光を使って量子の奇妙さを見る…かもしれない

研究者が全く驚くべき結果を報告しても、その重要性を伝える方法が見つからないため、ここでは取り上げません。また、マスコミが研究を過度に誇張しすぎる場合もあり、その研究がなぜそれほど大きな進歩ではないのか、あるいは実際には全くのナンセンスなのかという視点でバランスを取ることが、私にとって唯一の客観的な判断材料だと感じています。今、私は未知の領域に足を踏み入れています。報告された研究は非常に興味深いものですが、その記述に致命的な欠陥があり、それが研究全体を否定するものなのか、それとも結論の一部だけを否定するものなのか、あるいは全く無関係なものなのか、私には判断できません。

研究者たちは、これまで予測されながら観測されていなかった、光に対する非交換操作を実証したと主張している。非交換操作とは、実行する順序によって異なる結果をもたらす操作のことである。その好例が回転である。左手を前に持ち、手のひらを体から離し、指を上に向け、親指をできるだけ水平にする。次に、親指を中心に前方に 90 度回転させる（手のひらは床を向く）。次に、指を中心に反時計回りに 90 度回転させる（親指は上を向く）。今度は、逆の順序で回転を繰り返す。2 回目の回転は、体の外側に向く軸を中心にした回転で、手のひらは前を向き、親指は上を向いた状態になる。1 回目の回転は、体の前面と平行な軸を中心にした回転で、正しい回転では親指が体から遠ざかり、手首が脱臼したように感じるはずだ。結果の違いは、操作が非交換であることを示す。

非可換性の特に奇妙な例として、光の生成演算子と消滅演算子の関係が挙げられます。基本的に、光子を破壊してから生成するのと、光子を生成してから破壊するのとでは、結果は同じではありません。主にフィレンツェを拠点とする研究チームが、これを見事に実証しました。制御された光子除去は、反射率の非常に低い鏡と、反射光子の進路上に配置された検出器によって実現されます。統計的に言えば、検出器が「ビング」すると、光から1つの光子が除去されます。

特殊な増幅器を用いることで、単一の光子を再び加えることができます。高エネルギー光子は2つの低エネルギー光子に分割できます。高エネルギー光子を正しく選択することで、生成される光子は、光子を追加したいビームのものと全く同じ色になります。特定の結晶媒体で光子の追加を行うと、1つの光子が光に追加され、もう1つの光子は別の方向に進み、光検出器で検出されます。この検出器からの信号は、光子が追加されたことを意味します。その後、反射率の非常に低い2つ目のミラーを用いて減算を行い、その結果を3つ目の検出器で検出します。最終的に、ビーム内の光子数を測定します。

光源を急速にオンオフすると、様々な結果が考えられます。光子が1つ減るだけで、他に何も起こらないこともあります。光子が追加されるだけで、他に何も起こらないこともあります。光子が追加され、その後に別の光子が減ることもあります。光子が減るだけで、その後に別の光子が追加されることもあります。最終的には、光子が1つ減る、光子が追加される、そしてさらに別の光子が減るという、3つの操作すべてが発生することもあります。光子の生成と消滅が可換であれば、減算と加算、加算と減算のどちらを行っても、光子の数は同じになるはずです。しかし、研究者たちは、実際にはそうではないことを示しました。

とてもエレガントな実験で、一件落着、そうでしょう? いや、問題があります。消滅演算子と生成演算子は、インコヒーレントな光源に適用された場合にのみ非可換です。次のように考えてください。レーザーからの光は位相コヒーレンスを持ちます。つまり、光子は互いに厳密な空間的および時間的関係を持ちます (モードと呼ばれます)。このビームに光子を追加するには、同じモードである必要があります。光子を減算する場合、他のモードが利用できないため、そのモードにある光子からのみ減算できます。このような状況では、加算と減算をどの順序で行うかは問題ではありません。ただし、インコヒーレントな光源の場合、光子は互いに固定された空間的および時間的関係を持たない (たとえば、光子は多くのモードに分散している) ため、加算器は他の 1 つの光子がそのモードにある限り、光子をどのモードにも配置できます。このように、加算と減算の順序によって結果が異なる場合があります。

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