量子消しゴム実験

量子力学において、量子消しゴム実験は、量子もつれや相補性など、量子力学のいくつかの基本的な側面を実証する干渉計実験である。^{[1] [2] : 328}量子消しゴム実験は、トーマス・ヤングの古典的な二重スリット実験 のバリエーションである。光子が2つのスリットのどちらを通過したかを判断するアクションが取られた場合、光子は自分自身と干渉できないことが確立される。光子の流れがこのようにマークされると、ヤングの実験に特徴的な干渉縞は見られなくなる。この実験では、通過したスリットを明らかにするために「マーク」された光子が、後で「マークを外す」ことができる状況も作成されます。「マークを外された」光子は、再び自分自身と干渉し、ヤングの実験に特徴的な縞を復元します。^[3]

量子消しゴム実験は、1982年にマーラン・スカリーとカイ・ドリュールが論文「量子消しゴム：量子力学における観測と「遅延選択」に関する光子相関実験の提案」で、これまで検証されていない量子力学の予測を検証する実現可能な方法として提案した。この論文では、インスピレーションとして、ユージン・ウィグナーの測定問題への焦点、ウィリス・ラムとの会話、ジョン・アーチボルド・ホイーラーの思考実験について言及している。また、ホイーラーの思考実験で概念化された遅延選択モード、現在では遅延選択量子消しゴムとして知られているモードで実験を実行できることも指摘している。^[4]

この実験には、2 つの主要セクションを持つ装置が関係します。2 つのエンタングルされた光子が生成されると、それぞれが装置のそれぞれのセクションに向けられます。装置の二重スリット部分で検査されている光子のエンタングルされたパートナーの経路を知るために行われるすべての操作は、2 番目の光子に影響を及ぼし、その逆も同様です。実験装置の二重スリット部分で光子のエンタングルされたパートナーを操作する利点は、実験者が装置のその部分で何も変更せずに後者の干渉パターンを破壊または復元できることです。実験者はエンタングルされた光子を操作することでこれを行いますが、そのパートナーが光子エミッターと検出スクリーンの間のスリットやその他の実験装置の要素を通過する前でも後でも行うことができます。実験の二重スリット部分が干渉現象の出現を防ぐように設定されている状況では (「どの経路」かという明確な情報が存在するため)、量子イレイザーを使用してその情報を効果的に消去できます。そうすることで、実験者は実験装置の二重スリット部分を変更することなく干渉を復元します。^[3]

この実験のバリエーションである遅延選択量子消去法では、エンタングルメントされた粒子のパートナー（スリットを通過する粒子）が自分自身に干渉するかどうかが決まるまで、「どの経路」の情報を測定するか破壊するかの決定を遅らせることができる。^[5] 遅延選択実験では、量子効果は過去の出来事に対する将来の行動の影響を模倣することができる。^[6] しかし、測定行動の時間的順序は関係ない。^[7]

まず、光子が特殊な非線形光学装置であるベータバリウムホウ酸塩（BBO）結晶に照射されます。^[3] この結晶は、単一の光子を2つのより低い周波数のエンタングルメントされた光子に変換します。このプロセスは、自発的パラメトリックダウンコンバージョン（SPDC）として知られています。これらのエンタングルメントされた光子は別々の経路をたどります。1つの光子は偏光分解検出器に直接行き、2番目の光子は二重スリットマスクを通過して2番目の偏光分解検出器に進みます。両方の検出器はコインシデンス回路に接続されており、エンタングルメントされた光子ペアのみがカウントされるようにします。ステッピングモーターが2番目の検出器を動かしてターゲット領域をスキャンし、強度マップを作成します。この構成により、よく知られている干渉パターンが生成されます。

次に、円偏光子を二重スリットマスクの各スリットの前に配置し、一方のスリットを通過する光に時計回りの円偏光を生成し、もう一方のスリットに反時計回りの円偏光を生成します (図 1 を参照)。 (どのスリットがどの偏光に対応するかは、最初の検出器によって報告される偏光によって異なります。) この偏光は 2 番目の検出器で測定され、光子を「マーク」して干渉パターンを破壊します (フレネル - アラゴの法則を参照)。

最後に、エンタングルメント ペアの最初の光子の経路に直線偏光子を導入し、この光子に斜め偏光を与えます (図 2 を参照)。エンタングルメントにより、その相手に補完的な斜め偏光が確保され、二重スリット マスクを通過します。これにより、円偏光子の効果が変化します。それぞれが時計回りと反時計回りの偏光の混合を生成します。そのため、2 番目の検出器はどの経路が取られたかを判断できなくなり、干渉縞が復元されます。

回転する偏光子を備えた二重スリットも、光を古典的な波として考えることによって説明できます。^[8]しかし、この実験では古典力学と互換性のないもつれ光子を使用しています。

量子消去技術は、高度な顕微鏡の解像度を高めるために使用することができます。^[9]

この実験についてよくある誤解は、2 つの検出器間で情報を瞬時に通信するために使用できるというものです。^[10]しかし、単純な因果関係では、観察された結果に「与えられた」情報を押し付けることはできません。この実験設定におけるコインシデンス検出器の役割を理解することが重要です。上部のパスにある直線偏光子は、エンタングルされた光子の半分を効果的にフィルタリングし、コインシデンス検出器を介して、下部のパスにある対応する光子をフィルタリングします。コインシデンス検出器は、両方のセンサーからのデータを比較することによってのみ機能するため、この設定を瞬時の通信に使用することはできません。

言い換えれば、BBO 結晶を通過する光のごく一部だけがエンタングルされたペアに分割されます。結晶を通過する光子の大部分は分割されず、最終データ セットから不要なノイズとして除去する必要があります。検出器には光子がエンタングルされたペアの一部であったかどうかを測定する方法がないため、タイミングを見て、もう一方の検出器で「双子」と同時に検出されなかった光子をフィルタリングすることで、その決定が行われます。したがって、エンタングルされた光子のペアが生成され、2 つのうちの 1 つが偏光子によってブロックされて失われた場合、残りの光子は、エンタングルされていない多数の光子の 1 つであるかのように、データ セットからフィルタリングされます。このように見ると、2 つの測定値が比較され、データのフィルタリングに使用されるため、上部のパスに変更を加えると、下部のパスで取得された測定値に影響を与えることは驚くことではありません。

この実験セットアップの最終状態では、下側のパスでの測定では常に生データにぼやけたパターンが表示されることに注意してください。干渉パターンを見るには、コインシデンス検出器でデータをフィルタリングし、エンタングルメント ペアの 1/2 の光子だけを見る必要があります。

• 量子消しゴム実験のより技術的な分析
• Scientific American の記事: 自分で作る量子消去装置 - 注: SciAm オンライン購読者のみ