アルバート・アインシュタインが「遠く離れた不気味な行動」と呼んだものを回避することはできないかもしれません.今日 Physical Review Letters に記載されている実験で — 星の光を利用して、ウィーンの建物の間で発射された粒子の測定を制御するという偉業 — 世界をリードする宇宙論者と量子物理学者の何人かが、「量子もつれ」に代わる興味深い代替手段への扉を閉じようとしています。
「技術的には、この実験は本当に印象的です」と、もつれに関するこの抜け穴を研究しているジュネーブ大学の量子物理学者であるニコラス・ギシンは言いました。
標準的な量子論によれば、粒子には明確な状態はなく、あるものであるか別のものであるかの相対的な確率のみが存在します。さらに奇妙なことに、2 つの粒子が相互作用すると、それらは「もつれ」、個々の確率を脱ぎ捨て、両方の粒子を一緒に記述するより複雑な確率関数の構成要素になる可能性があります。この関数は、もつれた 2 つの光子が垂直方向に偏光していることを指定する場合があります。この場合、光子 A が垂直方向に偏光し、光子 B が水平方向に偏光している可能性があり、反対の可能性があります。 2 つの光子は光年離れて移動できますが、それらはリンクされたままです。光子 A が垂直に偏光されていることを測定すると、光子 B の状態が少し前に特定されておらず、その間を移動する信号がなかったとしても、光子 B は瞬時に水平偏光になります。 .これは、アインシュタインが 1930 年代と 40 年代に量子力学の完全性に反対する議論で懐疑的だったことで有名な「不気味な行動」です。
1964 年、北アイルランドの物理学者ジョン ベルは、この逆説的な概念をテストする方法を見つけました。彼は、誰も見ていないときでも粒子が明確な状態を持っている場合 (「リアリズム」として知られる概念)、実際に光よりも速く移動する信号がない場合 (「局所性」)、相関の量に上限があることを示しました。 2 つの粒子の測定状態の間で観測できます。しかし実験では、もつれた粒子はベルの上限よりも相関性が高く、局所的なリアリズムよりも急進的な量子世界観が支持されることが何度も示されています。
ただ問題があります。局所性とリアリズムに加えて、ベルは彼の式を導き出すために別の微妙な仮定を作成しました。これは、何十年もの間ほとんど無視されてきました。マサチューセッツ工科大学のアンドリュー・フリードマンは、新しい論文の共著者である「ベルの定理に関連する 3 つの仮定は、局所性、リアリズム、自由です」と述べています。 「最近、ほんの少しの自由を放棄することで、局所性とリアリズムを維持できることが発見されました。」これは「選択の自由」の抜け穴として知られています。
ベル テストでは、絡み合った光子 A と B が分離され、遠く離れた光変調器 (変調器が光子の偏光方向に沿って配置されているか逆に配置されているかによって、光子をブロックするか、検出器に通過させるデバイス) に送信されます。ベルの不等式は、局所的に現実的な宇宙で、光子 A と B の両方が変調器を通過して検出される頻度に上限を設けます。 (研究者は、絡み合った光子がこれよりも頻繁に相関し、制限に違反していることを発見しました。) 重要なことに、ベルの式は、2 つの変調器の設定がテスト対象の粒子の状態とは無関係であることを前提としています。実験では、研究者は通常、乱数発生器を使用してデバイスの向きの角度を設定します。ただし、変調器が実際には独立していない場合 (自然が何らかの方法で選択可能な設定を制限し、これらの設定を実験が行われる前の瞬間の粒子の状態と相関させている場合)、この自由度の低下は、通常起因する結果を説明する可能性があります。量子もつれへ。
フリードマン氏によると、宇宙は 10 種類のメニューがあるレストランのようなものかもしれません。 「あなたは 10 種類のうちどれでも注文できると思っているのですが、『鶏肉が足りません』と言われて、実際にメニューにあるのは 5 種類だけです。残りの 5 つから選択する自由はまだありますが、自由度を過大評価していました。」同様に、彼は、実験を設定する際に「未知数、制約、境界条件、保存則が存在する可能性があり、最終的に選択を非常に微妙な方法で制限する可能性がある」と述べ、ローカルリアリズムの違反に見える.
この抜け穴の可能性は 2010 年に勢いを増し、現在はオーストラリアのグリフィス大学の Michael Hall が、選択の自由を減らす定量的な方法を開発しました。ベル テストでは、測定デバイスには 2 つの可能な設定 (1 ビットの情報に対応する:1 または 0) があるため、それらが完全に独立している場合、設定を指定するには 2 ビットの情報が必要です。しかし、Hall は、設定が完全に独立していない場合 (22 回の実行ごとに 1 つのビットのみがそれらを指定する場合)、22 回の実行で使用可能な測定設定の数が半分になることを示しました。この選択の自由の減少は、ベルの限界を超えるほど測定結果を相関させ、量子エンタングルメントの錯覚を生み出します。
自然が自由を制限する一方で局所的なリアリズムを維持する可能性があるという考えは、情報と時空の幾何学との間の新たなつながりを考慮すると、より魅力的になっています。たとえば、ブラック ホールに関する研究は、時空ボリュームの重力が強いほど、その領域に格納できるビット数が少なくなることを示唆しています。ベル テストで可能な測定設定の数が重力によって減少し、ひそかに宇宙のメニューからアイテムがヒットする可能性はありますか?
フリードマン、アラン・グース、MIT の同僚たちは、数年前、ウィーン大学の有名なベル テスト実験者であるアントン ツァイリンガーが訪問したとき、そのような憶測を楽しませていました。 Zeilinger はまた、選択の自由の抜け穴にも目を向けていました。彼らと共同研究者は、局所的なリアリズムを欠く宇宙と自由を制限する宇宙を区別する方法についてのアイデアを開発しました。
計画された一連の「宇宙ベル テスト」実験の最初の実験で、チームは、ウィーンの Zeilinger 研究室の屋上から、他の 2 つの建物の開いた窓を通して光変調器に光子のペアを送信し、通常どおり、同時検出を集計しました。しかし今回は、変調器の設定が、各測定の前の瞬間に光子の状態と何らかの形で相関する可能性を低くしようとしました。彼らは各窓の外に望遠鏡を向け、各望遠鏡を明るく都合のよい位置にある (ただしそれ以外はランダムな) 星に合わせ、各測定の前に、各星から入ってくる光子の色を使用して、関連する変調器の角度を設定しました。これらの光子の色は、数百年前に星を離れたときに決定されたため、測定される光子の状態とは (したがって測定設定も) 独立している可能性が高くなります。
それでも科学者たちは、測定結果が依然としてベルの上限に違反していることを発見し、実験の偏光光子が遠方で不気味な作用を示すという確信を高めました。
自然は依然として選択の自由の抜け穴を悪用することができますが、宇宙は測定が行われる少なくとも600年前に可能な測定設定のメニューから項目を削除しなければなりませんでした（2つの星の近い方が地球に光を送ったとき） . 「シェイクスピアが『この確かな不確実性を知るまでは、提供された誤謬を楽しませてくれる』と書く前でさえ、相関関係を確立する必要があります」とホールは言いました。
次に、チームは、ますます遠ざかるクエーサーからの光を使用して測定設定を制御し、時間をさかのぼって調査し、宇宙にさらに小さなウィンドウを与えて、将来のデバイス設定間の相関関係を作り上げ、自由を制限することを計画しています.また、測定設定が無相関になり、ベルの限界の違反がなくなる遷移点をチームが見つける可能性もあります (非常にありそうにありません)。これは、アインシュタインが不気味な行動を疑ったことが正しかったことを証明するでしょう.
「私たちにとっては、ウィンウィンのようなものです」とフリードマンは言いました。 「抜け穴をますます塞いで、量子論に自信を持てるようにするか、新しい物理学を指し示す可能性のある何かを見つけます。」
多くの物理学者が嫌う最終的な可能性があります。宇宙は最初から選択の自由を制限していた可能性があります。すべての測定値は、ビッグバンで確立された相関関係によって事前に決定されていたのです。これが呼ばれる「超決定論」は「知ることができない」とスウェーデンのリンショーピン大学の物理学者である Jan-Åke Larsson は述べた。宇宙ベルのテストクルーは、空に星、クエーサー、またはその他の光が存在する前に存在した相関関係を排除することはできません.つまり、選択の自由の抜け穴を完全に塞ぐことはできません。
しかし、量子エンタングルメントと超決定論のどちらを選択するかを考えると、ほとんどの科学者はエンタングルメントを支持し、それとともに自由も支持します。 「（ビッグバンで）相関関係が実際に設定されている場合、すべてが事前に定められています」とラーソンは言いました。 「退屈な世界観だと思います。これが本当だとは信じられません。」
