あなたがそれを見なければ、月は必ずしもそこにあるとは限りません。何が存在するかは、何を測定するかに依存すると述べている量子力学もそうです。現実を証明するには、通常、難解な確率を比較する必要がありますが、中国の物理学者はより明確な方法でその点を指摘しています。彼らは、2 人のプレーヤーが量子効果を利用して毎回勝つマッチング ゲームを実行しましたが、測定値が単に現実が存在することを明らかにするだけでは、これは不可能です。
「私の知る限り、これはこれが起こる最も単純な[シナリオ]です。オタワ大学の量子情報科学者であるアン・ブロードベントは、次のように述べています。 「私たちは、古典的な同等物がないものを観察しています。」
量子粒子は、同時に 2 つの相互に排他的な条件で存在できます。たとえば、少なくとも測定されるまでは、光子内の電場が垂直方向、水平方向、またはその両方に同時にうごめくように、光子を偏光させることができます。双方向状態は、垂直または水平のいずれかにランダムに折りたたまれます。重要なのは、双方向状態がどのように崩壊したとしても、観察者は、測定値が光子がすでにどのように偏光されているかを明らかにするだけであると仮定することはできません.分極化は測定によってのみ現れます。
その最後のビットは、光子の偏光のようなものは測定されるかどうかに関係なく値を持つべきだと考えていたアルバート・アインシュタインを怒らせました。彼は、双方向の状態がどのように崩壊するかを決定する「隠れた変数」を粒子が運ぶ可能性があることを示唆しました。しかし、1964 年に英国の理論家ジョン ベルは、エンタングルメントとして知られる現象を利用して、そのような隠れた変数が存在しないことを実験的に証明する方法を発見しました。
2 つの光子が絡み合って、それぞれが不確実な双方向の状態になることがありますが、それらの偏光は相関しているため、一方が水平であれば他方は垂直でなければならず、逆もまた同様です。エンタングルメントの調査はトリッキーです。そのためには、アリスとボブがそれぞれ測定装置を持っている必要があります。これらのデバイスは個別に向きを変えることができるので、アリスは自分の光子が水平または垂直に偏光されているかどうかをテストでき、ボブは検出器をある角度だけ傾けることができます。検出器の相対的な向きは、測定値がどの程度相関しているかに影響します。
ベルは、アリスとボブが多くの測定で検出器をランダムに配置し、結果を比較することを想像しました。隠れ変数が光子の偏光を決定する場合、アリスとボブの測定値の間の相関関係は非常に強くなります。しかし、彼は、量子論がそれらをより強くすることを可能にすると主張した.多くの試行で統計的にのみではありますが、多くの実験でこれらのより強い相関関係が確認され、隠れた変数が除外されました。
現在、南京大学の物理学者である Xi-Lin Wang と Hui-Tian Wang とその同僚は、マーミン-ペレス ゲームを通じて、この点をより明確に示しています。ゲームの各ラウンドで、アリスとボブは 1 組ではなく 2 組の絡み合った光子を共有し、好きな測定を行います。また、各プレーヤーには 3 x 3 のグリッドがあり、その測定結果に応じて、その中の各マスに 1 または -1 が入ります。各ラウンドで、審判はランダムにアリスの行の 1 つとボブの列の 1 つを選択します。これらは 1 つの正方形で重なっています。アリスとボブがそのマスに同じ数字を持っている場合、彼らはラウンドに勝ちます.
簡単そうに聞こえますが、アリスとボブはすべてのマスに 1 を置き、勝利を保証します。そんなに早くない。追加の「パリティ」ルールでは、Alice の行のすべてのエントリを 1 に乗算し、Bob の列の下のエントリを -1 に乗算する必要があります。
隠し変数が測定結果を事前に決定する場合、アリスとボブはすべてのラウンドに勝つことはできません。非表示変数の可能な値の各セットは、-1 と 1 で既に埋められているグリッドを効果的に指定します。実際の測定結果は、アリスがどれを選ぶべきかを伝えるだけです。ボブも同じです。しかし、鉛筆と紙で簡単に示されるように、アリスとボブの両方のパリティ ルールを満たす単一のグリッドはありません。したがって、それらのグリッドは少なくとも 1 つの正方形で一致している必要があり、平均して、9 ラウンド中最大 8 勝することができます。
量子力学により、常に勝つことができます。そのためには、1990 年にコーネル大学の理論家 David Mermin とイスラエル工科大学の元理論家 Asher Peres によって考案された一連の測定値を使用する必要があります。アリスは、レフリーによって指定された行の正方形に関連付けられた測定を行い、ボブは、指定された列の正方形の測定を行います。エンタングルメントは、キー スクエアの数に同意し、測定値もパリティ ルールに従うことを保証します。測定が行われるときにのみ値が現れるため、スキーム全体が機能します。 Alice と Bob が決して行わない測定値は存在しないため、グリッドの残りの部分は無関係です。
絡み合った光子を 2 対同時に生成するのは現実的ではないと、Xi-Lin Wang 氏は言います。その代わりに、実験者は、偏光といわゆる軌道角運動量を介して 2 つの方法で絡み合う 1 組の光子を使用しました。これは、波状の光子が右または左にコルクスクリューを起こすかどうかを決定します。この実験は完璧ではありませんが、Alice と Bob は 1,075,930 ラウンドの 93.84% を獲得し、隠れ変数を使用した場合の最大値である 88.89% を超えました。 .
他の研究者も同じ物理学を示していると Cabello は言いますが、Xi-Lin Wang とその同僚は「ゲームの言語を正確に使用しており、これは素晴らしいことです」と述べています。このデモンストレーションには実用的なアプリケーションがある可能性があると彼は言います.
Broadbent は、現実世界での使用を念頭に置いています。それは、量子コンピューターの動作を検証することです。量子コンピューターは通常のコンピューターではできないことを行うことになっているため、このタスクは不可欠ですが難しいものです。ただし、ブロードベント氏は、ゲームがプログラムに組み込まれている場合、それを監視することで、量子コンピューターがもつれ状態を適切に操作していることを確認できると述べています。
Xi-Lin Wang は、実験は主に、チーム自身のお気に入りの技術である偏光と角運動量の両方に絡み合った光子の可能性を示すことを意図していたと言います。 「これらのハイパーエンタングルされた光子の品質を改善したいと考えています。」
