遅れの観察

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9758 (2023) この記事を引用

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量子重ね合わせは量子力学の基礎であり、干渉縞は区別できない光子の特性を介した単一光子の自己干渉に起因します。 ウィーラーの遅延選択実験は、量子力学の相補性理論を理解するために、過去数十年にわたって波動と粒子の二重性について広範囲に研究されてきました。 遅延選択量子消去器の核心は、因果関係に違反する相互に排他的な量子機能にあります。 ここでは、干渉計の外に配置された偏光子の遅延選択により、コヒーレント光子対を使用する量子消去を実験的に実証します。 観測された量子消去器のコヒーレンス解は、典型的なマッハツェンダー干渉計から導出されます。この場合、因果関係の違反は基底選択の選択的測定によるものです。

1978 年に Wheeler が相補性理論 2 のために提案した遅延選択実験は、過去数十年にわたって集中的に研究されてきました 3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16。 相補性理論の元の概念は、位置や運動量などの非可換エンティティ間の排他的性質に関するものですが、遅延選択実験は、干渉計システムにおける波動と粒子の二重性の測定制御のために開発されました。 単一光子の波動と粒子の二重性は、波動の性質に基づく干渉縞の可視性と粒子の性質に基づくどちら方向情報との間のトレードオフの関係を示します。 遅延選択実験は、熱光 5、もつれ光子 6、7、8、原子 9、10、11、中性子 3、減衰レーザー 4、12、13、およびアンチバンチ単一光子 14、15 を使用して広く実証されています。 選択が遅れた場合、測定値の事後制御は因果関係の違反という逆説的な現象をもたらします16。 量子消去装置は、測定値の事後選択に基づいて、性質の 1 つを選択 17 または消去 18 します。 最近、量子消去装置は、もつれ光子 19、コヒーレント光子 13、20、熱光 21、およびアンチバンチ光子 11、22 を使用した事後測定によって、特定の性質を逆転させるために開発されました。

本論文では、遅延選択量子消去器が、偏光基底制御によるコヒーレント光子を使用して実験的に実証されました。コヒーレント光子は減衰連続波 (cw) レーザーから得られます。 いくつかの遅延選択スキーム 13、14、18、19、21 と同様に、現在のスキームは、事前に決定された光子の性質を事後制御するためのものです。 ここで、偏光ビーム スプリッター (PBS) とビーム スプリッター (BS) で構成されるマッハ ツェンダー干渉計 (MZI) は、フレネル アラゴの法則 23 または非相互作用量子演算子 24 に従って粒子の性質に合わせて設定されます。 したがって、MZI 内の単一光子のどちら方向の情報は事前に決定された事実であり、MZI の出力ポートに干渉縞は生じません。 しかし、MZI自体を制御することなく、偏光子を使用して出力光子の偏光基底を制御することにより、光子の波動特性を実験的に取得します13、14、19、21。 事後測定で干渉縞が示された場合は、偏光子の選択が空間的な分離を満たしているため、因果関係の違反を表します。 このため、同時計数装置を使用して 1 次および 2 次の強度相関を測定しました。

図 1 は、減衰 CW レーザーから生成されたコヒーレント光子を使用した、本発明の遅延選択量子消去器の概略図を示しています (「方法」セクションを参照)。 図 1 では、同時計数ユニット (CCU、DE2、Altera) が 2 つの検出器 D1 と D2 (SPCM-AQRH-15、Excelitas) 間の 1 次と 2 次の強度相関の両方に使用されています。 二次相関の場合、二重バンチ光子のみが CCU によってカウントされます。この場合、単一光子に対する二重バンチ光子の生成比率は、平均光子数 \(\langle n\rangle \sim 0.01\) で ~ 1% です (補足資料のセクション A を参照)。 一次強度相関の場合、D1 と D2 からの CCU の両方の入力チャネルが、データ ポイントごとに 0.1 秒の期間にわたって個別に測定されます (図 2 を参照)。 高次の束になった光子は、ポアソン統計では無視されます (補足資料のセクション A を参照)。 単一光子の偏光ランダム性を提供するために、\(22.5^\circ\) 回転半波長板 (HWP) が MZI の直前に配置されます。 次の PBS により、MZI 内の単一光子は、完全などちら方向情報を持つ識別可能な光子の特性を示します: \({|\psi \rangle }_{MZI}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left ({|V\rangle }_{UP}+{|H\rangle }_{LP}\right)\)。 したがって、MZI の外側で測定された光子は、参考文献 13、14、19 にあるように、単一光子の所定の粒子特性 (図示せず) を示します。