不思議なダンスを可視化：リアルタイムに捉えた 光子の量子もつれ

オタワ大学の研究者らは、ローマ・サピエンツァ大学のダニーロ・ジア氏とファビオ・シャリーノ氏と共同で、光を構成する素粒子である2つの絡み合った光子の波動関数を実際に視覚化できる新しい技術を最近実証した。

一足の靴に例えると、もつれの概念は靴をランダムに選択することにたとえられます。どちらかの靴を識別すると、宇宙のどこにあるかに関係なく、もう一方の靴の性質 (左の靴か右の靴か) が即座に識別されます。ただし、興味深い要因は、観察の正確な瞬間までの識別プロセスに伴う固有の不確実性です。

量子力学の中心的な教義である波動関数は、粒子の量子状態の包括的な理解を提供します。たとえば、靴の例では、靴の「波動関数」には、左右、サイズ、色などの情報が含まれる可能性があります。

より正確には、波動関数を使用すると、量子科学者は、量子実体に関するさまざまな測定の起こり得る結果を予測できます。位置、速度など。

この予測能力は、特に急速に進歩している量子技術の分野では非常に貴重であり、量子コンピューターで生成または入力される量子状態を知ることでコンピューター自体をテストできるようになります。さらに、量子コンピューティングで使用される量子状態は非常に複雑であり、強い非局所相関 (エンタングルメント) を示す可能性のある多くのエンティティが関与しています。

このような量子系の波動関数を知ることは困難な作業です。これは、量子状態トモグラフィーまたは略して量子トモグラフィーとも呼ばれます。標準的なアプローチ (いわゆる射影演算に基づく) では、完全な断層撮影には多数の測定が必要であり、システムの複雑さ (次元) に応じて急速に増加します。

研究グループがこのアプローチで行った以前の実験では、絡み合った2つの光子の高次元の量子状態の特徴付けや測定には数時間、場合によっては数日かかる可能性があることが示された。さらに、結果の品質はノイズの影響を非常に受けやすく、実験設定の複雑さに依存します。

量子トモグラフィーへの投影測定アプローチは、異なる壁に投影された高次元の物体の影を独立した方向から観察するものと考えることができます。研究者が見ることができるのは影だけであり、そこからオブジェクト全体の形状 (状態) を推測できます。たとえば、CT スキャン (コンピューター断層撮影スキャン) では、3D オブジェクトの情報を 2D 画像のセットから再構成できます。

ただし、古典的な光学では、3D オブジェクトを再構成する別の方法があります。これはデジタル ホログラフィーと呼ばれ、物体によって散乱された光と参照光を干渉させることによって得られるインターフェログラムと呼ばれる単一の画像を記録することに基づいています。

構造化量子波のカナダ研究委員長、uOttawa Nexus for Quantum Technologies (NexQT) 研究機関の共同所長、理学部准教授のエブラヒム・カリミ氏が率いるチームは、この概念を 2 光子の場合に拡張しました。

二光子の状態を再構成するには、それをおそらくよく知られている量子状態と重ね合わせ、次に 2 つの光子が同時に到着する位置の空間分布を分析する必要があります。 2 つの光子の同時到達を画像化することは、コインシデンス画像として知られています。これらの光子は、基準源または未知の源から来る可能性があります。量子力学では、光子の発生源は特定できないと述べています。

これにより、未知の波動関数を再構築するために使用できる干渉パターンが生成されます。この実験は、各ピクセルでナノ秒の解像度でイベントを記録する高度なカメラによって可能になりました。

オタワ大学の博士研究員で論文の共著者の一人であるアレッシオ・デリコ博士は、この革新的なアプローチの計り知れない利点を強調し、「この方法は以前の技術よりも飛躍的に速く、必要な時間はほんの数分か数秒だけです」重要なのは、検出時間がシステムの複雑さの影響を受けないことです。これは、投影断層撮影における長年のスケーラビリティの課題に対する解決策です。」

この研究の影響は学術界だけにとどまりません。量子状態の特性評価、量子通信の改善、新しい量子イメージング技術の開発など、量子技術の進歩を加速する可能性があります。

研究「空間二光子状態の振幅と位相の干渉イメージング」が Nature Photonics に掲載されました。

Reference : Visualizing the mysterious dance: Quantum entanglement of photons captured in real-time
https://phys.org/news/2023-08-visualizing-mysterious-quantum-entanglement-photons.html