大きな物体の量子的性質をテストするためのプロトコル（原理的には、あらゆる質量の物体に適用可能）が、英国とインドの研究者によって提案されました。このプロトコルの重要な特徴は、量子力学が大規模で有効であるかどうかをテストするために巨視的な量子状態を作成する必要性を回避できることです。しかし、物理学者の中には、この研究が大きな進歩であると確信していない人もいます。
量子力学は、原子、分子、電子のような素粒子を記述するという素晴らしい仕事をします。ただし、より大きな物体は通常、もつれや重ね合わせなどの量子的な動作を示しません。これは、繊細な量子状態がノイズの多い環境と相互作用するときに発生する量子デコヒーレンスの観点から説明できます。これにより、巨視的なシステムが古典物理学に従って動作します。
量子力学が巨視的スケールでどのように分解されるかは、理論的に興味深いだけでなく、量子力学とアルバート・アインシュタインの一般相対性理論を調和させる理論を開発する試みにとっても重要です。したがって、物理学者は、ますます大きくなる物体の量子の挙動を観察することに熱心です。
恐るべき挑戦
巨視的な量子状態を作成し、その量子挙動を観察するのに十分な期間保持することは、トラップに保持されている原子や分子よりもはるかに大きな物体を扱う場合、非常に困難な課題です。実際、10 つの独立したグループ (XNUMX つは米国、もう XNUMX つはフィンランド) による、振動する巨視的なドラムヘッド (サイズはそれぞれ XNUMX ミクロン) の量子もつれが、次のように選択されました。 物理学の世界 2021年の躍進 チームの実験的能力に対して。
新しいプロトコルは、Leggett-Garg 不等式からインスピレーションを得ています。これは、ベルの不等式を修正したもので、2 つの物体が量子力学的にもつれているかどうかを、それらの状態の測定値間の相関から評価します。ベルの不等式が破られると、測定値は非常によく相関するため、それらの状態が独立していれば、情報は物体間を光よりも速く伝わるはずです。超光速通信は不可能と考えられているため、違反は量子もつれの証拠として解釈されます。
Leggett-Garg 不等式は、同じ原理を同じオブジェクトの連続測定に適用します。オブジェクトの特性は、最初に、それが古典的 (非量子) オブジェクトの場合、非侵襲的な方法で測定されます。その後、別の測定が行われます。オブジェクトが古典的なエンティティの場合、最初の測定は 2 番目の測定の結果を変更しません。しかし、それが量子波動関数によって定義されたオブジェクトである場合、測定という行為自体がそれを乱すことになります。その結果、連続する測定間の相関により、その物体が古典力学に従うか量子力学に従うかが明らかになります。
振動するナノクリスタル
2018年に理論物理学者 ソウガート・ボズ ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジの研究者らは、光高調波トラップ内で前後に振動する冷却されたナノ結晶に対してそのような試験を行うことを提案した。ナノ結晶の位置は、トラップの片側に光線の焦点を合わせることで決定されます。光が散乱せずに通過する場合、オブジェクトはトラップの反対側にあります。後で罠の同じ側を観察することによって、Leggett-Garg 不等式が破られているかどうかを計算できます。もしそうであれば、最初に物体が検出されなかったことによりその量子状態が乱され、したがってナノ結晶は量子的挙動を示すことになる。
問題は、トラップの同じ側で質量を2回測定しなければならないことだとボーズ氏は言う。量子状態は測定全体を通じてコヒーレントを維持する必要があるため、これは振動周期が短い質量の場合にのみ実行可能です。ただし、関心のある塊が大きい場合、これが機能するには期間が長すぎます。さて、ボーズらは、物体が古典力学に従う場合に到達すると予想される位置で2回目の測定を行うことを提案している。
「通常の振動で起こるであろう場所に行って、その場所でどれだけ異なるかを調べる方がはるかに良いです」とボーズ氏は言います。
このスキームの利点は、物体がコヒーレント状態にある限り、古典調和振動子の予想される位置を常に計算できるため、あらゆる質量の物体に対して実験を行うことができることです。より大きな物体を分離することはより困難になりますが、ボーズ氏は、これらの一見古典的な状態は、重ね合わせなどのエキゾチックな巨視的な量子状態よりもノイズに対してより堅牢であると信じています。
システムの進化を追跡する
量子物理学者 ヴラトコヴェドラル オックスフォード大学の教授らは、研究者のアプローチが、空間的に分離された巨視的な量子状態を利用しようとする実験よりも利点をもたらす可能性があることに同意している。しかし、彼は、「これらの測定で重要になるのは、初期状態ではなく、実行する一連の測定です」と述べ、相関関係を明らかにするために最初の測定後のシステムの進化を追跡することは「重要ではない」と述べています。まったく些細な問題だ」
ナノ結晶における量子挙動を測定する方法
彼はまた、集団独立の主張にも懐疑的である。 「実際にこれがどれほど簡単に達成できるかはわかりません」と彼は言います。「しかし、それは単純に規模と相関関係にあります。なぜなら、サブシステムの数が増えるほど、環境への漏洩が増えるからです。」
トニー・レゲット （1980年代にアヌパム・ガルグと共同で不等式を開発した）は量子力学の基礎の専門家であり、超伝導と超流体に関する研究で2003年にノーベル賞を共同受賞した。現在イリノイ大学の名誉教授である彼は、ボーズ氏らの研究には別の問題があると考えている。 「研究者たちが量子力学が今後も機能し続けると確信していることは明らかですが、私はあまり自信がありません」と彼は言う。
しかし、レジェット氏は、量子力学の崩壊の証拠は、物理学界のほとんどの人々によって、侵襲的な測定によって引き起こされる可能性のあるデコヒーレンスの結果として解釈されるであろうと指摘しています。彼も参加している既知の状態での実験とは異なり、ボーズ氏らは、例えば異なる一連の状態で同じ測定プロトコルを使用するなど、測定がどの程度侵襲的であるかをテストする手段を提示していない、と彼は言う。
研究は、での出版が承認された論文に記載されています Physical Review Lettersに. A プレプリントは以下で入手可能です arXivの.
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- 情報源： https://physicsworld.com/a/protocol-could-make-it-easier-to-test-the-quantum-nature-of-large-objects/
