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ある。光の場合、それが波動か粒子かという議論は17世紀にまで遡る。ニュートンは著書の中で、光の比較的完全な粒子説を確立した。光学これにより、光の粒子理論がほぼ1世紀にわたって主流の理論となった。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た。20世紀初頭まで、アインシュタインは光学量子論的説明光電この効果により、人々は光が波動と粒子の二重性という特性を持っていることに気づいた。ボーアは後に、有名な相補性原理の中で、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、単一の実験で両方の特性を同時に観察することはできないと指摘した。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、その量子版に基づいて、光が「波でも粒子でもなく、波でも粒子でもない」波動と粒子の重ね合わせ状態を同時に体現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察されている。光の波動と粒子の重ね合わせの実験的観察は、ボーアの相補性原理の従来の境界に挑戦し、波動と粒子の二重性の概念を再定義するものである。
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触発され、量子チェシャ猫理論を提唱した。この理論は、チェシャ猫の身体（物理的実体）が笑顔（物理的属性）から空間的に分離できるという、非常に斬新な物理現象を明らかにし、物質的属性と存在論の分離を可能にする。研究者らはその後、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も観測した。
最近、この理論に触発され、中国科学技術大学の李伝峰教授の研究チームは、南開大学の陳静玲教授の研究チームと共同で、波動粒子二重性の分離を実現しました。光学すなわち、光子の自由度を変えて実験を設計し、仮想時間発展に基づく微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の理解を深めるのに役立ち、また、使用された弱測定法は、量子精密測定や反事実通信の方向における実験的研究のためのアイデアを提供するだろう。
| 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