共通理解への挑戦: 科学者が予期せぬ量子干渉異常を発見

Jul 31, 2023

ブリュッセル自由大学2023年8月31日

すべての光子が 2 つの出力ビームに合体する異常なバンチング効果。 クレジット: ウルスラ・カルデナス・ママニ

In a paper recently published in Nature Photonics<em>Nature Photonics</em> is a prestigious, peer-reviewed scientific journal that is published by the Nature Publishing Group. Launched in January 2007, the journal focuses on the field of photonics, which includes research into the science and technology of light generation, manipulation, and detection. Its content ranges from fundamental research to applied science, covering topics such as lasers, optical devices, photonics materials, and photonics for energy. In addition to research papers, <em>Nature Photonics</em> also publishes reviews, news, and commentary on significant developments in the photonics field. It is a highly respected publication and is widely read by researchers, academics, and professionals in the photonics and related fields." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Nature Photonics, scientists from the Center for Quantum Information and Communication – Brussels Polytechnic School of the Free University of Brussels report the discovery of an unexpected counter-example that challenges conventional understanding of photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">フォトンバンチング。

ニールス・ボーアの相補性の原理は、量子物理学の基本概念であり、本質的に、物体は粒子のような挙動または波のような挙動を示すことができると述べています。 これら 2 つの相互に排他的な説明は、粒子が 2 つのスリットを含むプレートに衝突する象徴的な二重スリット実験でよく示されています。

個々の粒子の軌道を観察しないと、スリットを通って粒子を集めるときに波状の干渉縞が観察されます。 逆に、軌道を観察すると縞模様が消え、古典的な世界で粒子のようなボールを扱っているかのようにすべてが起こります。

物理学者のリチャード・ファインマンが造語したように、干渉縞は経路情報の欠如から発生するため、各粒子が左右どちらかの経路をたどったことが実験で分かるとすぐに干渉縞は必然的に消えるはずです。スリット。

光はこの二重性から逃れることはできません。光は電磁波として説明することも、光の速度で移動する質量のない粒子、つまり光子から構成されるものとして理解することもできます。 これには、フォトンバンチングという別の注目すべき現象が伴います。 大まかに言えば、量子干渉実験において光子を区別する方法がなく、光子がたどる経路を知る方法がない場合、光子は互いにくっつく傾向があります。

この動作は、2 つの光子が半透明ミラーの側面に衝突することですでに観察されており、入射光が反射光と透過光に関連する 2 つの可能な経路に分割されます。 実際、有名なホン・オウ・マンデル効果は、出射する 2 つの光子が常にミラーの同じ側から同時に出射することを示しています。これは、それらの光路間の波状の干渉の結果です。

このバンチング効果は、光子を古典的なボールとして考える古典的な世界観では理解できません。各光子は明確に定義された経路をたどります。 したがって、論理的には、光子を区別し、光子がたどった経路を追跡できるようになるとすぐに、バンチングは目立たなくなることが予想されます。