これは、量子物理学のすでに奇妙な分野における最も奇妙な概念の 1 つです。電子のような量子粒子の状態または状態を測定すると、別の電子の状態を即座に変えることができます。たとえそれが光年離れていたとしてもです。その考えは、何かが光よりも速く移動することができ、現実は私たちが行う測定によって何らかの形で決定されることを示唆しているため、アルバート・アインシュタインのような人を怒らせました.しかし今、実験者のチームは、以前のデモの抜け穴を塞ぎ、この概念の主張を固めたと言っています.
「これは量子物理学における絶対的な画期的な論文です」とオーストラリアのネイサンにあるグリフィス大学の物理学者である Howard Wiseman は言います。 「物理的な世界が私たちの日常の直感と大きく異なることに、もはや合理的な疑いの余地はありません。」オーストラリアのシドニー大学の物理学者であるクリストファー・フェリーは、多くの物理学者にとって、この問題はずっと前に解決されたと述べています。 「私の世代以降の物理学者を調査してみてください。彼らは [それ] にまったく動じないでしょう」と彼は言います。本当の進歩は、超安全な量子通信技術への道を開くことだと彼は言います.
この実験は、オランダのデルフト工科大学の物理学者、ロナルド・ハンソンらによって行われました。ハンソン氏は、arXiv プレプリント サーバーに投稿されたこの論文について議論することを拒否しましたが、これは非公開のジャーナルで査読中であるためです。
この実験には、エンタングルメントと呼ばれる概念が含まれます。電子を考えてみましょう。こまのように、一方向 (上) または反対方向 (下) に回転できます。奇妙なことに、量子論によると、電子は一度に両方向に等しくスピンすることができますが、測定すると、量子状態が「崩壊」し、電子が同じ確率で上または下にスピンすることがわかります。そのような測定がどのように行われるかが重要です。量子論によれば、スピンを直接読み取ることはできません。電子がその方向に回転しているか逆方向に回転しているかを確認するには、ダイヤルのような特定の方向に設定できるアナライザーを使用する必要があります。双方向スピンの場合、アナライザーを垂直に設定すると、電子が 50-50 の結果に崩壊します。
さらに奇妙なことに、2 つの電子が絡み合っている可能性があるため、各電子のスピンは完全に不確実ですが、2 つのスピンは完全にロックされ、相関しています。次に、アリスとボブが 2 つのもつれ電子を共有し、それぞれが垂直に設定されたアナライザーを持っているとします。アリスが自分の電子を測定し、それが回転しているのを見つけたら、たとえ彼が銀河系から離れていたとしても、彼女はボブの電子が回転を落としていることを即座に知る.電子を記述する量子波が光速よりも速い速度で崩壊することを示唆しているため、その「遠く離れた不気味な行動」はアインシュタインを悩ませました。また、電子のスピン状態の「現実」 (それについて知ることができるもの) は、電子が測定されて量子波が崩壊するまで決定されないことも示唆しています。
アインシュタインは、この考えは受け入れがたいと感じました。彼は代わりに、量子力学は不完全であると主張しました。つまり、各電子にエンコードされているが、理論の範囲外にある「隠れた変数」がボブの測定結果を決定すると主張しました。決定要因がボブの電子とともに移動するため、その概念は超光速崩壊を回避します。また、測定値は、測定値とは独立して存在する世界の側面を明らかにするという概念とも一致しています。これは、テニス ボールを見る前にその色が存在すると仮定するのと同じです。
しかし、1964 年、英国の理論家ジョン ベルは、量子波の崩壊と隠れた変数の違いをテストする方法を発見しました。量子論によれば、アリスとボブがアナライザーを異なる角度に傾けると、測定値に完全な相関関係が見られなくなるはずです。たとえば、アリスがアナライザーを垂直に保ち、ボブがアナライザーを 45° 傾けたとします。次に、アリスが自分の電子がスピンアップしているのを見つけた場合、ボブが自分の電子がスピンダウンしているのを発見する可能性 (新しい向きで定義されています) はわずか 71% です。ベルは、アリスとボブがアナライザーの向きを繰り返し変えていると想像しました。彼は、隠れ変数が特定の制限よりも弱い相関関係を生成することを数学的に証明しました。これは、ベルの不等式と呼ばれる式で詳しく説明されています。量子波の崩壊は、より強い相関関係を生み出す可能性があります。この式は、隠れた変数が実際に存在するかどうかを判断するためのリトマス試験紙を提供しました。
ベルはまた、超光速での波の崩壊は、相対論の光速移動の禁止に必ずしも違反するとは限らないと説明した。アリスは測定結果を制御できないため、測定結果を使用して光よりも速くボブに情報を送信することはできません。彼女とボブは、事後に相関関係を確認するだけです。それが現在の相対性理論の標準的な解釈です。
1970 年代に、ベルの不等式が成り立つかどうかを確認するための測定が実験者によって行われ始めました。彼らは一貫して、隠れ変数が許容するよりも強い相関関係を発見しました。これらの結果は、アインシュタインが間違っていることを物理学者に一般的に納得させました。量子波が実際に光よりも速く崩壊するに違いないか、または測定結果が隠れ変数によって運命づけられない可能性があります:双方向に回転する電子が測定されるまで、それは文字通り双方向に回転します.
しかし、ベルの定理の完全なテストを実行するのは難しい。近年、物理学者は、量子波の瞬間的な崩壊以外の何らかの影響を与えて結果をゆがめる「抜け穴」に頭を悩ませている.現在、Hanson と 18 人の同僚は、ベルの定理の最初の抜け穴のないテストを行ったと主張しています。
ベルのアイデアをテストするために、物理学者は、測定を実行するのにかかる時間内に、測定以外の影響が電子間を移動できないことを確認する必要があります。光は毎秒 299,792 キロメートル進むため、これは難しい注文です。ハンソンと同僚は、デルフト キャンパスで 2 つのステーションを電子で 1.28 キロメートル分離しました。これにより、一方のステーションからの光速信号が他方のステーションに到達する前に、両方の測定を実行するのに 4.27 マイクロ秒が与えられました。
研究者たちは、遠く離れた電子を絡ませる必要がありました。それを行うために、彼らは最初に各回転電子を光子の状態でもつれさせ、それから光ファイバーを他の 2 つの間の第 3 ステーションに送りました。 2 つの光子が同時に到着し、適切な方法で互いに干渉した場合にのみ、エンタングルメント スワッピングと呼ばれるプロセスを通じて、電子がエンタングル状態になります。 1 億 5000 万の光子対のうち、正しい干渉信号を記録したのは 1 つ未満でした。それでも、研究者は、光子が出会う前に電子の測定を開始し、後でデータを調べて、うまくいった試験を見つけることができました.プレプリントでは、22 時間のデータ取得で 245 件の試行が成功したと報告しています。
最後に、物理学者は、電子の状態を確実に読み取ることができない場合に開く抜け穴を閉じる必要があります。このような測定の失敗は、電子のスピン間の真の相関関係をあいまいにする可能性があります。それを克服するために、Hanson のチームは、絶対零度近くまで冷却されたダイヤモンドの原子サイズの欠陥に閉じ込められた個々の電子を使用しました。欠陥では、電子は繊細なスピン状態を容易に維持し、マイクロ波と光で操作できます。物理学者は、各電子のスピンを 95% 以上の効率で測定しました。
両方の抜け穴が塞がれたことで、研究者はベルの不等式の明らかな違反を確認しました。つまり、アインシュタインの隠れ変数を魚雷で攻撃し、量子波の崩壊を立証したのです。 「この論文に関する唯一の重要な懸念は、データセットが小さいことです。つまり、結果が理想的に望むほど確実に確立されていないことを意味します」とワイズマンは言います。 「しかし、これはすぐに修正されると確信しています。」
Ferrie 氏によると、さらに大きな抜け穴を思いつくことは常に可能です。しかし、この実験は、絡み合った粒子を使用して、いわゆる「デバイスに依存しない量子鍵配布」で秘密のメッセージをエンコードするための鍵を安全に配布するスキームなど、特定の開発中の量子技術を攻撃するために使用される可能性のあるものを閉じます。 「これは大きな技術的マイルストーンです」と Ferrie 氏は言います。
*訂正、8 月 30 日午前 9 時 47 分: ベルの議論の説明における数学的な間違いを修正するために、ストーリーが変更されました。
