物理学者は、絡み合った偏光の波動関数を直接測定します

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物理学者は、絡み合った偏光の波動関数を直接測定します
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スウェーデンと中国の物理学者は、初めて、空間内の分離された状態の波動関数、つまり2つの絡み合った光子の偏光を直接測定しました。これを行うために、科学者は弱い測定の方法を変更し、弱い値をモジュラー値に置き換えました。以前は、量子トモグラフィーの助けを借りてのみ、そのような状態の波動関数を測定することが可能でした。この記事はPhysicalReview Lettersに掲載され、Physicsによって簡単に報告されました。

原則として、システムの波動関数を測定するために、物理学者は量子トモグラフィーを使用します-彼らはシステムの多くのコピーを作成して測定し、次に基本状態で波動関数の展開の係数を復元します。この場合、測定を異なるベースで実行することが重要です。そうしないと、波動関数の位相に関する情報が失われ、確率密度(つまり、波動関数の2乗)のみがから取得されます。得られた結果。これらの複雑さは両方とも、2つの補完的なオブザーバブル(つまり、演算子が通勤しないオブザーバブル)の不確定性をリンクするハイゼンベルクの不確定性原理に関連しています。このような観測量の最も単純な例は、座標と運動量です。粒子の位置を正確に測定しようとすると、意図せずに粒子を「押し」、その運動量の不確実性を高めます。したがって、測定後の粒子の波動関数は予測できない形で変化し、初期状態に関する情報を取得することは不可能になります。

しかし、量子トモグラフィーは、量子力学の限界を回避し、システムの波動関数を測定する唯一の方法ではありません。これに代わる方法は、1988年にYakir Aharonov、David Albert、LevWeidmanによって開発された弱測定法です。大まかに言えば、この方法では、測定装置はシステムを非常に弱く励起し、その状態に関する少量の情報を抽出します。このような測定の結果として得られた結果は、いくつかの観測量の「弱値」と呼ばれます。システムの量子状態を破壊することなくこの効果を高めるために、物理学者は特別な方法で、プロセスの複数の実現で得られた初期状態と最終状態を「ふるいにかける」。弱い測定では、量子トモグラフィーからの再構成の段階をバイパスして、波動関数に関する情報を直接取得できることに注意することが重要です。

実際には、弱測定法は、個々の光子の波動関数を決定するためにそれを使用したジェフ・ランディーンが率いる物理学者のグループによって2011年に最初に実装されました。数年後、同じグループがこの方法を2つの量子状態のシステム(単一光子の直交偏光)に拡張しました。

ただし、弱測定の方法には1つの重大な欠点があります。それは、測定されたシステムの状態を空間で分離できないことです。これは、メソッドの標準的な実装では、すべての状態を同時に摂動させる必要があるためです。このような瞬間的な長距離アクションを実際に実現することは不可能です。原則として、この欠点は繰り返しの弱い測定の助けを借りて回避することができますが、この方法を使用すると、システムに関する完全な情報を取得することは不可能です。したがって、そのようなシステムの波動関数を測定するには、量子トモグラフィーに戻る必要があります。

Guang-Can Guoが率いる物理学者のグループは、弱い測定方法を空間的に分離された状態のシステムに拡張し、観測された弱い値をモジュラー値に置き換えました。このような値を取得するには、観測値に対応する演算子自体ではなく、その関数の初期状態に投影する必要があります。科学者はまた、この方法を2つのもつれ合った光子に適用しました。したがって、研究者は初めて、空間で分離された2つのもつれ合った状態の波動関数を直接測定しました。

絡み合った光子を生成するために、科学者たちはベータホウ酸バリウムの結晶に紫外線レーザーを照射しました。これにより、個々の光子が絡み合った偏光と運動量を持つ光子ペアに変換されました。次に、科学者はモジュラー値を測定し、光子がセットアップを通過したパスを「エンタングルドメーター」として使用して、エンタングルド偏光波動関数を再構築しました。大まかに言えば、この方法では、特定の状態で「カウンター」を検出する確率は、各光子の特定の偏光を持つ状態への投影の演算子のモジュラー値の実数部と虚数部に一意に関連しています。モジュラー値は、絡み合った状態の波動関数に一意に関連しています。確率を測定するために、科学者はフランソン干渉計を使用し、光子の偏光は偏光板を使用して制御されました。その結果、科学者たちは絡み合った偏光の波動関数を取得しました。これは断層撮影の測定値とよく一致しています。

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エンタングル状態の波動関数を測定するためのスキーム(a)とエンタングル光子の例を使用したその実装

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実験セットアップ図

毎年、物理学者はますます複雑なシステムの波動関数の特性を測定することに成功しています。たとえば、2017年10月、オーストリアとドイツの研究者は、粒子の順列に対応する2粒子システムの波動関数の位相の変化を登録する方法を学びました。 2018年1月、別の物理学者グループが、水素分子内の電子の二乗波動関数を初めて測定しました。これを行うために、科学者は高エネルギーの光線で分子を破壊し、結果として生じる崩壊生成物を捕らえ、これらのデータから相関関数を復元しました。そして2019年7月、スコットランドの物理学者は、物理状態が不確実な瞬間に、初めて絡み合った光子を「撮影」しました。

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