アスペクトエクスペリエンスについて詳しく解説

導入

量子力学

量子力学の公準 量子力学の歴史 基本的な概念 量子状態・重ね合わせ・観測可能・もつれ・測定・不確定性原理・対応・二重性・デコヒーレンス 体験談 ヤングのスリット·スターンとガーラッハの実験· シュレディンガーの猫·量子消しゴム· EPR パラドックス· 量子テレポーテーション·アスペクト実験 形式主義 Bra-Ket 記法・シュレーディンガー方程式・密度行列・シュレーディンガー表現・ハイゼンベルク・相互作用 統計 マクスウェル・ボルツマン·交換·フェルミ-ディラック·フェルミオン· ボース・アインシュタイン・ボーソン 高度な理論 場の量子論・ワイトマン公理・量子電気力学・量子色力学・量子重力・ファインマン図式 解釈 測定の問題・ コペンハーゲン· アンサンブル·隠れた変数 · トランザクション·複数の世界·一貫したストーリー·量子論理· (意識的な)観察による還元 物理学者 プランク、ド・ブロイ、シュレーディンガー、ハイゼンベルク、ボーア、パウリ、ボルン、ディラック、フォン・ノイマン、アインシュタイン、ベーム、ファインマン、エベレット、ペンローズ

このボックス: • ディスクを参照してください。 • モッド。

アスペクト実験は歴史的に、量子物理学の枠組み内でベルの不等式を満足に反駁した最初の実験であり、これにより量子もつれの現象が検証され、約 50 年前にアルバート・アインシュタインとボリスが提案した EPRパラドックスに対する実験的な答えが得られました。ポドルスキーとネイサン・ローゼン。

この実験は、1980年から1982年にかけてオルセー光学研究所でフランスの物理学者アラン・アスペクトによって実施されました。

科学的および歴史的背景

実験そのものについて語る前に、またそれを完全に理解するためには、その実現に至った歴史的、科学的文脈に実験を位置づける必要があります。

もつれ、EPR パラドックス、ベル不等式

量子もつれ

量子のもつれは、1935 年にエルヴィン シュレディンガーによって初めて実証された現象です。

量子力学では、相互作用した、または共通の起源を持つ 2 つの異なる量子系 (たとえば 2 つの粒子) を 2 つの独立した系とみなすことはできないと述べています。量子フォーマリズムでは、最初のシステムが状態を持つ場合、

そして2番目は状態ですの場合、結果として得られるもつれシステムは、これら 2 つの状態のテンソル積の量子重ね合わせによって表されます。 。この表記では、2 つのシステムの物理的距離がもつれの状態に何の役割も果たしていないことが明らかです (位置変数が表示されないため)。もつれ合った量子状態は、2 つのシステム間の距離に関係なく、同一のままです (すべてのものが等しい)。

したがって、このもつれ量子系に対して測定操作を実行すると、この操作はもつれを構成する 2 つの系に対して有効となり、 2 つの系の測定結果は相関します。

EPRのパラドックス

この結果は、物理学について現地の現実的なビジョンを持っていたアルバート・アインシュタインに大きな衝撃を与えました。このビジョンは、測定行為が両方のシステムに影響を与えるのは、光の速度を超えることのできない速度で一方のシステムからもう一方のシステムに影響が伝播するためであるという結論に導きます。ただし、量子形式主義では、絡み合ったシステムの 2 つの構成要素に対する測定行為の影響は、2 つの構成要素間の距離に関係なく瞬間的に発生すると規定されています。

同様に 1935 年に、アルバート アインシュタイン、ボリス ポドルスキー、ネイサン ローゼン (EPR) は、もつれた状態が実際に存在すると信じた場合、パラドックスを引き起こす思考実験を想像しました。あるいは量子物理学は不完全です。当時はどちらの選択肢も受け入れられなかったため、矛盾が生じました。

この矛盾は歴史的に非常に重要でしたが、すぐには影響を及ぼしませんでした。ニールス・ボーアだけが、このパラドックスによって提起された異議を真剣に受け止め、それに応えようとしました。しかし、この反応は定性的なものであり、2 つの観点の間で明確な決定を可能にするものは何もありませんでした。したがって、エンタングルメントの現実性は、直接的な実験的裏付けがなければ観点の問題に留まり、EPR 実験は実際には (当時は) 実現不可能でした。

実際、この実験の実施には 2 つの大きな障害がありました。一方で、当時の技術的手段は不十分でしたが、(そして何よりも) EPR の効果を直接 (定量的な基準によって) 測定する方法がなかったようです。 。

ベルの不等式

状況は 1964 年までほぼ現状のままでした。アイルランドの物理学者ジョン・スチュワート・ベルはその後、EPR タイプの実験の定量的かつ測定可能な効果を実証した論文を発表しました。これらは有名なベルの不等式です。これらの不等式は定量的な関係であり、相対論的因果関係を完全に尊重するシステム間の測定値の相関によって検証する必要があります。これらの不平等が破られた場合、離れた場所での瞬間的な影響を認めなければなりません。

これらの不平等により、EPR 実験の実施に対する 2 つの障害のうち 1 つを取り除くことが可能になりました。しかし 1964 年当時、この種の実験を実際に行うには技術的手段がまだ不十分でした。

ベルの不等式をテストする最初の実験

EPR 実験の実施は 1969 年から技術的に実現可能になり始め、実験の実現可能性を示す論文が発表されました。

ハーバード大学とバークレー校の 2 つの大学は、これらの基盤に基づいて実験プロトコルの実装を開始し、実験は 1972 年に行われました。結果は矛盾していました。ハーバード大学は、ベルの不等式が検証され、その結果、量子物理学の予測と矛盾すると指摘しました。それどころか、バークレーはベルの不等式の違反を発見し、量子物理学の検証を行った。

これらの実験の問題は、特に信頼性が低く、絡み合った粒子のスループットが低いことであり、連続して数日間にわたる実験時間が必要でした。しかし、特にこのような繊細な実験では、長期間にわたって一定の制御された実験条件を維持することは非常に困難です。したがって、2 つの実験の結果には疑問の余地がありました。

1976 年に、より高スループットのより優れたもつれ光子の発生源を使用して、同じ実験がヒューストンで繰り返されました。これにより、実験時間を 80分に短縮することができました。しかしその一方で、光子はベルの不等式の違反を明確に示すほど最適に偏光されていませんでした。しかし、この実験はベルの不等式の違反を示しました。しかし、これは弱く、依然として疑念が許されていました。

しかしまた、そして何よりも実際には、これらの実験は、インフラ速度の伝播の影響または古典的な信号に起因する相関関係（ベルの不等式の違反につながる）の可能性を排除できるほど洗練されていませんでした。 2つの粒子の間。

最後に、これらすべての実験で使用された実験計画は、ジョン ベルが不等式を実証するために使用した「理想的な」計画からは非常に遠いものでした。したがって、ベルの不等式をそのままこれらの実験に適用できるかどうかはわかりませんでした。