量子もつれ: 2 つの世界間の目に見えないリンク

科学的要約

この記事は量子もつれを説明しています。これは、二つの粒子が共通の量子状態を共有し、距離に関係なくその性質（偏光、スピン）を瞬時に相関させる現象です。この状態は、|ψ⟩ = (|H⟩A|V⟩B + |V⟩A|H⟩B)/√2 のような単一の波動関数で記述され、各光子の偏光は測定前に定義されません。一方の粒子を測定すると波動関数が瞬時に収縮し、他方の状態が決定されます。この非局所的相関は、結果がランダムであり、利用可能な情報伝達を許さないため、相対性理論に違反しません。

もつれた二つの粒子は、どのように距離を越えて瞬時に結びつくのか？

量子もつれは、単一の波動関数を通して、光子のような二つの粒子間に非局所的な結合を創り出します。それらの性質（偏光、スピン）は、測定前には個別に定義されていません。一方が測定されると、その波動関数は瞬時に収縮し、たとえ光年離れていても、即座に他方の状態を確定させます。しかし、この瞬時の相関は（測定結果がランダムであるため）利用可能な情報を伝達せず、アインシュタインの特殊相対性理論が課す光速の限界を尊重します。

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

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。

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

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。

非局所相関

量子もつれは量子力学の基本現象に基づいており、非局所相関。

非局所相関は実験的に証明された現象です。利用可能な情報を光より速く送信することはできません。それは単に、量子力学が局所性と実在性に関する古典的な直観に違反していることを示しています。

ローカル変数: 因果関係と速度制限

ローカル変数は、ローカルな相互作用、つまり、そのすぐ近くに位置する相対論的因果関係に基づく原因によってのみ影響を受けるシステムの内部特性です。

非局所変数: 光速を超える

非ローカル変数は、距離に関係なく、他の場所で発生したイベントによって即座に影響を受ける可能性のあるシステムのプロパティです。

注：光の速度は、物理的影響の伝播に制限を課すため、ローカル変数と非ローカル変数の区別において基本的な役割を果たします。

FAQ：量子もつれに関するあらゆる情報

簡単に言うと、量子もつれとは何ですか？

二つの粒子（例えば光子）が、単一の量子状態を共有するように結びつく現象です。それらの性質（偏光など）は相関しており、一方を測定すると、たとえ遠く離れていても瞬時に他方の状態が決まります。量子論的に見れば、それらが「一つ」になったようなものです。

なぜもつれはアインシュタインの相対性理論に違反しないのか？

それは利用可能な情報の伝達を伴わないからです。相関は瞬時的ですが、測定結果はランダムであり、粒子の状態を選んでメッセージを符号化することはできません。したがって、いかなる信号も光速を超えず、相対論的因果律は保たれます。

この文脈での波動関数の収縮とは何ですか？

測定前、もつれた系の量子状態は、すべての可能性（重ね合わせ）を含む波動関数で記述されます。一方の粒子が測定されると、この波動関数は収縮して確定した状態になり、瞬時に他方の粒子の相関した状態を決定します。この収縮は瞬時的ですが、それは私たちの知識の更新を表すものであり、物理的な作用ではありません。