選択量子消去実験について報告した。二重スリットを通過した光子を検出した後、その遠くにあるもつれ合った双子の光子を測定することによって、どの経路を通ったかの情報を消去するかをランダムに遅延選択した。その後、光子の粒子のような振る舞いと波のような振る舞いが、1 組の共同検出器によってそれぞれ同時に記録された。^{[ 30 ]}

Peruzzoら（2012）は、量子制御ビームスプリッターに基づく量子遅延選択実験について報告しており、この実験では粒子と波の挙動が同時に調査された。光子の挙動の量子性は、観測者の遅延選択を置き換えるベル不等式によって検証された。^{[ 31 ]}

Rezaiら(2018) はHong-Ou-Mandel 干渉と遅延選択量子消去器を組み合わせた。彼らは、干渉パターンが観測されないように、2 つの非互換性光子をビームスプリッターに投入した。出力ポートを統合的に監視 (つまり、すべてのクリックをカウント) すると、干渉は発生しない。出力光子の偏光解析を行い、適切なサブセットを選択した場合にのみ、Hong-Ou-Mandel ディップの形で量子干渉が発生する。^{[ 32 ]}

固体電子マッハ・ツェンダー干渉計（MZI）の構築により、量子消去実験の電子版にそれらを使用する提案がなされている。これは、検出器として機能する2番目の電子MZIとのクーロン結合によって実現される。^{[ 33 ]}

中性カオンのエンタングルペアも調査され、量子マーキングおよび量子消去技術を用いた調査に適していることがわかった。^{[ 34 ]}

改良型シュテルン・ゲルラッハ装置を用いた量子消去装置が提案されている。この提案では、同時計数は不要であり、追加のシュテルン・ゲルラッハ磁場を印加することで量子消去が実現される。^{[ 35 ]}

• 実験のプレゼンテーション
• 悪名高き遅延選択型量子消去装置
• 遅延選択型量子消去装置
• Trifonov, A.; Björk, G.; Söderholm, J.; Tsegaye, T. (2002). "量子消去の包括的な実験的検証". The European Physical Journal D . 18 (2): 251– 258. arXiv : quant-ph/0009097 . Bibcode : 2002EPJD...18..251T . doi : 10.1140/epjd/e20020030 . S2CID 119026478 . 
• マー・シャオソン。コフラー、ヨハネス。カリー、アンジー。テティク、ヌライ;シャイドル、トーマス。ウルシン、ルパート。ラメロウ、スヴェン。ハーブスト、トーマス。ラッチバッハー、ローター。フェドリッツィ、アレッサンドロ。ジェネウェイン、トーマス。ザイリンガー、アントン (2013)。「因果関係のない選択による量子消去」。米国科学アカデミーの議事録。110 (4 ) : 1221–1226.arXiv : 1206.6578 。Bibcode : 2013PNAS..110.1221M。土井：10.1073/pnas.1213201110。PMC 3557028。PMID 23288900。  
• 遅延選択量子消去実験の解説、YouTube（キムらによる実験解説は3分31秒から9分09秒まで）
• ファンクハウザー、ヨハネス (2019)。 「遅延選択量子消しゴムを飼いならす」。クアンタ。8 : 44–56。arXiv : 1707.07884 。​​ドイ: 10.12743/quanta.v8i1.88。S2CID 53574007。