量子消しゴム検証実験の提唱

はじめに 

このページで説明する実験手法に関する知的財産権は放棄するものとする。 二次的利用についても同様とする。

Double-slit quantum eraser(量子消しゴム実験)の検証実験 

量子力学のある種の実験において、どちらの経路を通ったかを示す目印=Which Path Marker(以下、「WPM」)を付けると、実際にWPMを観測しなくても、干渉縞が生じなくなるとされている。

しかし、量子消しゴム実験にも書いた通り、「WPM」が本当にWPMとして機能するのかどうかは眉唾物である。 もしも、WPMとして機能するのであれば、いずれか一つの経路の波が射影仮説による「波束の収縮」後の可観測量を決めることになる。 それでは、二重スリット実験の干渉縞が説明できなくなる。 干渉縞が生じるためには、可観測量が複数の経路の波の合成波で決定される必要があるが、それではWPMとして機能し得ない。

以上の通り、「WPM」が本当にWPMとして機能するとは到底考え難い。 そこで、「WPM」が本当にWPMとして機能するかどうかを検証する実験を提唱する。

実験手法 

Double-slit quantum eraserの実験手法を一部流用する。

FIG.1

論文中のFIG.1の図を以下のように置き換える。

  • POL1は使用しない
  • QWP1,QWP2は偏光板に置き換え、それぞれの偏光方向を90°ずらす。

DPでは偏光の回転方向(量子力学的にはスピン)を検出する。 ただし、DSの検出結果と相関できないデータは破棄する。 その際、DSを少しずつ(x)ずらした状態で何度もデータを取り、横軸をx、縦軸を検出確率としたグラフを描く。

結果の解析 

  • x値に関わらず、検出確率が常に50%:50%となるなら、「WPM」がWPMとして機能している。
  • 検出確率がx値によって変動するなら、「WPM」はWPMとして機能していない。

実験の解説 

「WPM」がWPMとして機能するならば、可観測量はいずれか一つの経路の波によって決定される。 2つの経路上に置いた偏光板により、いずれの経路の波も直線偏光となる。 直線偏光は、同じ強さの逆回転の円偏光に分解できるので、偏光の回転方向(量子力学的にはスピン)の検出確率は50%:50%となる。 以上により、「WPM」がWPMとして機能するならば、検出確率は常に50%:50%となる。

可観測量が複数の経路の波の合成波で決定されるならば、当然、「WPM」はWPMとして機能しない。 2つの経路の波の合成波は、2つの経路の距離差によって、右円偏光、左円偏光、直線偏光、あるいは、それらの中間の偏光(楕円偏光)となる。 右円偏光であれば右円偏光が100%検出され、左円偏光であれば左円偏光が100%検出される。 直線偏光であれば、先ほどの説明通り、検出確率は50%:50%となる。 楕円偏光であれば円偏光と直線偏光の中間の検出確率となる。 そして、2つの経路の距離差はx値によって決まるため、x値と検出確率には相関関係が生じる。 この場合は、検出確率がx値に応じて変動することとなる。 それは、ちょうど、先の論文中のFIG.2のような形となろう。

FIG.2

まとめ 

「WPM」がWPMとして機能していないなら、紛い物のなんちゃってWPMでも干渉縞が消えていることになる。 つまり、本物のWPMでなくても干渉縞が消えるなら、量子消しゴム実験が干渉縞とWPMの因果関係の証拠とならないことを示している。 尚、その場合は、干渉縞としての模様が生じなくても偏光の形で干渉の痕跡が生じていることを示しているため、干渉縞を生じないことが「波の性質が失われた」ことを意味しないことも証明する。

もしも、「WPM」がWPMとして機能していたとすれば、二重スリット実験の干渉縞との理論的整合性を考える必要がある。 また、干渉縞の有無とWPMの因果関係についても、確定的に論じるには不十分であろう。

メイキング・オブ・検証実験 

Double-slit quantum eraserにおいて「WPM」がWPMとして機能するならば、 この実験の「簡易版」 とやらでも「WPM」がWPMとして機能するはずである。 ところで、「簡易版」ではWPMではどのように検出するのだろうか…とぼんやり考えていた。 その前に「簡易版」ではどのような干渉が起きているか整理しなければと考えた所で、「簡易版」でフルセットの検出方法を使ったらどうなるかと思いついた。

「WPM」がWPMとして機能するならば、DPやDSで一方の経路を通った光だけを検出しなければならない。 それならば、「簡易版」で同じ検出方法を用いても一方の経路を通った光だけを検出しなければおかしい。 そして、「簡易版」では、一方の経路を通った光は必ず直線偏光となる。 だから、「WPM」がWPMとして機能するならば、「簡易版」で同じ検出方法を用いた場合には、検出確率が常に50%:50%となるはずである。

逆に、一方の経路を通った光だけを選別できず、両経路の合成を検出するとすればどうなるか。 先の述べた通り、両経路の合成は、場所により、円偏光だったり、楕円偏光だったり、直線偏光だったりする。 であれば、場所によって検出確率が変化するはずである。

以上により、場所によって検出確率が変化するかどうかを確認すれば、「WPM」がWPMとして機能するかどうかを確かめられる。 ということに気づいた。 ここまで約3分。 ほんの軽い思いつきであって、知的財産権を主張するほどの高度な思考結果ではない。 説明文をまとめるのに2時間くらいかかったかな?


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