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ホイーラーの遅延選択実験は、ジョン・アーチボルド・ホイーラーが提唱した量子物理学における一連の思考実験を記述したもので、中でも最も有名なものは1978年と1984年に発表されたものである。[ 1 ]これらの実験は量子論の中心的な論点、「光子が入射点から最後の飛行の瞬間まで移動する過程全体において、光子に実体性を帰するのは誤りである」[ 2 ] : 184 を示している。
これらの実験は、量子挙動が実験装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ものである。この実験は、光子が粒子挙動から波動挙動へ、あるいはその逆へと挙動を変化させる可能性があるという抜け穴を塞ぐ。光子が「飛行」しているはずの後に装置を変更することで、この抜け穴は塞がれる。[ 1 ]
宇宙版の遅延選択実験では、数十億年前に放出された光子を使用します。結果は変わりません。[ 3 ]遅延選択の概念は、多くの示唆に富む実験を生み出してきました。[ 1 ]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、遅延選択量子消去器につながります。
ウィーラーの遅延選択実験は、相対性理論と矛盾しない粒子伝播モデルでは量子論を説明できないことを示している。[ 2 ]：184二重スリット実験と同様に、ウィーラーの概念では光源と検出器の間に2つの等価な経路が存在する。二重スリットのどちら側かを選択するバージョンと同様に、この実験は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ており、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における新しい要素は、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、検出の直前まで遅延される。目標は、実験の選択が行われる前に、伝播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ことを確実にすることである。[ 4 ]：967
ウィーラーの宇宙規模の思考実験では、数十億光年離れた銀河にあるクエーサーなどの光源が用いられます。これらの星の中には、重力レンズとして働き、地球から遠ざかる光線を地球に向かって曲げる巨大銀河の背後に位置することが知られています。その結果、星の像は2つでき、1つは直接像、もう1つは曲げられた像です。ウィーラーは、これら2つの経路間の干渉を測定することを提案しました。このような実験で観測される光は数十億年前に放出され、レンズを通過したものであるため、地球上での選択によって実験結果が変わることはありません。[ 1 ]
するとウィーラーはあえて反対意見を述べ、これらの実験結果が得られるということは、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放出された光子が遡及的に波として伝わることを決定し、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、その決定が数百万年と数分前に放出された光子に時間的に伝達され、光子が遡及的に粒子として伝わることを決定したことを意味するのではないかと示唆した。
ホイーラーの基本的なアイデアを実装するいくつかの方法が実際の実験で実現され、ホイーラーが予見した結論[ 1 ]、つまり光子が検出される前に実験装置の出口で行われることが干渉現象を示すかどうかを決定するという結論を裏付けています。
2つ目の実験は、通常の二重スリット実験に似ています。この実験の概略図を見ると、二重スリットの向こう側にあるレンズによって、それぞれのスリットからの光路は、レンズのすぐ近くで交差した後、わずかに離れていきます。その結果、各光子の2つの波動関数は、二重スリットから比較的近い距離で重ね合わさり、波動関数が重ね合わさっている領域内に検出スクリーンを設けると、干渉縞が見られます。この場合、特定の光子がどちらの二重スリットから来たのかを特定することはできません。しかし、検出スクリーンを取り除くと、それぞれの経路上の波動関数は振幅が徐々に小さくなる領域で重ね合わされ、それらの合計確率値は、それぞれの経路の中心における重ね合わされていない確率値よりもはるかに小さくなります。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%になります。望遠鏡1で光子が検出された場合、研究者はその光子を下側のスリットから出てきた波動関数と関連付けることができる。望遠鏡2で光子が検出された場合、研究者はその光子を上側のスリットから出てきた波動関数と関連付けることができる。この実験結果の解釈を裏付ける説明は、光子がスリットのいずれかから出てきたということであり、それで全てが終わるということである。光子はレーザーから始まり、スリットのいずれかを通過し、対応する望遠鏡まで直線経路をたどって到達したに違いない。
ウィーラーが受け入れない逆因果的説明によれば、検出スクリーンが設置されている場合、干渉が必ず現れるはずだという。干渉が現れるためには、2つのスリットそれぞれから光波が出ていなければならない。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自身と干渉するために、両方のスリットを通過する必要があると「判断」しなければならない。干渉が全く現れないためには、二重スリット絞りに入った単一の光子は、片方のスリットだけを通過すると「判断」しなければならない。そうすれば、適切な単一望遠鏡のカメラに光子が映るからだ。
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存在する状態で開始し、光子が二重スリットの絞りから出た直後にスクリーンを取り外すか、検出スクリーンがない状態で開始し、光子が絞りから出た直後にスクリーンを挿入するかのいずれかを選択できます。一部の理論家は、実験の途中でスクリーンを挿入または取り外すと、光子が以前に波として二重スリットを通過した場合でも、粒子として通過するように遡及的に決定したり、その逆を行ったりすることができると主張しています。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 つの理想化された実験 (顕微鏡、スプリットビーム、傾斜歯、放射パターン、1 光子偏光、および対になった光子の偏光) と同様に、相補的な観測モードの選択を課します。各実験において、我々は、探すべき現象の種類の選択を現象発生の最終段階まで遅らせる方法を見つけました。そしてそれは、その時点で我々がどのタイプの検出装置に固定するかによって決まります。この遅延は、実験予測に違いをもたらしません。この点において、我々が発見したことはすべて、ボーアのあの簡潔で意味深な一文に予見されていました。「…特定の実験装置によって得られる観測可能な効果に関して言えば、装置の構築や操作に関する計画を事前に固定するか、粒子がすでにある装置から別の装置へ移動している後の時点まで計画の完了を延期するかは、何の違いもありません。」[ 8 ]
ボームの量子力学解釈では、粒子は古典力学に従うが、その運動は量子ポテンシャルの付加的な影響下で行われる。例えば、中性子は古典的な粒子の場合と同様に、明確な軌道を持ち、2つのスリットのうちどちらか一方のみを通過し、両方を通過することはない。しかし、ボームの解釈における量子粒子は、それに関連する場と切り離すことができない。その場が量子特性を与える。遅延選択実験では、場に関連する波束が干渉計の両方の経路に沿って伝播するが、粒子を含むのは一方の波束だけである。中性子の場の側面が、2つの経路間の干渉の原因となっている。検出器の最終的な設定を変更して粒子特性を調べることは、中性子の場の側面を無視することに等しい。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]： 279
過去は確定しており、波として検出するための実験構成が到着時刻T 2で粒子を検出する構成に変更された瞬間T 1までの状態を維持します。T 1 で実験装置が変更されると、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古典的に運動し、粒子として検出される T 2 まで続きます。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回復します。過去は客観的な歴史として存在し、遅延選択によって遡及的に変更することはできません。量子ポテンシャルはシステムを定義する境界条件に関する情報を含んでいるため、実験装置の変更は量子ポテンシャルの変化に反映され、それが粒子のダイナミクスを決定します。[ 11 ]： 6.7.1
ジョン・ホイーラーによる遅延選択量子の可能性に関する最初の議論は、「法則なき法則」と題されたエッセイに掲載され、彼とヴォイチェフ・フーベルト・ズレクが編集した『量子論と測定』という本（182～213ページ）に収録されている。彼は、理解可能な現実を求めたアルバート・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・ボーアとの間の議論を繰り返すことで、自身の発言を始めた。ホイーラーは、アインシュタインとボーアが、後述する実験室実験の結果を探求したと指摘している。その実験では、光は半銀メッキと完全銀メッキの鏡で構成された長方形の配列の一方の角からもう一方の角まで進むことができ、その後、単一の経路で周囲を半分周してから出ていくだけでなく、周囲を両方向に周ってから、どちらかの出口から出ることを「選択した」かのように見える。この結果は光線だけでなく、単一の光子にも当てはまる。ウィーラーは次のように述べている。
アインシュタインとボーアが議論した干渉計 の実験は、理論的には、光子が単一の経路に沿って進むのか、常に2つの経路をたどるが時には1つの経路しか利用しないのか、あるいは全く別の現象が起こるのかを調べるために使用できるはずだった。しかし、「実験のランダムな実行中に、光子がそこに到達する直前に2枚目のハーフミラーを挿入する」と言う方が、そのような迅速な交換を行う方法を考案するよりも簡単だった。光の速度は速すぎるため、少なくとも実験室の範囲内では、機械装置でこの作業を行うことは不可能だった。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結果が発表された後、ジャックらは、自分たちの実験がウィーラーが提案した元のスキームに完全に準拠していると主張した。[ 12 ] [ 13 ]彼らの複雑な実験は、トリガーされたダイヤモンドN-Vカラーセンター光子発生器、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を含むマッハ・ツェンダー干渉計に基づいている。閉じた構成で測定すると干渉が見られたが、開いた構成で測定すると粒子の経路が決定され、干渉は不可能になった。
ホイ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の位置に到達するまでの短い時間内に2番目のビームスプリッターを挿入または取り外すことが実際的に困難であったため、最近まで実験室では実施できませんでした。この実験は、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で実現しました。これにより、装置を通過するのにかかる時間間隔が大幅に長くなります。一方の経路には、高電圧スイッチ、ポッケルスセル、およびグラン・トンプソンプリズムで構成される高速切り替え装置があり、この装置によってその経路を通常の目的地から迂回させ、事実上行き止まりにすることができます。迂回が作動している間は、その経路を通ってどちらの検出器にも何も到達しないため、干渉は発生しません。スイッチをオフにすると、経路は通常の動作に戻り、2番目のビームスプリッターを通過するため、干渉が再び発生します。この構成では、実際には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はありませんが、干渉が現れる状態から干渉が起こらない状態に切り替えることが可能になり、しかもそれは最初のビームスプリッターに入射した光と2番目のビームスプリッターから出射した光の間の時間間隔で行われます。光子が最初のビームスプリッターに波または粒子として入射することを「決定」していた場合、その決定を覆して別の形態でシステムを通過するように指示されなければならず、入射光子または最初のビームスプリッターに物理的なプロセスが伝達されることなく行われなければなりません。なぜなら、そのような伝送は光速であっても遅すぎるからです。ウィーラーによる物理的結果の解釈は、2つの実験のうち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、異なる経路をたどる波動関数の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を示す、というものです。一方の検出器では波動関数が互いに同位相となり、その結果、光子がその検出器に現れる確率は100%になります。もう一方の検出器では波動関数が180°位相がずれており、互いに完全に打ち消し合うため、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。[ 14 ]
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説明できる。重要なのは、重力レンズとして機能する巨大な恒星という第三の装置によって、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の配置に応じて、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、実験者が制御できる。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ていた。[ 15 ]
この実験を行う上での主な難点は、実験者が遠方のクエーサー間の2つの経路それぞれの長さを制御も把握もできないことである。経路の長さを時間的に一致させるには、一方の経路に遅延装置を用いる必要がある。そのためには、まず時間遅延を計算する方法を見つけなければならない。
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一つの提案は、クエーサーの特性と、ある信号特性の同一のイベントを識別する可能性にある。ウィーラーが推測の基礎として使用したツインクエーサーからの情報は、約14か月の間隔を置いて地球に届く。[ 16 ]光の量子を何らかのループに1年以上保持する方法を見つけるのは容易ではないだろう。
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通りの方法で検出できるように構成されている。1つ目の方法では、2つの光路が合流し、2つの波動関数が重なり合って干渉が生じる。2つ目の方法では、光子源からさらに離れた位置に移動し、2つの波動関数間の距離が干渉効果を示さないほど大きくなる。実験室における技術的な課題は、干渉効果を観測するのに適した位置に検出器スクリーンを挿入する方法、あるいはそのスクリーンを取り外して、スリットが存在する狭い空間領域からの光子のみを受光できる光子検出器を露出させる方法である。この課題を解決する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/オフを切り替えることで、スリットからの2つの光路の方向を単純に変更することである。2014年初頭現在そのような実験は発表されていない。
ウィーラーが提唱する宇宙実験には他にも問題点があるが、関係する光子が波になるか粒子になるかを「決定」した後、波動関数のコピーをある場所または別の場所に送り込むのに、それほど速い速度は必要ない。その作業を完了させるには、およそ10億年の時間がある。
干渉計実験の宇宙版は、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改良できる可能性がある。[ 17 ]： 66
ウィーラーの意図に従って二重スリット装置を用いて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ものである[ 18 ] 。
SETI研究用に設計された電波望遠鏡を利用できる研究者たちは、星間ウィーラー実験を実施する上での実際的な困難を明らかにした。[ 19 ]
遅延を機械的に作動させるのではなく、遅延選択実験の新しいバージョンでは、量子効果によって制御される 2 つの経路が設計されています。そして、実験全体では、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られます。この実験の手法は、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わかりました。しかし、長年にわたって、研究者が「単一量子の波動と粒子の二重性のますます洗練された実証」を提供するようになったため、非常に価値があることが証明されています。[ 20 ] [ 21 ]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る」のです。[ 22 ]
マニングらによる最近の実験では、ヘリウム原子を用いて標準的な量子力学の標準的な予測が確認された。[ 23 ]
巨視的な量子遅延選択実験が提案されている。2つ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。[ 24 ]
Ma、Zeilingerらは、 Wheelerの提案から生まれた実験の結果として判明したことを要約している。彼らは次のように述べている。
私たちの研究は、2つのもつれた光子間の相関が、一方の（システム）光子の「どちらの方向」の情報を示すか、あるいは干渉パターンを示すかは、他方の（環境）光子に対する測定の選択に依存することを実証し、確認しています。これは、空間的に分離可能な両側のすべての事象が実際に空間的に分離されている場合でも同様です。測定からずっと後、さらには空間的に分離された後でも、波動特性か粒子特性かを判断できるという事実は、量子現象を解釈するために、素朴で現実的なイメージ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々の観測で何が起こ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、相補的な変数に関するすべての情報が記録された後にのみ意味を持ちます。私たちの結果は、システム光子が明確に波動として振る舞うか、明確に粒子として振る舞うかのどちらかであるという見解は、光速を超える通信を必要とす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、そのような見解は完全に放棄すべきだと我々は考えている。[ 25 ]
遅延選択実験の概念は、量子物理学における一連の思考実験として始まり、1978 年にウィーラーによって初めて提案されました。[ 26 ] [ 27 ]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）性質または「波のような」（周波数または振幅を持つ）性質は測定できますが、両方を同時に測定することはできません。どの特性が測定されるかは、実験者が粒子を観測するための装置を使用するか、波を観測するための装置を使用するかによって異なります。[ 28 ]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で、光子が粒子としてのみ、または波としてのみ現れるように強制できると主張することができます。光子の検出は一般的に破壊的なプロセスです（非破壊測定については、量子非破壊測定を参照してください）。たとえば、光子は、そのエネルギーを受け取る光電子増倍管内の電子に吸収された結果として検出できます。その後、そのエネルギーは、その装置から「クリック」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ます。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において非常に局所化された点として現れます。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す指標となります。蓄積の結果、波の典型的な干渉パターンが生じる場合、光子は波として通過したと言えます（蓄積の様子を示すアニメーションについては、「二重スリット実験 §個々の粒子による干渉」を参照）。しかし、スリットの一方が閉じられている場合、またはスリットの前に2つの直交する偏光子が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であると説明できます。