量子のもつれはこれまでにない方法で地球の回転を測定します

ウィーン大学の量子物理学実験では、もつれた光子を使って地球の回転を測定するという画期的な精度を達成した。

この研究では、量子もつれを利用してスピン効果を前例のない精度で検出する、改良されたサニャック光干渉計が使用されており、量子力学と一般相対性理論の両方にブレークスルーをもたらす可能性があります。

先駆的な量子実験

研究者チームは、量子もつれ光子に対する地球の自転の影響を測定する先駆的な実験を実施しました。 ウィーン大学のフィリップ・ウォルター氏が主導したこの研究は、雑誌に掲載されたばかりです。 科学の進歩。 これは、もつれベースのセンサーにおけるスピン感度の限界を押し上げる大きな進歩であり、量子力学と一般相対性理論の交差点におけるさらなる探求への道を切り開きます。

サニャック干渉計の進歩

サニャック光学干渉計は、回転の影響を最も受けやすいものの 1 つです。 これは前世紀初頭以来、基礎物理学の理解の中心となっており、アインシュタインの特殊相対性理論の確立に貢献しました。 現在、その比類のない精度により、古典物理学の限界によってのみ制限される回転速度を測定するための理想的なツールとなっています。

サニャック干渉計は、長さ 2 km の光ファイバーを長さ 1.4 m の正方形のアルミニウム フレームに巻き付けて作られています。 クレジット: ラファエル・シルベストリ

量子もつれが感度を高める

量子もつれを利用した干渉計は、これらの限界を突破する可能性を秘めています。 2 つ以上の粒子が絡み合っている場合は、凝集状態のみがわかり、個々の粒子の状態は測定するまでわかりません。 これを使用すると、それを使用しない場合よりも各測定についてより多くの情報を取得できます。 しかし、約束された感度の飛躍的な進歩は、もつれの非常に正確な性質によって妨げられてきました。

ここでウィーンでの経験が違いを生みました。 彼らは巨大なサニャック光ファイバー干渉計を構築し、ノイズを数時間にわたって低く安定させました。 これにより十分な高品質なもつれの検出が可能となった 光子 このようなペアは、以前のサニャック量子光学干渉計のスピン分解能を 1000 倍上回ります。

量子測定における革新的な技術

サニャック干渉計では、2 つの粒子が閉じた回転経路の反対方向に移動し、異なる時間に開始点に到着します。 2 つのパーティクルが絡み合うと、恐ろしいことになります。パーティクルは、両方の方向を同時に経験する 1 つのパーティクルのように動作し、絡み合いのないシナリオと比較して 2 倍の遅延が蓄積されます。 このユニークな特性は超精密として知られています。 実際の実験では、絡み合った2つの光子が巨大なコイルに包まれた長さ2キロメートルの光ファイバー内を伝播し、有効面積700平方メートルを超える干渉計が作成されました。

量子実験の課題を克服する

研究者たちが直面した大きなハードルの 1 つは、地球の固定回転信号を分離して抽出することでした。 「問題の本質は、光が地球の回転の影響を受けない測定の基準点を作成することです」と筆頭著者のラファエレ・シルベストリは説明します。 : 光ファイバーを同じ長さの 2 つのコイルに分割し、それらを光スイッチを介して接続します。

スイッチのオンとオフを切り替えることで、研究者らは自由に回転信号を効果的にキャンセルすることができ、これにより大型デバイスの安定性を拡張することもできました。 「私たちは基本的に光をだまして、光が回転しない宇宙に存在すると思わせました」とシルベストリ氏は言う。

量子力学と相対論的相互作用を確認する

この実験は、ウィーン大学とオーストリア科学アカデミーが主催するTURIS研究ネットワークの一環として実施され、最大限にもつれた光子の状態に対する地球の自転の影響を観察することに成功した。 これにより、アインシュタインの特殊相対性理論と量子力学で説明されている、回転基準系と量子もつれの間の相互作用が、以前の実験と比較して1,000倍向上した精度で確認されました。

「これは、光による地球の回転の最初の観測以来、1世紀の重要な出来事を表している。光の個々の量子のもつれが最終的に同じ感知システムに入った」と、マリー大学の研究者として実験に携わったハオクン・ユー氏は言う。キュリー大学。 ポスドク研究員。

「私たちの結果と方法論は、もつれベースのセンサーのスピン感度のさらなる向上への道を開くと信じています。これにより、時空曲線全体にわたる量子もつれの挙動をテストする将来の実験への道が開かれる可能性があります。」とフィリップ・ワルサー氏は付け加えました。

参考文献: Raffaele Silvestri、Haokun Yu、T​​heodor Stromberg、Christopher Helwig、Robert W. Peterson、Philip Walther 著「量子もつれを伴う地球の回転の実験的観測」、2024 年 6 月 14 日、 科学の進歩。
土井: 10.1126/sciadv.ado0215