ミクロの世界を正しく説明するうえで欠かせない量子力学に、「量子もつれ」と呼ばれる現象がある。量子もつれとは、2つの粒子が強い相互関係にある状態であり、粒子のスピン、運動量などの状態をまるで「コインの裏表」のように共有する運命共同体のような状態を指す。
例えば、一方の粒子を観測したときのスピンが上向きであれば、もう一方は瞬時に下向きになる。このような量子もつれにある2粒子間の状態は、どれほどの距離──たとえ銀河の端から端という途方もない隔たりがあろうが、維持されるのだという。この同期の速度が光の速度を超えるという、まるで空間など存在していないかのような非局所性から、偉大な物理学者アルバート・アインシュタインが、かつて「不気味な遠隔作用」と呼んだほどだ。
そんな量子もつれの状態を画像に収めることに、このほど英国のグラスゴー大学の研究チームが成功した。量子もつれの状態にある光子の様子を捉え、オープンアクセスの科学学術誌『Science Advances』で画像を公開したのだ。これは、量子もつれの判断基準とされる「ベルの不等式」の破れをもとに量子もつれを実験的に可視化する技術で、もつれ状態にある粒子ペアがひとつの画像に収められたのは今回が初めてだという。
かくして「量子もつれ」は画像に記録された
マクロの世界における物質の状態は、観測者がいるかどうかに関わらず、すでに決定している。対してミクロの世界では、量子が実際にどのような状態にあるのかは、何かに“観測される”まで不確定だと考えられている。これまで量子もつれ現象は実験的には立証されていたものの、「観測されるまで状態が決定されない量子もつれ」を、いかに画像に収めるのかという実験的セットアップを考案するのは至難の業だった。
今回の実験では量子もつれ状態を確認するため、「ベルの不等式」と呼ばれる式が使用されている。「ベルの不等式」は、古典的に説明できる粒子の相関関係の上限を示した数式で、これによって実験が「量子的」なものなのか「古典的」に説明できるものなのかを区別できる。「ベルの不等式」の上限が破られると、実際に2つの粒子が量子もつれの状態にあることが示される。
研究チームは、自発的パラメトリック下方変換（SPDC）と呼ばれる手法によって、まず光子をもつれ状態にした。次にビームスプリッターによって光子対を2つに分割する。光子1の通路には通過の際にランダムに位相が決まるフィルター（0°、45°、90°、135°）を設置してあり、光子2はフィルターを通過せずにまっすぐに進む。研究チームは、光子1と、もつれた光子2の両方を同じタイミングで捉えたときにのみ検出できる超高感度カメラを設置し、これらの可視記録を作成した。
4つの異なる位相において見られる量子のもつれ画像は、実に4万フレームを組み合わせたものだ。光子ペアはフィルターを通る前に分割されているにもかかわらず、両方がフィルターの位相と同じ相転移をしているのが見てとれる。
つまり、光子1が位相フィルターを通過した瞬間、対になる光子2の状態が決定されたことになる。研究チームは、これらの位相データを「ベルの不等式」でテストしたところ、2つの光子がほかでもない「量子もつれ」状態にあったことを報告している。
量子コンピューティングへの応用も可能に
「わたしたちが捉えた画像は、自然の基本的性質をエレガントに表現したものです。しかも、それを画像として初めて見ることができたのです」と、論文の筆頭著者であるポール＝アントイン・モロー博士は語っている。「これは量子コンピューティングの新たな分野を前進させ、新しいタイプの画像処理に役立つ素晴らしい成果です」
この量子イメージング技術は、光の量子的状態のあらゆる可能性にアクセスできることを実証したものだ。「ベルの不等式」は、量子コンピューティングや暗号化の分野ですでに応用されているコンセプトである。それゆえに今回の実験で新たに得られた画像処理技術は、量子を用いたシステムのパフォーマンスを推し量るうえで有効な手段になるだろうと、研究チームは考えている。
TEXT BY SANAE AKIYAMA