妻が面白いと思って選んだ癖の中で、私は毎年 10 月の第 1 火曜日にいつもより早く起きる癖があります。それは、スウェーデン王立科学アカデミーがノーベル物理学賞の新しい受賞者を発表する時です。私はこの儀式を毎年約十数年間繰り返し、特定の発表を聞くことを待ち望んでいました.今年やっと届きました。
2022 年のノーベル物理学賞の受賞者であるアラン アスペクト、ジョン クラウザー、アントン ツァイリンガーは、量子もつれの研究のパイオニアであり、量子論の最も魅力的な特徴の 1 つです。アルバート・アインシュタインとその同僚は、1930 年代にこの概念を特定するのに役立ちましたが、その考えはあまりにも風変わりであり、真実ではないとして却下しました。 30 年後、物理学者のジョン ベルは、そのような奇妙に聞こえる動作を確認または除外する可能性のある実験的テストを設計するための独創的な方法を導入しました。
量子論では、2 つ以上の粒子が特定の方法で準備されている場合、それらの粒子が非常に離れて移動した後でも、それらの動作は相関関係を維持するはずであると予測されています。粒子 A のいくつかの特性を測定すると、ワム! — 粒子 B は、光年離れていても、特定の動作を示すはずです。さらに奇妙なことに、物理学者が異なる測定しても、粒子の特性は一致するはずです ペアの各メンバーに対してランダムに実行する測定を選択します。
ベルが念頭に置いていた実験は巧妙で、実行可能でもあるように思われました。巨大な粒子加速器を建設したり、巨大な新しい衛星を打ち上げたりする必要はありません。それでも、他の物理学者がベルの記事を引用するまでには何年もかかりました。
ベルに最初に手を差し伸べたのは、若いジョン・クラウザーでした。クラウザーは、大学院生として図書館で雑誌を閲覧しているときに、ベルの記事に出くわしました。読んだ内容に興奮した彼は、急いで博士号を取得しました。ベルが提案したタイプの実験を実施することを提案するスーパーバイザー。クラウザーの苛立ちに、彼の顧問は (間違いなく善意による) アドバイスを返しました:学位論文のより主流なトピックに固執し、絡み合いなどの「哲学的」トピックを追及しないでください。
それでもベルの考えは固まり、数年後、クラウザーがローレンス・バークレー国立研究所でポスドクの職に就く準備をしていたとき、彼はベルに手紙を書き、その間に他の物理学者がそのようなテストを実施したかどうかを尋ねました。ベルが後に思い出したように、クラウザーの手紙は、実験物理学者がベルの研究に興味を示した最初の例でした。ベルはすぐに答えました:クラウザーが量子予測とは異なる行動を測定することに成功した場合、つまりアインシュタインの予想とより一致した場合、それは「世界を揺るがす!」でしょう!
ベルの励ましと、志を同じくする数人の同僚からの批判的な意見により、クラウザーとスチュアート フリードマン (当時は大学院生) は、最初のベル テストの実施に着手しました。実験室でスペアパーツを探し回った後、彼らは何千もの粒子のペアに関するデータを収集し、量子論によって予測された相関挙動を正確に見つけました。彼らは 1972 年に主要なジャーナルに結果を発表しましたが、その後は… 何も発表しませんでした。翌年、ベルの研究への引用は、以前はほんの少しだったが、半分以下に減少した.一部の学術指導者は、絡み合いの調査が「実際の物理学」と見なされるかどうかを疑っていました。
大海を隔てたパリのすぐ外で、アラン・アスペクトも絡み合いに魅了されていました。クラウザーのように、彼は実験室でベル試験を行うことを熱望しました。彼の主な野望は、絡み合いの瞬間性に迫ることができる実験を行うことでした。彼は、ベルが働いていたジュネーブの CERN に巡礼し、そのような実験を行う価値があるかどうかをベル自身に尋ねました。ベルの最初の質問:「常勤職はありますか?」トピックはまだ余白で形作られています.
クラウザーのように、アスペクトは続けた。 1982 年に同僚と行われた名人実験で、アスペクトは測定装置に向かう途中で各粒子の経路を変更できる超高速スイッチを使用しました。スイッチは 1 秒間に 1 億回前後に変化しました。特定の粒子が向けられる検出器は、その粒子が飛行中に決定されました。さらに、2 つの測定ステーションは十分に離れていたため、両方の粒子の測定が完了する前に、アスペクトの実験の一方からの情報が他方に伝達される可能性はありませんでした。アスペクトと彼の同僚は、ほぼ 1 兆対の粒子を装置に送り、彼らもまた、量子理論が予測したとおりの不気味な相関関係を発見しました。
10年前のクラウザーの実験のように、アスペクトの美しい実験は、最初は皆肩をすくめた。次の数年間、彼は物理学の他の分野に集中しましたが、多くの同僚がもつれなどのトピックに無関心であることに不満を感じていました.
今年の 3 人目の受賞者であるアントン ツァイリンガーは、同じように粘り強さ、創意工夫、粘り強さを示しました。彼は何人かの同僚とともに、ベルの研究を 3 つ以上の絡み合った粒子の場合に拡張しました。 1990 年代に、彼と彼のグループは、絡み合った状態をテレポートすることに初めて成功し、特殊な相関挙動を 3 番目の粒子に移しました。その後すぐに、彼のグループは、粒子が 100 マイル離れて飛行した後でも、粒子間の明らかな相関関係を測定しました。
ツァイリンガーもまた、多くの同僚が絡み合いを脇役だと考えていたときでさえ、主張を続けました。実際、彼は何十年もの間、ベル テストを強化するために精力的に取り組み、さまざまな「抜け穴」に対処するためのいくつかの先駆的な実験を実施しました。
私の友人である Andy Friedman、Jason Gallicchio、Alan Guth、そして私は、Zeilinger と彼のグループと彼の最近の実験のいくつかでパートナーを組むことができて幸運でした。 「Cosmic Bell」テストでは、宇宙自体を乱数発生器のペアに変え、遠方の銀河からの光の一瞬の測定に基づいて、地球に結合した粒子に対して実行する測定を決定しました。私たちの目標は、Earthbound 粒子の挙動のパターンが、各粒子に対して実行される特定の測定について事前に取得された情報に追跡できないようにすることでした。
私たちのような実験の前は、絡み合った粒子の生成とそれぞれに対して実行する測定の選択との間の以前の相関関係が原因で、相関した測定結果が得られた可能性が残っていました。これは、生徒がクラスで配布される前夜にポップクイズのコピーを受け取ったようなものです。生徒は、どの特定の問題がどの順序で出題されるかを前もって知っています。
そのため、Zeilinger と私たちのチームは、遠く離れた銀河までの距離が非常に長いことを利用して、地球上でのエンタングルド粒子の生成を、どの測定を実行するかを決定するイベントから分離しました。最終的に、物理学者であると同時に交渉者としてのアントンの腕前のおかげで、カナリア諸島のラ・パルマ島にある美しい山頂の天文台で貴重な望遠鏡の時間を確保することができました。高赤方偏移クェーサーからの光を使用することで、そのような事前のポップクイズメカニズムが 80 億年以上前に発生する必要がないようにすることに成功しました。もつれについて熟考する。
驚くべきことに、Clauser、Aspect、および Zeilinger による成果は、世界がどのように機能するかについての難解な問題をはるかに超えています。今日、世界中で、量子情報科学の分野における研究支出は年間 10 億ドルを超えており、学術研究機関、政府機関、および産業界の取り組みにまたがっています。量子暗号や量子コンピューティングなどの次世代技術は、もつれを単なる好奇心ではなくリソースに変えることによって構築されています。
1世紀以上前に量子論の創造に貢献したマックス・プランクは、懐疑論者を説得することによって新しい科学的アイデアが勝利するわけではないと皮肉ったことで有名です.むしろ、プランクは、批評家は最終的には死に、かつては奇妙な概念に慣れ親しんでいるように見える新しい世代が成長すると主張した.ありがたいことに、Alain Aspect、John Clauser、Anton Zeilinger はそれほど長く待つ必要はありませんでした。それにもかかわらず、今週の彼らの特別な認識は、半世紀の旅の終わりを示しています.好奇心とスキルに突き動かされ、少し頑固さも交えながら、彼らは掘り下げ、ベストを尽くし、長い目で見失うことはありませんでした。 
David Kaiser は、マサチューセッツ工科大学の Germeshausen 教授であり、物理学と科学史を教えています。彼は著書で量子もつれとベル テストの歴史について書いています ヒッピーはどのように物理学を救ったか:科学、カウンターカルチャー、量子リバイバル.彼の最新の本は です 「まあ、Doc、あなたはいる」:Freeman Dyson の宇宙の旅。
リード アート:左から、Alain Aspect、John F. Clauser、Anton Zeilinger。 nobelprize.org 提供
