光の量子干渉：異常現象が発見される

ベルギーのブリュッセル自由大学の 3 人の研究者が、光子干渉の物理学の直観に反する側面を発見しました。 今月掲載された記事の中で、 自然フォトニクス、彼らは、いわゆる光子の収集特性に関する常識に完全に矛盾する思考実験を提案しました。 この異常なグループ化効果の観察は、現在のフォトニック技術の範囲内にあるようで、もし達成できれば、量子多粒子干渉の理解に重大な影響を与えることになるでしょう。

量子物理学の基礎の 1 つは、ニールス ボーアの相補性原理です。これは、大まかに言えば、物体は粒子のように、または波のように動作する可能性があると述べています。 これら 2 つの矛盾する説明は、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説明されています。 個々の粒子の軌道を監視していないと、スリットを通過した粒子が収集されるときに波状の干渉縞が発生することに気づきます。 しかし、軌道が監視されると、手足は消え、あたかも古典的な宇宙で粒子のような球体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「どの経路」情報の欠如から発生するため、各粒子が右または左のスリットを通っていずれかの経路をたどったことが経験的に分かると、干渉縞は必然的に消えるはずです。

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、光子の集合現象という別の興味深い現象が伴います。 大まかに言えば、量子干渉実験で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、半透明ミラーの側面で 2 つの光子が互い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、ここでの有名なフン・オウ・マンデル効果は、2 つの外部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おり、これは光路間の波状干渉の結果です。

このグループ化効果は、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、論理的に言えば、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、クラスタリングはより明確になることが予想されます。 これは、たとえば、半透明ミラーに入射する 2 つの光子が明確な偏光または異なる色を持っている場合に実験的に観察されることとまったく同じです。それらは古典的な球体として動作し、もはや一緒に凝集しません。 フォトンの集合と微分可能性の間のこの相互作用は、一般規則を反映していると一般に認識されています。つまり、集合は完全に区別できないフォトンに対して最大であり、フォトンが区別されるにつれて徐々に減少するはずです。

あらゆる予想に反して、この一般的な仮定は最近、ニコラ・サーフ教授率いるブリュッセル自由大学ブリュッセル工科大学量子情報通信センターのチームによって誤りであることが証明され、教授の博士号取得を支援しました。 学生のブノワ・セローネと博士研究員のレオナルド・ノボ博士は、現在、ポルトガルのイベリア国際ナノテクノロジー研究所で研究員として働いています。

彼らは、7 つの光子が大型干渉計に衝突するという特定の理論的シナリオを研究し、すべての光子が干渉計の 2 つの出力経路に収束するケースを調査しました。 論理的にグループ化は、7 つの光子すべてが同じ偏光を許容する場合に最も強くなるはずです。これは、光子が完全に区別できなくなるためです。つまり、干渉計ではそれらの軌道に関する情報が得られません。 驚くべきことに、研究者らは、適切に選択された偏光パターンによって光子を部分的に区別できるようにすることで、光子の集合が弱まるのではなく大幅に強化される場合があることを発見した。

ベルギーのチームは、量子干渉の物理学と時間の数学的理論の間のつながりを利用しました。 マトリックスパーマネントに関する最近反駁された推測を利用することで、光子の偏光を調整することで光子の散乱をさらに強化できることを実証できます。 この異常なグループ化現象は、光子干渉の基礎物理学にとって興味深いものであるだけでなく、近年急速な進歩を示している量子フォトニクス技術にも影響を与えるはずです。

光量子コンピュータの構築を目的とした実験は、前例のない制御レベルに達しており、複雑な光回路を介して干渉する多数の光子を生成し、光子数検出器でカウントすることができる。 したがって、光子の量子ボソンの性質に関連する光子の集合の微妙さを理解することは、この観点における重要なステップです。