日常の世界では、イベントは一定の順序で発生します。起床前に目覚まし時計が鳴ったり、その逆の場合もあります。しかし、新しい実験では、光子をいじると、2 つのイベントがどの順序で発生するかを判断することが不可能になり、前と後という常識的な概念が失われ、因果関係の概念が曖昧になる可能性があることが示されました。量子スイッチとして知られるこのセットアップは、量子情報技術の芽生えに役立つ新しいツールを提供する可能性があります。
量子力学は、物体が一度に 1 つの場所にしか存在できないという私たちの考えをすでに覆しています。量子力学の不思議さのおかげで、電子のような小さな粒子は一度に複数の場所に存在することができます。量子スイッチは、A と B の 2 つのイベントで同様の結果を達成し、A が B and の前に発生する可能性があることを示します。 B は A の前に発生する可能性があります。
2009 年にこの概念を最初に提案した理論家の 1 人である、イギリスのオックスフォード大学の Giulio Chiribella 氏は、「実際の実験で私たちのアイデアを実現する人々を見て、とても興奮しています」と述べています。
この効果を実証するために、オーストラリアのブリスベンにあるクイーンズランド大学の物理学者であるアンドリュー・ホワイトと彼の同僚は、2 つの経路が分岐して再結合する干渉計と呼ばれる装置を通して光子を発射しました。光子は、水平または垂直にうごめくように偏光できる粒子と電磁波の両方です。研究者は、光子が垂直に偏光されている場合、最初にリグの左の経路をたどり、次に急いで戻って別の「ポート」から装置に入るようにリグを設定しました。光子が水平に偏光している場合、右の経路をたどり、次に左の経路をたどります。
しかし、量子力学により、光子は一度に両方向に偏光することができ、対角偏光になります。斜めに偏光した光子が装置に入ると、それを表す量子波は垂直偏光部分と水平偏光部分に分割され、光子は装置の出口で波が再び合流する前に両方の経路を一度にたどります。光子が移動を繰り返すと、光子の量子波のいずれかの部分が各経路を 1 回しか通らないにもかかわらず、再び両方の経路を通ります。したがって、光子がどの順序で経路をたどったかを言うことは不可能です.
トリッキーな部分は、実験の中で何が起こっているかを証明することです.物理学者は、光子が迷路のどこにあるかを明らかにする検出器を挿入することはできません。再び量子の奇妙さのおかげで、そのような決定的な測定は、光子の繊細な 2 つの経路を一度に持つ状態を「崩壊」させ、実験を台無しにするでしょう。代わりに、物理学者は、光子が特定の経路をたどったという痕跡を光子に刻印する、より穏やかな方法を見つけなければなりません.
そのために、彼らは、偏光に加えて、光の各パルスが形状または空間分布を持っているという事実を利用しています。実験者は、レンズやその他の光学要素を各パスに配置して、通過する光子をいじることで、その形状を穏やかに変更できます。これらの変化は実験における実際の「イベント」であり、物理学者が各経路に沿って実行する小さな一連の変化のどれに応じて、光子の偏光は一方の対角線方向から他方の対角線方向に反転する可能性があります。量子波再結合。その微妙なつながりが実験の鍵です。
多くの試行を重ねて、物理学者は、2 つの異なるノブのいくつかの設定の中から選択するなど、2 つのパスの形状変化のさまざまな組み合わせを実装します。各光子が確実にいずれかのパスを最初に取る場合、ノブ設定と光子の最終的な偏光との間の相関関係は特定の制限に従う必要があります。ただし、両方が最初に両方の経路を取る場合、相関関係はこれらの限界を超えます。これは、物理学者が Physical Review Letters で印刷中の論文で観察したこととまったく同じです。 .
現状では、実験者は 2 つのパスの操作を個別に選択しました。しかし、原則として、この実験は、量子力学が 2 つのプロセスが相互にトリガーする可能性を許容することを示している、とこの実験に取り組んだフランスのグルノーブルにある NÉEL 研究所の物理学者、Cyril Branciard は言う。 「あるイベント A が別のイベント B を引き起こし、同時に B が A を引き起こすという状況があるかもしれません。」
2015 年、ウィーン大学の物理学者が同様の実験を行いました。しかし、新しい実験は最初の実験の技術的限界を克服し、実際のアプリケーションにスケールアップするのがより簡単になる可能性があると、以前の実験に取り組んだウィーン大学の理論家 Caslav Brukner は述べています。
量子スイッチは、たとえば、個々の光子やその他の量子粒子の量子状態でエンコードされた情報を操作および送信する技術の新進に応用できる可能性があります。このようなデバイスは、常にノイズに悩まされる光ファイバーなどの量子チャネルを介して粒子を通過させる必要があります。しかし、そのような 2 つのチャネルのノイズが多すぎて量子情報を送信できない場合でも、原理的にはそれらを量子スイッチに加工して情報を流すことができると、量子物理学者でクイーンズランド チームのメンバーである Jacquiline Romero は述べています。 「無期限の秩序を導入すると、突然コミュニケーションができるようになります」と彼女は言います。 「かっこいいですね！」
*訂正、8 月 20 日午前 10 時: この記事は、Jacquiline Romero の名前と所属を修正するために更新されました。
