Home大学院先进理工系科学研究科 教授 ホフマン ホルガ
罢别濒：082-424-7652
E-mail：hofmann ＊hiroshima-u.ac.jp
(注: ＊は半角@に置き換えてください)
本研究成果のポイント
- 1.二重スリットの干渉実験で光子が二つの同一のスリットを通过するとき、个々の光子はそれぞれ物理的に非局在化して通过することを実际に実証できる新しい実験方法を提案しました。
- 2.ポイントは、光子の偏光を二重スリットの経路のプローブとしたとき、干渉パターンの测定位置で、偏光の大きさが偏光の反転确率で测定される点にあります。その大きさは二つのスリット経路间での连続量のゆらぎとなるため、偏光反転の観测から光子の非局在化を実証することが可能となります。さらにこのゆらぎの大きさは干渉パターンの测定结果に依存して変化することもわかりました。
- 3.この结果は、広く一般に受け入れられている?干渉パターンを测定したら量子の経路は分からない?や?波と粒子の二重性?が厳密には正しくないことを示します。この提案は従来の统计的な量子测定とは全く异なり、物理量を定量的に测定する量子测定の新しい侧面を利用したものです。今后、量子情报技术をはじめ量子测定を必要とするあらゆる方面に利用されることが期待できます。
概要
量子力学の解釈は大いに议论の余地があり、未だに解决に至っていません。その一方で一般的に解釈の问题は、実験で解决できる问题ではない、とされています。しかし我々は理论的かつ物理的な考察によって、どのように二重スリットの経路情报が干渉を失わないように光子の偏光に変换されるのかを示し、干渉パターンの测定位置での偏光のランダムな反転を観测することによって、二重スリット通过时での连続量のゆらぎが测定可能になることを明らかにしました。光子の非局在化はそのゆらぎの大きさから実証することが可能です。さらに干渉パターンの测定结果に依存してゆらぎの大きさが异なることも分かりました。この结果は、広く一般的に受け入れられている?干渉パターンを测定したら量子の経路は分からない?や?波と粒子の二重性?が厳密には正しくないことを示しています。またこの方法は、従来の统计的な量子测定とは全く异なり、物理量を定量的に测定する量子测定の新しい侧面を利用したものです。量子情报技术をはじめ量子测定を必要とするあらゆる方面に利用されることが期待できます。
本研究成果はロンドン時間の2023年6月12日に学術誌?Quantum studies?のオンライン版に掲載されました。
掲载论文
- 論文タイトル：A possible solution to the which-way problem of quantum interference
- 着者：ホフマン ホルガ1※、松下 智悟1、黒木 骏一1、饭沼 昌隆1
- 所属：1：広島大学大学院先进理工系科学研究科
※：责任着者 - DOI:
背景
量子力学の解釈问题は、国际的にも大変多くの方に兴味を引き付けています。それは标準的な解釈であるコペンハーゲン解釈に物理的に未解明な谜があるにも関わらず、不确定性原理から実験的証拠が得られないと考えられているからです。例えば、?波と粒子の二重性?や?干渉パターンを测定したら量子の経路は分からない?などのコペンハーゲン解釈の考え方は広く受け入れられ、これらの考えに対する科学的かつ建设的な批判はほとんどありません。このような谜を解决するための别の手段として、コペンハーゲン解釈とは异なる解釈が提案されており、代表的な例としては、多世界解釈やパイロット波解釈などがあります。これらの解釈は魅力的な面を持つため、多くの方から支持を集めて活発な议论が行われています。しかしこれらの解釈の妥当性は実験で解决できるとは限らないため、今でも解釈问题に関する论争が続いています。その一方、コペンハーゲン解釈の未解明な问题への実験的な取り组みについては、现状ではそれほど多くありません。
【研究成果の内容】
二重スリットのどちらを通过したのか、干渉をほとんど壊さずに见るために、スリット通过时に光子の直线偏光を局所的に互いに逆方向にわずかに回転させた后、干渉パターンの测定位置での偏光回転の大きさを评価しました。その结果、回転の平均値はゼロですが、回転の大きさは偏光の反転确率で决まることが分かりました。偏光のランダムな反転はゆらぎを意味するため、その源泉は二つのスリット経路间での连続量のゆらぎになります。そのため、偏光反転の観测から光子の非局在化を実际に実証することが可能となります。さらにこのゆらぎの大きさは干渉パターンの测定结果に依存して変化することも分かりました。
干渉が强め合う测定位置では、ゆらぎの大きさはゼロとなり光子はスリット通过时に正确に二つに分裂します。测定位置が干渉の强め合う位置から离れていくとゆらぎが连続的に大きくなり、干渉の强め合いと弱め合いが起こらない位置では１になります。これは粒子のようにスリットのどちらか一方を通过することを示します。さらに测定位置が干渉の强め合う位置からさらに离れて弱め合う位置に近づくと、ゆらぎは1を超えます。つまり一方のスリットでは１个を超える数の光子、もう一方ではマイナスの数の光子にゆらぐことになります。このゆらぎは起こる频度の低い干渉の弱め合う位置で観测されることになります。
この结果は、広く一般的に受け入れられている?干渉パターンを测定したら量子の経路はわからない?や?波と粒子の二重性?が厳密には正しくないことを示します。この成果は、従来の统计的な量子测定とは全く异なり、物理量を定量的に测定する量子测定を利用し、物理的考察を突き詰めることによって、初めて得られました。
今后の展开
今后、量子情报技术をはじめ量子测定を必要とするあらゆる方面に利用されることが期待できます。しかしその一方、今回の结果は、二重スリットでの経路のゆらぎは干渉パターンの测定で初めて决まることを意味しています。これはエンタングルメントの议论で良く见られる因果律に関する量子力学の基础的な疑问と同じものです。その意味で今回の成果は、量子力学のあらゆる基础问题に取り组むための出発点ともなりえます。
参考资料
図１：想定したセットアップ
入力光子の偏光は最初に水平方向にそろえておく。スリット间隔dの二重スリットには偏光回転素子が置かれており、光子の进行方向に対して左侧のスリットを通过した光子は偏光を+θだけ回転、右侧のスリットを通过した光子は偏光を-θだけ回転させる。スクリーン上のある测定位置で光子が検出されるとき、偏光は水平方向のみから垂直方向へのランダム反転によってゆらいでいる。このゆらぎは二重スリット通过时での経路のゆらぎに対応し、このゆらぎが连続量になることから非局在化を実証することが期待できる。
図２：経路のゆらぎの予想
青色の実线は経路のゆらぎの予想结果を、オレンジ色の点线は、スクリーン上での干渉パターンを示す。グラフの横轴は干渉パターンでの位置xを表すが、横方向运动量px?p0 x?Lに换算している。干渉が强め合う位置ではゆらぎはゼロとなり、干渉が强め合いと弱め合いの両方が寄与しない位置ではゆらぎは１となり、干渉が弱め合う位置ではゆらぎは１を超える。
【お问い合わせ先】
