科学の進歩は、より良い測定と切り離すことはできません.
1927 年以前は、人間の創意工夫だけが、物を測定する精度を制限しているように見えました。その後、Werner Heisenberg は、量子力学がいくつかの同時測定の精度に根本的な限界を課していることを発見しました。たとえば、粒子の位置を正確に特定すればするほど、その運動量について確信が持てなくなる可能性があります。ハイゼンベルグの不確実性原理は、完全に認識可能な世界という夢に終止符を打ちました。
1980 年代に、物理学者は量子の不確実性の雲の周りに銀色の裏地を垣間見始めました。彼らが学んだ量子力学は、測定を妨げるのではなく、測定を支援するために活用することができます。これは、量子計測学として知られる成長分野のテーゼです。 2019 年、重力波ハンターは、量子スクイーズと呼ばれる量子計測技術を使用して、LIGO 検出器の感度をなんと 40% も向上させました。他のグループは、弱い磁場を正確に測定するために量子もつれの現象を利用しています。
しかし、量子力学を利用して精度を向上させるための最も物議を醸す直感に反する戦略は、事後選択と呼ばれます。このアプローチでは、研究者は、関心のあるシステムに関する情報を運ぶ光子または光の粒子を取得し、それらの一部を除外します。このフィルタリングを生き残った光子が検出器に入ります。過去 15 年間、ポストセレクションを使用した実験では、距離と角度が非常に正確に測定されており、光子を破棄することが何らかの形で有益であることを示唆しています。トロント大学の大学院生である Noah Lupu-Gladstein は、次のように述べています。
今回、Lupu-Gladstein と 6 人の共著者は、選択後の測定における利点の原因を突き止めました。 Physical Review Lettersに掲載が認められた論文 、彼らは、ハイゼンベルグの不確定性原理のために計算で生じる負の数への利点を追跡します — 皮肉なことに、他の文脈で測定精度を制約する同じ規則.
研究者は、新しい理解が量子物理学の異なる分野間のリンクを築き、高感度の光子検出器を使用する実験で役立つ可能性があると述べています.
フランスのリール大学の数理物理学者で、この研究には関与していない Stephan De Bievre 氏は、この論文は「非常に興味深い」と述べています。 「それは、一種の抽象的なものであるこの否定性を、具体的な測定手順に結びつけます。」
作業負荷の軽減
量を非常に正確に測定するために、物理学者はしばしば位相シフトと呼ばれる波のピークのシフトを探します。たとえば、通過する重力波が時空を短時間ゆがめたことを示す、2 つの鏡の間の変化する距離を決定したいとします。彼らはまず、ミラーの間を行ったり来たりするレーザービームを送り込みます。 1 つのミラーの変位は、レーザー光のピークをシフトします。次に、物理学者は、システムを出る光を検出することによって、この位相シフトを測定します。
しかし、光は個々の光子で構成されており、集合的に波のように振る舞うだけです。物理学者が検出する各光子は、光の位相シフト (したがってミラーの変位) に関する不完全な情報を提供します。したがって、正確な推定には、個々の光子の多くの測定値を平均化する必要があります。量子計測の目標は、光子ごとに得られる情報を増やすことで作業負荷を軽減することです。
ポストセレクションがこれをどのように達成するかは謎でした。新しい論文はその方法を示しています。
負のチャンス
量子力学では、粒子を定義する方程式は、粒子がどこにあるのか、正確にどのくらいの速さで進んでいるのかを正確に示しているわけではありません。代わりに、粒子を観測できる位置の確率分布と、その運動量の可能な値の別の確率分布が得られます。ただし、ハイゼンベルグの不確定性原理により、位置と運動量 (およびその他の特性のペア) を正確に同時に測定することができないことを思い出してください。つまり、2 つの確率分布を乗算して、位置と運動量のさまざまな組み合わせの可能性を表す「同時確率分布」を取得することはできません。これは、古典的な確率論で可能な方法です。 「2 つの観測量の同時確率を定義しようとすると、すべてが崩壊します」と De Bievre 氏は述べています。
代わりに、量子確率はより複雑な方法で組み合わされます。 1933 年にアメリカの物理学者ジョン・カークウッドと 1945 年にイギリスの物理学者ポール・ディラックによって独自に導き出された 1 つのアプローチは、確率は正の数でなければならないという通常の規則を破ることによって、量子特性のさまざまな組み合わせの確率を定義します。 Kirkwood-Dirac の「準確率」分布では、あたかもいくつかの特性の組み合わせが発生する可能性が低いかのようです。
2020 年、ケンブリッジ大学の David Arvidsson-Shukur、現在はメリーランド大学の Nicole Yunger Halpern、および他の 4 人の理論家が、Kirkwood-Dirac 分布を使用した量子計測実験を記述するためのフレームワークを開発しました。これにより、彼らは選抜後の量子的優位性がどのように生じるかを探ることができました。
その後、Arvidsson-Shukur と Yunger Halpern は、トロントの実験家と協力して、モデルをさらに発展させました。新しい論文では、Kirkwood-Dirac 分布の負性と、事後選択による実験で検出された光子ごとに得られる情報との間の定量的関係を導き出しました。彼らは、負性がなければ、つまり、光子の測定された特性が不確実性原理によって関連しておらず、したがってカークウッド・ディラック分布が正のままである場合、事後選択には利点がないことを示しました。しかし、ネガティビティの度合いが高い場合、情報ゲインが急増します。基本的には、後選択された単一の光子のみを使用して、どんなに小さくても位相シフトを解決できます。
このアイデアを実験でテストするために、研究者は薄い石英スラブを通してレーザーを送り、スラブの角度に応じて光子の偏光を回転させました。目標は、その角度を正確に推定することでした。物理学者は、偏光に敏感な光学部品を使用して光子をフィルタリングし、偏光に基づいて検出器に出し入れします。
位置と運動量のように、偏光の異なる方向は不確実性原理によって関連付けられます:光子が x に沿ってどのように偏光しているかをより正確に測定します。 -軸、たとえば、y に沿った分極の確実性が低くなります。 -軸。光学部品の軸を相互に回転させることにより、実験者は測定の不確実性を変化させ、カークウッド-ディラック分布の負性を変化させることができました。回転は、どのフォトンが事後選択されるかにも影響を与えました。
多くの異なる構成で実験を繰り返すことにより、彼らは、理論が予測したように、検出された各光子から得られたスラブの角度に関する情報が、負度の程度に比例して増加することを示しました.
フリーランチなし
負性を最大化すると、個々のフォトンがより有益になりますが、事後選択されるフォトンが少なくなることも意味します。光子が選択後に生き残る確率は、Kirkwood-Dirac 分布の要素の合計に依存します。負性が高い分布では、負と正の準確率がほぼ相殺され、検出器に到達する光子はほとんどありません。検出された光子あたりの情報の増加とそのような光子の減少との間のこのトレードオフにより、事後選択によって、実験ですべての光子によって運ばれる情報の総量が増加しないことが保証されます。 Lupu-Gladstein 氏は次のように述べています。
それでも、一部の実験では、事後選択を使用してすべての関連情報を一握りの光子に集中させることでメリットが得られます。最先端の検出器は、一度に多くの光子にさらされると過負荷になることがよくあります。事後選択は、これらの検出器が処理できる弱い光を強化するのに役立ちます.
オレゴン大学の量子物理学者であるマイケル・レイマーは、「この研究は、光学測定の感度に関する新しい洞察を提供する」と述べています。しかし、彼は、ポストセレクションの利点の起源を解釈する別の方法があるかもしれないと警告している.
最近、Yunger Halpern と他の理論家は、Kirkwood-Dirac の負性が、量子熱力学やブラック ホールでの高速情報スクランブルなど、計測学以外のコンテキストでも量子動作の根底にあることを示しました。研究者たちは、これらのドメイン間の橋渡しがさらなる洞察や計測上の利点を促進する可能性があると述べています。
「この研究に対する私の主な希望の 1 つは、ブラック ホールを研究している人々が計測学について何かを言うための水門を開くことです」と Lupu-Gladstein 氏は述べています。
