量子もつれの発見は革命的な前進である • Earth.com

構造化光研究所の研究者チーム ウィットウォータースランド大学南アフリカは量子もつれに関して大きな進歩を遂げた。

アンドリュー・フォーブス教授が主導し、著名な弦科学者ロバート・デ・メロ・コッホと協力し、現在は 湖州大学 中国では、研究チームは、量子もつれ粒子の固有の特性を変えることなく、量子もつれ粒子を操作する新しい方法を実証することに成功した。

この偉業は、量子もつれの理解と応用における大きな一歩を表しています。

量子もつれにおけるトポロジー

「私たちは、2つの同一の光子を絡ませ、それらに共通の波動関数を割り当てることでこれを達成しました。」と修士課程の学生であり、研究の筆頭著者であるペドロ・オルネラス氏は説明します。単一の実体。」

この実験は、「離れた場所での不気味な作用」と呼ばれる量子もつれの概念を中心に展開されており、粒子はたとえ遠く離れていてもお互いの状態に影響を及ぼします。

このコンテキストでは、トポロジが重要な役割を果たします。 これにより、コーヒー カップとドーナツが単一の不変の穴によってトポロジー的に等価になるのと同じように、特定の特性が確実に保持されます。

「私たちのもつれ合った光子は似ています」とフォーブス教授は説明します。 「それらの絡み合いは柔軟ですが、一部の特性は一定のままです。」

この研究は、1980 年代にトニー・スキルミオンによって導入された概念であるスキルミオン・トポロジーに特に焦点を当てています。 このシナリオでは、トポロジーとは、どのように扱われても布地のテクスチャなど、変化しない一般的なプロパティを指します。

量子もつれの応用

スキルミオンは当初、磁性材料、液晶、およびそれらの光学的対応物で研究されていましたが、その安定性とデータストレージ技術における可能性が物性物理学で賞賛されています。

「私たちは量子もつれスキルミオンでも同様の変革効果を達成することを目指しています」とフォーブスは付け加えた。 スキルミオンの位置を単一点に限定したこれまでの研究とは異なり、この研究はパラダイムシフトを示しています。

Ornelas 氏は次のように述べています。「伝統的にローカルとみなされてきたトポロジーが、実際には非ローカルであり、空間的に分離されたエンティティ間で共有される可能性があることが現在では理解されています。」

したがって、チームは、もつれた状態の分類システムとしてトポロジーを使用することを提案しています。 共同研究者のイシャク・ナイブ博士は、これを複雑な国家のアルファベットに例えています。

「私たちが穴によってフィールドとドーナツを区別するのと同じように、量子スキルミオンはトポロジカルな特徴によって分類できます」と彼は説明します。

重要なアイデアと今後の研究

この発見は、量子情報を処理する手段としてトポロジーを使用する新しい量子通信プロトコルへの扉を開きます。

このようなプロトコルは、特に最小限のもつれにより従来の暗号化方式が失敗するシナリオにおいて、量子システムにおける情報のエンコードと送信方法に革命を起こす可能性があります。

要するに、この研究の重要性は、それを地上に応用できる可能性にあるということです。 何十年もの間、相互接続された状態を維持することは大きな課題でした。

研究チームの発見は、もつれが減衰してもトポロジーがそのまま残る可能性があり、量子システムに新しい暗号化メカニズムを提供することを示唆している。

フォーブス教授は、次のように述べ、将来を見据えた声明で締めくくりました。「私たちは現在、新しいプロトコルを定義し、非局所量子状態の広範な状況を探索する準備ができています。これは、量子通信と情報処理へのアプローチ方法に革命をもたらす可能性があります。」

量子もつれについてさらに詳しく

上で説明したように、量子もつれは、量子物理学の世界における魅力的で複雑な現象です。

これは、粒子が一定の間隔で離れている場合でも、各粒子の量子状態を他の粒子の状態から独立して記述することができないような方法で、粒子のペアまたはグループが空間的近接性を作成、相互作用、または共有する物理プロセスです。大きな距離。 。

発見と歴史的背景

量子のもつれは、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 ローゼンによって初めて理論化されました。 彼らはアインシュタイン・ポドルスキー・ローゼン（EPR）パラドックスを提案し、量子力学の完全性に疑問を呈しました。

アインシュタインは、粒子のもつれを「遠く離れた不気味な動き」と呼んで、粒子が長距離にわたって瞬時に相互に影響し合う可能性があるという考えに不快感を表明したことで有名です。

量子もつれの原理

量子もつれの中心となるのは重ね合わせの概念です。 量子力学では、電子や光子などの粒子は重ね合わせた状態で存在し、同時に複数の状態になれることを意味します。

2 つの粒子が絡み合うと、どれだけ離れていても、一方の状態 (スピン、位置、運動量、分極など) がもう一方の状態に即座に関連付けられるように関係付けられます。

コンピューティングと通信における量子もつれ

量子のもつれは、物理法則の古典的な概念に挑戦します。 これは、情報が光の速度よりも速く伝達できることを示しており、アインシュタインの相対性理論に矛盾します。

ただし、これは使用可能な情報が直ちに転送されることを意味するものではなく、因果関係に違反することになります。 むしろ、それは量子レベルでの深い相互接続性を意味します。

量子もつれの最も興味深い応用の 1 つは、量子コンピューティングの分野です。 量子コンピューターは、もつれ状態を使用して、古典的なコンピューターでは達成できない速度で複雑な計算を実行します。

量子通信では、量子もつれは、理論的にはハッキングの影響を受けない、量子暗号や量子鍵配布などの安全性の高い通信システムを開発するための鍵となります。

実証的検証と現在の研究

量子もつれは理論的に始まって以来、何度か実験的に証明されており、その奇妙で直感に反する性質が強調されています。

最も有名なのはベルテスト実験で、局所隠れ変数理論に反対し、量子力学を支持する重要な証拠を提供しました。

つまり、量子力学の基礎である量子のもつれは、依然として熱心な研究と議論の対象となっています。 その不可解な性質は、物理世界についての私たちの理解に疑問を投げかけ、テクノロジーの潜在的に革命的な発展への道を開きます。

研究が進むにつれて、この奇妙な現象のより実用的な応用が見つかり、量子宇宙のさらなる秘密が解明されるかもしれません。

研究全体は雑誌に掲載されました 自然フォトニクス。

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