ルイス・キャロルの有名な子供向け小説 不思議の国のアリス 、 アリスはチェシャ猫に出会いますが、チェシャ猫は姿を消し、にやにや笑いだけを残します。現在、物理学者は、オブジェクト (中性子) をその物理的特性 (磁性) から分離することにより、ネコ科の量子バージョンを作成しました。この実験は、弱測定と呼ばれる手法を使用して量子力学がさらに奇妙になる最新の例であり、研究者に正確な測定を実行するための奇妙な新しい実験ツールを提供する可能性があります.
量子物理学では、小さな粒子が同時に反対の条件または状態になることがあり、これは重ね合わせとして知られる特性です。たとえば、電子は文字通り同時に反対方向にスピンすることができます。ただし、スピンを測定しようとすると、その状態が「崩壊」し、電子がどちらかの方向に回転していることがわかります。これは、量子論では一般に、粒子の状態を変更せずに測定することを禁じているためです。少なくとも通常はそうです。
しかし1988年、イスラエルのテルアビブ大学の理論家であるYakir Aharonovと同僚は、いわゆる弱い測定によって、それらを乱すことなく繊細な量子状態を測定する方法を夢見ていました.もちろん、代償はあります。弱い測定では、個々の粒子について何も明らかにすることはできませんが、すべて同じ状態にある多くの粒子の動作のみを明らかにすることができます。また、粒子を最初から適切な状態にするだけでなく、最終的に特定の異なる状態にある粒子のみを選択する必要があるため、実験全体を遡及的に分析する必要があります。それにもかかわらず、微弱な測定値は、通常の測定値ではできない現象を調べることができ、昨年 11 月、アハロノフと同僚は、それらを使用して量子チェシャ キャットを実現する方法を説明しました。
これがアイデアです。すべて同じ方向 (たとえば右方向) に磁化された中性子ビームが、中性子干渉計と呼ばれる装置に入ります (図を参照)。ビームはビームスプリッターに当たり、巨視的なビームだけでなく、各中性子を表す量子波も分割します。そのため、ビーム スプリッターの後では、各中性子は奇妙な量子状態にあります。経路 1 では右に偏極し、経路 2 では右に偏極しています。 これが「事前選択」状態です。異なる経路をたどった後、波は 2 番目のビーム スプリッターで再結合し、互いに干渉するため、中性子はすべて 2 つの「ポート」の 1 つである光ポートから干渉計を出ます。
さて、ここで物事が奇妙になります。実験者は、中性子が経路 1 では右に偏極し、経路 2 では左に偏極している場合に、フィルターのように機能する 2 番目のビーム スプリッターの前にいくつかのガジェットを設置します。 —「選択後の状態」—代わりにダークポートから出てきます。各中性子はその状態にないため、これは不必要に聞こえるかもしれません。ただし、2 つの状態には共通部分があります—パス 1 では、右に分極化 —そして、その重複により、この選択後の状態を除外しようとするだけで、ダーク ポートから中性子が確実に出てきます。
これらの事後選択されたイベントだけを見ると、中性子が経路 1 を通過したことは確実であると言えます。これは、事前選択された状態と事後選択された状態の重複する部分のみが経路 1 のものであるためです。磁気を測定すると、すべての磁気が経路 2 にあることがわかります。これは、磁気がそこにあることを知るには、本質的に中性子の分極を反転させる磁場を適用する必要があるためです。したがって、測定後、変更された事前選択状態と事後選択状態の同一の部分は、パス 2 のものです。
伝統的な解釈は、議論全体が無意味だというものです。中性子検出器で経路 1 に到達すると、その測定によって元の量子状態が変化するため、代わりに経路 2 で磁気を測定した場合に何が見えるかについて推測することは無意味になり、その逆も同様です。しかし、アハロノフの理論によれば、中性子の状態を変化させないように、測定は弱く行うことができました。 arXiv プレプリント サーバーに投稿された論文で報告されているように、それはまさにウィーン工科大学の長谷川雄二とその同僚が行ったことです。
フランスのグルノーブルにある Institut Laue-Langevin の中性子干渉計を使用して、研究者は中性子の数パーセントしか吸収しない吸収体を挿入しました。彼らがそれをパス 2 に入れたとき、ダークポートを出る中性子の割合は同じままでした。彼らがそれを経路 1 に入れると、数が減少し、選択後の状態の中性子が経路 1 を通過することが証明されました。次に、小さな磁場を適用して、中性子の分極をわずかに回転させ、干渉パターンを摂動させました。フィールドがパス 1 に適用された場合、効果はありませんでした。しかし、経路 2 では、ダーク ポートを出る中性子の数が変化し、中性子の磁気がすべて経路 2 にあることが証明されました。したがって、猫 (中性子) はその笑顔 (その磁気) から分離されました。
この実験は、「量子現象の直感に反する性質をよりよく理解するのに確実に役立つだろう」と、実験には関与していないイギリスのブリストル大学の理論家、サンドゥ・ポペスクは言う。奇妙な量子現象は、より正確な測定を行うのに役立つかもしれないと彼は言います。一部の物理学者は、ニュートンの重力の法則が 1 mm 程度よりも短い距離でも正しいかどうかをテストしています。デリケートな実験は、無関係な電磁効果によって混乱する可能性があります。しかし、研究者が中性子の質量をその磁気から分離できれば、電磁的な影響を受けずに重力の影響を研究できるかもしれないと、カナダのトロント大学の実験者である Aephraim Steinberg は述べています。
