最終更新日: 2025 年 8 月 29 日

量子もつれ: 2 つの粒子が 1 つになるとき!

量子もつれと非局所性 — *もつれた光子のペアの作成。画像出典:astronoo.com*

光の量子もつれ

L'量子もつれ2 つの粒子が、粒子間の距離に関係なく、一方の量子特性がもう一方の量子特性に即座に依存するように結合される現象です。

この現象は、古典的な原理に関連して疑問を引き起こします。アインシュタインの特殊相対性理論これは、真空中では光より速く移動できるものはなく、したがって長距離にわたって瞬時に情報を送信することはできないと述べています。

では、2 つの粒子が異なる物理的特性 (エネルギー、運動量、分極、スピンなど) に関して絡み合った状態を重ね合わせている可能性があり、粒子間の距離がどのようなものであっても、一方の測定によりもう一方の状態が即座に定義されることをどのように説明できるでしょうか。

については、絡み合った2つの光子のエネルギー1 つの高エネルギー光子 \( E_0 \) が 2 つの低エネルギー光子 \( E_1 \)、\( E_2 \) に変換されるとき、エネルギー保存則により \( E_0 \)=\( E_1 \)+\( E_2 \) が課せられるため、一方の光子のエネルギーを測定すると、すぐにもう一方の光子に影響します。

もつれた光子のペアの偏光に関する例

特別なクリスタルを使用すると、もつれた2つの光子。

たった一つの光子(ω_p) が結晶に入り、2 つの新しいもつれ光子に分裂します (ω_sそしてω_c）。これら 2 つのもつれ合った光子は、共通の量子特性を共有します。分極化。言い換えれば、それらは量子相関関係を維持しており、それぞれの周波数の合計は初期光子の周波数 (ω) に対応します。_p=ω_s+ω_c）。

このシステムは、量子重ね合わせの可能な状態の 1 つで記述できます: \( |HH\rangle \) + \( |HV\rangle \) + \( |VH\rangle \) + \( |VV\rangle \)

\( |HV\rangle \) + \( |VH\rangle \) の 2 つの状態を重ね合わせるだけの場合、2 つの粒子は絡み合った状態になります。

\[ |\psi\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} \left( |H\rangle_A |V\rangle_B + |V\rangle_A |H\rangle_B \right) \]

A と B は 2 つの分離された光子を示します。
\( |H\rangle \) は水平偏光した光子を表します。
\( |V\rangle \) は垂直偏光した光子を表します。
\( |\psi\rangle \) は系の量子状態を指定します (ディラック表記)。
\( |H\rangle_A |V\rangle_B \) は偏光状態を表します。

この式は何を意味するのでしょうか?

これは、全体的な状態システムの状態は、各粒子の個別の状態だけでは説明できず、両方の粒子を同時に含む単一の波動関数によって説明されます。

私たちの例では、光子は測定前に定義された偏光を持っていませんしかし、それらの偏光は相関しています。1 つの光子を測定してそれが水平偏光 (��) であれば、もう一方の光子は垂直偏光 (��) になり、その逆も同様です。

量子もつれの文脈における 2 つのもつれ粒子間の相互作用は、「古典的なコミュニケーション私たちが理解している意味では、つまり、一定の速度で空間を横切る信号や情報です。

各粒子の特性は測定前に定義されていません。それらは測定の瞬間にのみ「現実」になります。実際に情報は送信されないため、測定結果が遠隔地であっても即座に関連付けられるという事実は、相対性理論に違反しません。これは単に 2 つの粒子の状態間の相関現象であり、共通の絡み合い状態によって相互依存しています。

注：波動関数は客観的な物理的現実を表すものではなく、システムに関する私たちの知識を表すだけです。量子状態には、測定前には定義された特性はありません。

波動関数の崩壊

観測者が粒子 A を測定すると、粒子間の距離に関係なく、波動関数は瞬時に崩壊し、粒子 B は相関状態になります。この相関関係は瞬間的ですが、結果はランダムのままであるため、情報の転送があることを意味するものではありません。

アリスとボブという 2 人の観察者が、もつれた粒子のペアを共有していると想像してください。アリスは自分のパーティクルを測定し、結果 (+1 または -1 など) を取得します。ボブは、自分自身の測定により、常にアリスの結果と相関する結果を取得します。しかし、アリスは自分で結末を選ぶことはできません。したがって、パーティクルの状態を操作してメッセージをエンコードすることはできません。測定結果は基本的にランダムであるため、制御することができません。

注：波動関数の崩壊は瞬間的ですが、それは実際の物理的な作用を表すものではなく、観測者の情報が更新されるだけです。