「非古典的」軌道の存在は、3つのスリットを使用した実験で確認されました

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ビデオ: 量子力学の歴史と確率解釈の直観的でわかりやすい解説~確率解釈、二重スリットの実験、シュテルンゲルラッハの実験 2022, 12月
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3つのスリットを使用した実験での「非古典的」軌道(紫)の例

物理学者の国際的なグループは、光子が3つのスリットを通過するとき、古典物理学の観点から不可能な軌道も結果として生じる干渉パターンに寄与することを実験的に確認しました。この発見は、量子重ね合わせの原理の広範な素朴な理解の誤りを確認し、おそらく、量子コンピューターの操作のための既存のスキームを強化するでしょう。この作品は、ジャーナルNatureCommunicationsに掲載されました。そのテキストは、arxiv.orgプレプリントサイトにもあります。

有名な物理学者ロバート・ボイド(特に室温で「光の減速」を最初に実行した)が率いる実験者のグループは、いわゆる「」の貢献を実証するスキームを発明し、実装しました。光子が3つの亀裂に干渉するときに得られる画像への非古典的な」軌道。

2スリット干渉は、光の波動特性を実証する古典的な実験です。それは19世紀の初めにトーマス・ユングによって最初に実行され、当時支配的な光の粒子説を拒絶する主な理由の1つになりました。

しかし、20世紀初頭には、光はまだ光子と呼ばれる粒子で構成されていることがわかりましたが、これらの粒子は不思議なことに波動特性も持っています。波動粒子の二重性の概念が生まれ、それは物質の粒子にも拡張されました。特に、波動特性の存在は電子に見られ、後に原子や分子に見られました。

これらの発見の結果として生まれた物理学の新しい分野である量子力学では、2つのスリットを使った実験での干渉パターンの出現が中心的な役割の1つを果たしています。したがって、リチャード・ファインマンは、彼の「ファインマン物理学講義」の中で、この現象を「古典的な方法で説明することは不可能であり、絶対に、絶対に不可能である」と書いています。量子力学の本質はこの現象に隠されています」。

二重スリット実験は、量子物理学の中心的な概念の1つである量子重ね合わせを示しています。量子重ね合わせの原理は、特定の量子オブジェクト(たとえば、光子や電子)が特定の状態1と特定の状態2にある場合、ある意味である状態にある可能性があることを示しています。 、部分的に状態1と状態2の両方この状態は、状態1と2の重ね合わせと呼ばれます。スリットの場合、粒子は1つのスリット、またはおそらく別のスリットを通過できますが、両方のスリットが開いている場合、粒子は通過します。両方を通過し、スリット1を通過した粒子と「スリット2を通過した粒子」が重なった状態になっていることがわかります。

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量子重ね合わせの状態で最も有名な物体はシュレディンガーの猫であり、それは同時に生きていると同時に死んでいます。

2012年に、Physical Review Letters誌に掲載された論文で、著者は、この場合の重ね合わせの原理がしばしば理解され、教科書で誤って説明されていることに気づきました。通常、2つのスリットを通過した後の粒子の状態は、他のスリットを閉じた状態で各スリットを通過した後の状態の重ね合わせであると言われていますが、これは完全に真実ではありません。両方のスリットが開いている場合、それぞれが他方に影響を与え、粒子は、一般的に言えば、もう一方のスリットが閉じている場合とは異なる方法で各スリットを通過します。差は小さく、実験的に測定することは困難ですが、弱い影響を考慮すると、それが役割を果たす可能性があります。さらに、結局のところ、ギャップの相互の影響を高めることができます。

量子言語におけるあるギャップの別のギャップへの影響は、同じリチャード・ファインマンによって開発された量子物理学の代替記述の1つを通じて説明するのが簡単です。 「経路積分」として知られる彼のアプローチによれば、粒子がある点から別の点に移動すると、これらの点を結ぶすべての可能な軌道を一度に通過しますが、各軌道には独自の「重み」があります。最大の貢献は、古典物理学によって予測された軌道に近い軌道によってなされます。そのため、極限の量子法則は古典的なものに還元されます。しかし、他の軌道も重要です。

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2つのスリットを使用した実験での「クラシック」軌道

これらの軌道の中には、古典的に絶対に不可能なものがあるかもしれません。たとえば、パーティクルが反対方向に移動する領域を含めることができます。スリットを使った実験の場合、これらは、たとえば、最初に1つのスリットに入り、次に別のスリットを通過し、次に3番目のスリットを通過する軌道です。スリットの1つが閉じているときにのみ存在しないため、あるスリットが別のスリットに与える影響を説明するのは、これらの奇妙な軌道です。

「非古典的」軌道の存在を証明するために、Robert Boydらは、いわゆる表面近くのプラズモンを励起することによって、それらの影響力を高めることを提案しました。プラズモンは、金属内の光子と電子の束縛状態です。それらのために、光は、いわば金属表面に付着し、比較的長い距離にわたってそれに沿って効果的に伝播することができます。プラズモンの存在は、一方のスリットが他方に及ぼす影響を増大させ、したがって、あるスリットから別のスリットに向かう軌道の「重み」を増大させます。

ボイドの実験では、透明なガラス上に堆積された金の層にイオンビームによってスリットがカットされました。金は優れた導体であるため、プラズモンはその中で容易に励起されます。

スリットの相互の影響を観察するために、実験者は以下の実験を提案した。まず、3つのスリットのうち2つが閉じられ、光子は1つのスリットのみを通過します。この場合、小さな照らされたストリップが画面上に表示されます。この場合、ビーム幅がスリット間の距離よりも小さい光源が使用されます。したがって、亀裂が開いたとき、素朴な考えによれば、画像は変わらないはずです-結局のところ、これらの亀裂は照らされていません。しかし、スリット同士の影響により、照らされたスリットから入ると、照らされていないスリットを離れ、干渉パターンが生じるような軌跡があります。プラズモンにより、この効果が高まり、実験では画面の照明の性質の変化がはっきりと示されています。これは、「非古典的な」軌道の存在を証明しています。

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1つのスリットのみが開いている場合(左)と3つのスリットすべてが開いている場合(右)の画面で得られた画像の比較

現時点では、これらの研究が応用問題に何らかの重要性を持っているかどうかは完全には明らかではありません。研究の著者は、非古典的な軌道を強化することにより、量子の重ね合わせと干渉の現象に基づいて、たとえば実際の量子システムをシミュレートするように設計された量子コンピューターなど、デバイスの操作のためのより効率的なプロトコルを作成できることを望んでいます( -量子シミュレータと呼ばれます)。

さらに、非古典的な軌道を考慮することは、現代の基礎物理学の別の方向にとって重要です。科学者が直面している主な未解決の問題の1つは、量子論と重力理論の統合です。この道には、多くの人によると、これらの理論のいずれか、または両方を一度に修正することによってのみ克服できる根本的な困難があります。したがって、現在、現実とこれらの理論の予測との間に起こりうる矛盾の探求があります。方向性の1つは、量子重ね合わせの原理からの逸脱の検索です。そこで、2010年に研究が発表され、その著者は3スリット実験でそのような逸脱を見つけようとしました。矛盾は見つかりませんでしたが、この記事は前述の2012年の作業を引き起こしました。彼女の結論の1つは、2010年の実験では、量子重ね合わせの原理の誤解が使用され、これが測定誤差の原因不明のシェアをもたらしたということでした。また、この誤差の大きさは小さかったものの、科学者が求めている影響も小さい可能性があるため、このような検索では、非古典的な軌道の寄与を考慮に入れる必要があります。

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