オランダで行われたこの実験は、標準量子力学についてより確実な証拠になると、物理学者たちは話します。 また、より安全な量子暗号装置をつくることもできます。ジュネーブ大学のニコラスジセンは"根本的な観点で、これは歴史的な実験です"と言いました。
アインシュタインの不満
量子力学はどのような物体が同時に互いに他の状態にあることを許可します。 さっそく一原子が異なる場所にいたり、他のスピン方向を有していることができます。 しかし、私たちがその原子の場所又はスピンの方向を測定した瞬間、その原子は一つの状態で崩壊することになります。 また、互いに他の粒子の状態が複雑に絡み合って(entangled)あり得るし、これは一粒子が測定された際、他の粒子の状態も変わることを意味します。
アインシュタインはこのまつわる粒子間の相互作用が二粒子がとても遠く離れた時にも瞬間的に起きるように見えており、これはどんなことも、光速より早いことがないという原則を違反するという事実に苦しみました。 彼はこれを避けるため、二つの粒子が測定される前にすでにどんな特性を持っていると仮定し、その特性を"隠れた変数(hidden variable)"と呼んでいました。 これを通じて彼は何かが伝達されるのではなく、その隠れた変数によって二粒子の間に特別な相関関係が現れるものだと思いました。
1960年、アイルランドの物理学者、ベルはアインシュタインの隠れた変数理論と量子力学の遠距離作用を区別する実験を提案しました。 彼は隠れた変数理論で説明することができる相関関係の限界を計算し、もし実験結果がそれよりもっと大きい値を示したら、これはアインシュタインが間違っていることを言うことを見せました。
量子力学の勝利、アインシュタインの敗北
最初のベル実験は1981年、フランスの研究所で行われ、その後に多くの実験が行われました。 そして結果はいつも量子力学の方でした。 しかし、それぞれの実験はまた、それぞれのどんな問題点を持っていたためにアインシュタインの隠れた変数理論は引き続き生き残りました。 例えば、絡み合った光子を利用する実験では'測定問題'がありました。 まもなく、実験で作られた光子たちはすべて測定されることがなく、時には80%に達する、光子はただ消えます。 したがって、実験者たちはただ測定された光子だけで実験で作られた光子集団の性質を推定しなければならなかったです。
この問題を避けるために物理学者はより失われない簡単な粒子、つまり原子を使ったりもしました。 しかし、原子の場合、二つの原子のもつれの状態を破ることなく、これを避難させるのは非常に大変でした。 これは"通信の問題"、すぐにまつわる原子を十分に引き離しない場合、原子に加えられる測定が他の原子に起こしている変化が、光より早いということを見せられない問題を作りました。
からみ交換(Entanglement swapping)
この8月24日物理学者たちが論文を提出するウェブサイト・アーカイブにはこの'測定問題'と'通信の問題の'を全て解決した最初のベル実験結果が掲載されました。 これらは光と物質の長所を全て利用できるからみ交換という技術を使用しました。 彼らは先に1.3km離れた二つの研究室にそれぞれダイヤモンド結晶を準備しました。 この決定の内部にはそれぞれ電子があり、二つの電子は絡み合っていない状態でした。 その後、第3の場所で絡み合った二つの光子をして、それぞれの研究室に送り、各光子が二電子とそれぞれ複雑に作りました。 これを通じてもう二電子は互いに絡み合った状態になりました。
彼らは9日の間、計245組の絡んだ電子対を作り出し、これを通じてベルの実験を進めました。 そして、その結果はやはり量子力学の方でした。 また、彼らの実験は測定が容易な電子を使用したために'測定問題'を避け、十分に遠く離れたために'通信の問題の'も避けました。
ウィーン量子科学技術研究所の物理学者アントン・ザイルリーガーは"本当に嬉しい、美しい実験です"と言います。
"私はこれらのうち1人が数年後、別のもっと古い実験の研究者たちとともにノーベル賞を獲得しても驚かないでしょう。"ワーテルローペリーメタ理論物理研究所のマシューライポの言葉です。 "その程度にすごいことです。"
今回の実験は量子暗号理論においても重要な意味を持っています。 すでに量子暗号を利用し、盗聴が不可能な通信装置を販売する会社があります。 この装置は二まつわる光子をして、それぞれを双方に送ります。 両国は、同まつわる光子を利用してお互いだけ確認できる暗号鍵を作るようになります。 もし誰かがこの光子を中間からうかがうなら、量子力学の特性上、使用者たちは誰かがこれをうかがったという事実を知り合いになります。
最後の問題
しかし、この'測定問題'は精巧な盗聴の試みの余地を残しました。 また、会社も使用者には量子暗号に見えるが、実は盗聴が可能な装置を販売できました。 1991年物理学者のアーサーエガートはベルの実験が量子暗号と密接な関係があることを見せました。 しかし、このためにはベルの実験にどのような'問題'も存在しないしました。 ザイル点滴は今回の実験が"量子暗号が完璧に安全だという最終証拠"と言います。
しかし、からみ交換を実用化することは容易でない問題です。 ジュネーブで量子暗号装置を作る会社を共同で創業したジセンは実際の暗号鍵を作るためには1分に数千ビットを作らなければならない反面、今回の実験で研究陣が数百対を作るためには1週間以上がかかったという点を指摘しました。
ザイル点滴はまた、多少哲学的な問題ではあるが、ベル、自分が先に指摘した最後の問題が残っていると言いました。 これは隠れた変数が実験者の測定対象の選択に影響を及ぼす可能性です。 これは"自由意志の問題"と呼ばれます。
ライポはしかし、この問題をあまり気にしません。 "すべての選択がビッグバンの瞬間、すでに決定されていたというチョギョルチョン論があります。 これは誰も証明したり、反証できない理論です。 したがって、ほとんどの物理学者たちはこれを神経を使わないと言えます。"
ソース http://www.nature.com/news/quantum-spookiness-passes-toughest-test-yet-1.18255
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