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量子ビジョン:人は単一の光子を見ることができますか?

私は大学院で暗闇の中で多くの時間を過ごしました。 私が量子光学の分野を研究したからだけではなく - 私たちは通常1つの光の粒子、または光子を同時に扱う。しかし私の研究では測定器が目だったからです。ロスアラモス国立研究所の物理学者であるレベッカホームズは、次のように述べています。あなたがこれから読む彼女の作品は、とりわけPhysics WorldとApplied Opticsによって出版されました。次の - 最初の人から。

光子を見る

私はこれらの実験を部屋の大きさで行った。私の大学院コンサルタントPavel Kvyatと心理学者Ranciao Francis Wongと一緒に働いている、イリノイ大学の心理学科の8階にあるトイレ。スペースは特別な厚いカーテンと完全な暗闇を達成するために閉じたドアを備えていました。 6年間、私はこの部屋で数え切れないほどの時間を過ごしました。不快な椅子に座って休息をとり、薄暗い小さなフラッシュに集中し、人間の視覚を研究するために作られた最も正確な光源からの小さなフラッシュを待ちました。 。私の目標は、数百個の光子からちょうど1個までの光の閃光をどのように知覚するかを計算することでした。

個々の光の粒子であること、光子量子力学の世界に属する - 知られている宇宙とは完全に異なるように見えるかもしれない場所。物理学の教授は、電子が同時に2か所に存在する可能性があること(量子重ね合わせ)、または1つの光子を測定することが遠く離れて物理的につながっていない別の光子に即座に影響を与えること(量子もつれ)を絶対に真剣に話します。恐らく私たちはこれらの素晴らしい考えをとてもさりげなく受け止めています。電子は2つの場所に同時に存在することができますが、サッカーボールはそうではありません。

しかし、光子は人間の量子粒子です直接知覚することができます。個々の光子を使った実験は、量子世界が見えるようになるという事実につながる可能性があり、待つ必要はありません - いくつかの実験はすでに既存の技術で実行できます。目はユニークな生物学的測定装置であり、その使用は私たちが何を見つけることができるかさえ知らない驚くべき研究分野を切り開きます。光子が重ね合わせ状態にあるときに何が見えるかの研究は、量子世界と古典的世界との間の境界についての私たちの理解を変えることができます。

人間の視覚系は驚くほど機能します量子検出器として良いです。それは、眼球から脳までの神経と器官のネットワークです。そしてそれは、光を我々が知覚するイメージに変えます。脊椎動物の間の人々および他の親類は、2つの主な種類の生きている光検出器を有する:ロッドおよびコーン。これらの視細胞は、網膜、眼球の裏側の感光層にあります。円錐は色覚を与えますが、働くためには明るい光が必要です。棒は白黒でしか見ることができません、しかし、彼らは夜間視界に同調して、暗闇の中で過ごした30分後に最も敏感になります。

ロッドはとても敏感なので、1光子を活性化します。 1光子の可視光は、わずか数エレクトロンボルトのエネルギーしか運ばない。 (飛んでいる蚊でさえも数百億電子ボルトの運動エネルギーを持っています)。反応のカスケード連鎖およびワンド内のループバックは、この小さな信号をニューロンの言葉で測定可能な電気的応答に増幅する。

私達は棒がさえ捕まえることができることを知ってこれは、1光子に対するワンドの電気的応答が実験室で測定されたためです。最近まで未知のままで残っていたものは問題でした:これらの小さい信号は視覚システムの残りを通り抜けて、観察者が何かを見ることを可能にするか、またはノイズの形で排除されて、失われます。検証に必要なツールが存在しないため、問題は困難です。太陽からネオンライトまで、あらゆる場所から放射される光は、空から降る雨のように、単なるランダムな光子の流れです。次の光子がいつ出現するか、または特定の光子が特定の時間間隔でいくつ出現するかを正確に予測する方法はありません。たとえ光がどれほど薄暗くても、この事実は観察者が実際に1つの光子しか見ることができないことを確かにするものではありません - 彼は2つか3つを見ることができます。

光子のランダム性の問題

過去75年ほどにわたる科学者ランダム光子の問題を回避するための賢い方法を思いついた。しかし、1980年代後半になると、量子光学と呼ばれる新しい分野で驚くべき道具が生まれました。それは単一光子の発生源です。それは世界が今まで見たことがなかった全く新しいタイプの光であり、それは科学者に一度に正確に1つの光子を生成する機会を与えました。雨の代わりに、我々はピペットを手に入れた。

今日作成するための多くのレシピがありますトラップされた原子、量子ドット、ダイヤモンド結晶中の欠陥を含む個々の光子。私の大好きなレシピは、周波数が減少する自発的パラメトリック散乱です。これを行うには、レーザーを取り、それをβ-ホウ酸バリウム結晶に送る。結晶内部では、レーザー光子は自発的に2つの娘光子に分割されます。新生子の娘光子のペアが結晶のもう一方の端に現れ、Y字型を形成します。 2番目のステップ:娘の光子の1つを取り、それを単一の光子検出器に送ります。光子検出器は光子が検出されると「ピクネット」します。娘光子は常に対で形成されるので、このきしみ音は実験で使用する準備ができているフォームYの反対側の端に正確に1つの光子があることを示します。

学ぶべきもう一つの重要なトリックがあります。単一光子ビジョンただ1つの光子を観察者に送って、「よくわかりましたか?」と尋ねるだけです - これは間違った実験です。人はこの質問に客観的に答えることができないからです。よくわからない場合は「はい」とは言いたくありませんが、そのような小さなシグナルについては確かではありません。暗闇の中でも幻影のような閃光を発することがある視覚系のノイズもまた干渉を追加します。 2つの選択肢のうちどちらを好むかをオブザーバーに尋ねるのが最善です。実験では、光子を観察者の目の左側または右側のどちらに送るかをランダムに選択し、それぞれのテストで「左か右か」と尋ねました。オブザーバーが単に推測しようとするよりもこの質問に答えることができれば(最高で50%の正確さが得られるでしょう)、私たちは彼が何かを見ていることを知っています。これは強制選択による実験計画と呼ばれ、心理学でよく使われます。

2016年には、ウィーンの研究チームがニューヨークのロックフェラー大学の物理学者Alipasha Vaziriのガイダンスは、人間の観察者が偶然に推測しようとするよりも1光子で強制的な選択に応答することができることを示すために同様の実験を使用しました。光子。自発的パラメトリック散乱に基づく個々の光子源と強制選択実験の設計を使用して、科学者は、量子奇数を人間の知覚領域にもたらすことができる2つの可能な実験を作成しました。 。

重ね合わせはユニークな量子概念です。 量子粒子 - たとえば光子 - は、将来の次元が特定の場所でそれらを見つける可能性によって記述されます。したがって、測定前であっても、それらは同時に2つ(またはそれ以上)の場所に存在する可能性があると考えています。この考え方は、粒子の位置だけでなく、粒子が波の形で伝播する平面の向きを指す偏光などの他の特性にも適用されます。測定は、粒子が「崩壊」して、ある状態から別の状態に崩壊するように見えますが、崩壊がどのようにまたはなぜ起こるのか正確にはわからないという事実をもたらします。

人間の視覚システムは新しいこの問題を研究するための興味深い方法1つの単純だが不気味なテストは、人々が重ね合わせの状態の光子と特定の場所の光子との間の違いを知覚するかどうかであろう。物理学者たちは長年この問題に興味を持っていて、たくさんのアプローチを提案してきました - しかし今のところ、観察者の目の左側または右側に光子を届ける個々の光子の源を考えてみましょう。

まず、私たちはに光子を届けることができます左右の位置の重ね合わせ - 文字通り同時に2か所で - そして観察者にどちら側、彼の意見では、光子が現れたかを言うように頼む。 「左」と「右」の間の重ね合わせの状態とランダムな推測の状態の知覚の違いを計算するために、実験は光子が実際にちょうど左またはちょうど右に送られるコントロールテストグループを含みます。

重ね合わせ状態を作成するのは簡単です。の一部です。偏光に応じて光を透過および反射する光学部品である偏光ビームスプリッタを使用して、光子を左右の位置の均等な重ね合わせに分割できます。普通の窓ガラスでさえこれが可能です - それであなたはあなたの反射とガラスの背後にあるものの両方を見ることができます。ビームスプリッタは、所定の透過率および反射率で、これを単に確実に行う。

標準的な量子力学は、左右の位置の重ね合わせは、ランダムに左または右へ飛ぶ光子と比較して、観察者にとっていかなる違いももたらさないはずです。目に到達する前に、左右の位置の重ね合わせは一方の側または他方の側で非常に早く崩壊する可能性があり、誰も気付かないでしょう。しかし、誰もそのような実験をしないでしょうが、私たちは確かに知りません。重ね合わせで左右にフレアを報告している人の割合に統計的に有意な差があることは予想外のことです - そしてそれは、我々が量子力学について何も知らないことを意味するかもしれません。観察者はまた、重ね合わせにおける光子の知覚の主観的な経験について説明するように依頼されることもあります。そしてまた、標準的な量子力学によれば、違いはないはずです - しかし、もしそうであれば、それは新しい物理学と量子測定の問題の改善された理解につながることができます。

あなたは複雑な粒子を見ることができますか?

オブザーバーもテストを受けることができます。量子力学のもう一つの興味深い概念、もつれ合い。絡み合った粒子は一つの量子状態を持ち、それらがお互いからどれだけ離れていても、それらが相互接続されているかのように振舞う。

アイルランドの物理学者にちなんで名付けられたベルテストジョンS.ベル、これは量子のもつれが現実の私達の自然な概念のいくつかに違反することを証明する実験のカテゴリーです。 Bellのテストでは、一対の絡み合った粒子の測定は、局所的リアリズムの原理に従う理論では説明できない結果を示しています。ローカルリアリズムは一見明白な前提のペアです。 1つは局所性です。つまり、互いに遠く離れているものは、信号がそれらの間を移動するよりも速く互いに影響を与えることはできません(そして相対性理論は、この速度が光の速度であることを教えてくれます)。二つ目はリアリズムです。物理的世界のものは、たとえそれらが測定されず、他のものと相互作用しないとしても、常に特定の性質を持っています。

Bell検定の本質は、2つが与えられるということです互いに相互作用し混乱する粒子。その後、我々はそれらを分離してそれぞれの測定を行います。 2つの異なる方向の偏光の測定など、数種類の測定を実行し、どちらを「ランダムに」取るかについて合意しているため、2つの粒子が結果を「調整」することはできません。 (それは奇妙に聞こえますが、それが量子の世界になると、すべてが奇妙になります)。実験は何度も繰り返され、新しい対の粒子は統計的結果を蓄積することを可能にする。局所的リアリズムは、奇妙な方法で結び付けられていない場合、2つの粒子間の結果がどの程度強く相関しなければならないかについて厳密な数学的制限を課します。 Bellによって行われた数十のテストでは、この限界は破られ、量子力学は局所性、写実主義、あるいはその両方に従わないことを証明した。

もつれた光子は通常の中で好ましいBellのテストにおける粒子、および局所的リアリズムの違反の測定は、電子単一光子検出器を使用して行われます。しかし、人々が個々の光子を見ることができるのであれば、観察者はこれらの検出器のうちの1つを交換することができ、地域のリアリズムをテストする上で直接的な役割を果たします。

都合の良いことに、自発的パラメトリック変換もまた絡み合った光子を生成するために使用することができる。

なぜ私たちはそのような実験が必要なのでしょうか。 排除要因に加えて、深刻な科学的理由があります。重ね合わせの状態が特定の結果の生成とともに崩壊する理由とその方法は、依然として物理学の最大の謎の1つです。新しい独自の測定可能な装置 - 人間の視覚システム - の助けを借りて量子力学をテストすることはある理論を除外することができる。特に、マクロリアリズムについては多くの理論があり、そこからは(眼球や猫のような)大きな対象物の重ね合わせが非常に早く崩壊するという事実に常につながるオープンな物理的プロセスがないということになります。これは大きなオブジェクトの重ね合わせがほとんど不可能であることを意味します - そしてありそうもありません。ノーベル賞受賞者、イリノイ大学の物理学者Anthony Leggettはそのような理論のテストを積極的に開発していました。人間の視覚系の参加による重ね合わせを用いた実験が標準的な量子力学からの明らかな逸脱を示したならば、これはマクロ現実主義が非常に重要であることを証明するだろう。

量子力学のそれぞれの奇妙な結果からどれほど興味深いのか、そしてまだどれだけの発見が必要かを考えること。あなたは禅の私達の場所でこれらすべてについて読むことができます。

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