単一光子のホログラムを測定するための実験

物理学者は不可能な量子ホログラムを作成した

2016年7月21日|
単一光子の量子ホログラム

単一の光の粒子を持つホログラム！

ごく最近まで、物理学の基本法則により、単一光子のホログラムを作成することは不可能であると考えられていました。しかし、ワルシャワ大学の物理学部の科学者は、古典的なホログラフィの概念を量子現象の世界にうまく適用しています。新しい測定技術により、単一の光粒子の史上初のホログラムを登録することが可能になり、量子力学の基礎に新しい光を投じました。

ワルシャワ大学物理学部の科学者は、単一の光粒子の史上初のホログラムを作成しました。著名な雑誌Nature Photonicsで報告されている壮大な実験は、Wojciech Wasilewski博士とKonrad Banaszek教授の監督の下、Radoslaw Chrapkiewicz博士とMichal Jachuraによって行われました。単一光子のホログラムの登録の成功は、ホログラフィの新しい時代を予感させます。量子ホログラフィは、量子現象に関するまったく新しい視点を提供することを約束します。

「私たちは、観察が非常に困難なものを測定して表示するために、比較的単純な実験を実行しました。単一光子の波面の形状です」とChrapkiewicz博士は言います。
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標準的な写真では、画像の個々のポイントは光の強度のみを記録します。古典的なホログラフィでは、干渉現象は光波の位相も記録します（画像の深さに関する情報を伝えるのは位相です）。ホログラムが作成されると、よく説明された、乱れのない光波（参照波）が同じ波長の別の波と重ね合わされますが、3次元オブジェクトから反射されます（2つの波のピークとトラフは、画像の異なるポイント）。これにより干渉が発生し、2つの波の位相差により複雑な線のパターンが作成されます。次に、そのようなホログラムに参照光のビームを照射して、オブジェクトから反射された光の波面の空間構造を再現します。

2つの波を生成するフォトンの数が最小、つまり単一の参照フォトンとオブジェクトによって反射される単一のフォトンに減少すると、同様のメカニズムが観察されると考えるかもしれません。それでも、あなたは間違っているでしょう！個々の光子の位相は変動し続けるため、他の光子との古典的な干渉は不可能になります。ワルシャワの物理学者は一見不可能な課題に直面していたので、彼らは異なる方法で問題に取り組みました：電磁波の古典的な干渉を使用するのではなく、光子の波動関数が相互作用する量子干渉を登録しようとしました。

波動関数は量子力学の基本概念であり、最も重要な方程式であるシュレディンガー方程式の核です。熟練した物理学者の手で、この機能は彫刻家の手にあるパテと比較できます。巧妙に形作られると、量子粒子システムのモデルを「成形」するのに使用できます。物理学者は常に、与えられたシステム内の粒子の波動関数について学習しようとしています。そのモジュラスの2乗は特定の状態で粒子を見つける確率の分布を表しているため、非常に有用です。
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「これはやや複雑に聞こえるかもしれませんが、実際には、私たちの実験は本質的に単純です。光強度の変化を見るのではなく、量子干渉後の光子のペアを登録する確率の変化を見てください」と博士課程の学生Jachuraは説明します。

なぜ光子のペアなのか？ 1年前、ChrapkiewiczとJachuraは、ワルシャワ大学で構築された革新的なカメラを使用して、ビームスプリッターに入る区別可能な光子と区別できない光子のペアの動作を撮影しました。光子が区別できる場合、ビームスプリッターでの動作はランダムです。一方または両方の光子を透過または反射できます。区別できない光子は、量子干渉を示し、その動作が変化します。それらはペアになり、常に一緒に送信または反射されます。これは、2光子干渉またはHong-Ou-Mandel効果として知られています。

「この実験に続いて、既知の状態の光子を使用して未知の状態の光子に関する詳細な情報を得るために、ホログラフィーの古典的な干渉と同様に2光子の量子干渉を使用できるかどうかを尋ねられました。結論：2つの光子が量子干渉を示す場合、この干渉の経過は波面の形状に依存することが判明しました」とChrapkiewicz博士は言います。

単一光子のホログラムを測定するための実験セットアップのスキーム

単一光子のホログラムを測定するための実験セットアップのスキーム。クレジット：FUW / dualcolor.pl / jch

量子干渉は、光子のペアを登録することで観察できます。実験は何度も繰り返す必要があり、常に同じ特性を持つ2つの光子を使用します。これらの条件を満たすために、各実験は、平坦な波面と垂直偏光を持つ一対の光子から始めました。これは、各光子の電界が単一の平面でのみ振動し、これらの平面が2つの光子に対して垂直であったことを意味します。異なる偏光により、結晶内の光子を分離し、シリンドリカルレンズを使用して波面を湾曲させることにより、光子の1つを「不明」にすることができました。光子がミラーで反射されると、ビームスプリッター（方解石結晶）に向けられました。スプリッターは、垂直偏光した光子の方向を変更しませんでしたが、水平偏光した水平方向の光子を発散させました。各方向が等しくなるようにし、結晶がビームスプリッターとして機能するようにするために、光子がスプリッターに入る前に、光子の偏光面を45度曲げました。光子は、以前の実験用に設計された最先端のカメラを使用して登録されました。測定を数回繰り返すことにより、研究者は、空間の単一点から見た未知の光子のホログラムに対応する干渉画像を得ました。この画像を使用して、未知の光子の波動関数の振幅と位相を完全に再構築しました。
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ワルシャワの物理学者によって行われた実験は、量子力学の基本原理の理解を向上させるための大きな一歩です。これまで、光子の波動関数の位相に関する情報を取得する簡単な実験的方法はありませんでした。量子力学には多くの用途があり、前世紀に何度も非常に正確に検証されてきましたが、波動関数が実際に何であるかを説明することはまだできません。？

「私たちの実験は、光子の波動関数の基本的なパラメーターの1つである位相を直接観察できる最初の実験の1つです。波動関数が実際に何であるかを理解するための一歩に近づきました」

ワルシャワの物理学者は、量子ホログラフィを使用して、個々の光子の波動関数を再構築しました。研究者は、将来、同様の方法を使用して、特定の原子などのより複雑な量子オブジェクトの波動関数を再現できるようになることを望んでいます。量子ホログラフィーは、セキュリティ（ホログラムは偽造が困難です）、エンターテイメント、輸送（貨物の寸法を測定するスキャナーで）、顕微鏡イメージング、光学データの保存、および加工技術？

「今日、この質問に答えるのは難しい。私たち全員、つまり物理学者たちは、まずこの新しいツールに頭を悩まさなければならない。量子ホログラフィの実際の応用は、数十年はまだ現れないだろう。バナゼック教授は要約します。

この記事は、コロラド大学癌センターが提供する資料から再発行されました。注：素材は長さと内容が編集されている場合があります。詳細については、引用元にご連絡ください。