波動性と粒子性は、自然界における物質の2つの基本的な性質です。光の場合、それが波か粒子かという議論は17世紀にまで遡ります。ニュートンは著書『光の波動論』の中で、比較的完璧な光の粒子理論を確立しました。光学光の粒子説は、ほぼ一世紀にわたって主流の理論となりました。ホイヘンス、トーマス・ヤング、マクスウェルらは、光は波であると信じていました。20世紀初頭まで、アインシュタインは光学量子的な説明光電式この効果により、人々は光が波動と粒子の二重性の特性を持っていることを認識しました。 ボーアは後に有名な相補性原理で、光が波として振る舞うか粒子として振る舞うかは特定の実験環境に依存し、両方の特性を単一の実験で同時に観察することはできないと指摘しました。 しかし、ジョン・ホイーラーが有名な遅延選択実験を提唱した後、その量子バージョンに基づいて、光は「波でも粒子でもない、波でも粒子でもない」という波動粒子重ね合わせ状態を同時に具体化できることが理論的に証明され、この奇妙な現象は多数の実験で観測されています。 光の波動粒子重ね合わせの実験的観測は、ボーアの相補性原理の伝統的な境界に挑戦し、波動粒子二重性の概念を再定義します。
2013年、アハロノフらは『不思議の国のアリス』に登場するチェシャ猫に着想を得て、量子チェシャ猫理論を提唱しました。この理論は、チェシャ猫の体（物理的実体）と笑顔（物理的属性）の空間的な分離が実現可能という、非常に斬新な物理現象を明らかにしています。これにより、物質的属性とオントロジーの分離が可能になります。研究者らは、中性子系と光子系の両方でチェシャ猫現象を観測し、さらに2匹の量子チェシャ猫が笑顔を交換する現象を観測しました。
最近、この理論に触発されて、中国科学技術大学の李伝鋒教授のチームは、南開大学の陳静玲教授のチームと共同で、光学光子の異なる自由度を用いた実験を設計し、仮想時間発展に基づく弱測定技術を用いることで、波動特性と粒子特性を空間的に分離する。光子の波動特性と粒子特性は、異なる領域で同時に観測される。
この結果は、量子力学の基本概念である波動粒子二重性についての理解を深めるのに役立ち、また、使用される弱い測定方法は、量子精密測定と反事実的通信の方向への実験研究にアイデアを提供します。
| 論文情報 |
Li, JK., Sun, K., Wang, Y. et al. 量子チェシャ猫を用いた単一光子の波動‐粒子二重性の分離の実験的実証. Light Sci Appl 12, 18 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41377-022-01063-5
投稿日時: 2023年12月25日