量子もつれによって「太極図」が生成されるという噂がネット上で広まっている。これはまた形而上学ですか？真実は…

少し前に、量子もつれが「太極」パターンを生み出すというニュースがインターネット上で広く流布されました。この「太極拳」パターンは、Nature Photonics の論文から生まれました。

（論文リンク：

https://www.nature.com/articles/s41566-023-01272-3)

しかし、インターネット上では、真相を調査せずに、「量子もつれは意外にも太極図を提示し、科学の終着点は形而上学である」などと主張する人もいました。

実はこの「太極図」は実験中に人工的に作られたものなのです。

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太極図の噂を覆す鍵：陰陽の形に人工的に調整されたポンプライト

この論文のタイトルは中国語に翻訳すると「空間二光子状態の振幅および位相干渉イメージング」となります。ここでの「2光子状態」とは「量子もつれ状態」のことである。この論文の著者はイタリアのローマ大学とカナダのオタワ大学の研究者です。論文の要約によると、研究者らは実験において2光子状態のホログラフィックイメージングの効率を大幅に向上させたという。

論文「空間 2 光子状態の振幅および位相干渉イメージング」の要約 (画像出典: 論文のスクリーンショット)

広く流布されている「太極図」は、この論文の図6です。図 6 をキャプチャし、重要な情報を黄色で強調表示しました。重要な情報は、独自の陰陽形状を持つポンプ光のビームです (挿入図を参照)。

したがって、入力ポンプビーム自体は、図 6a の右上隅にある小さな図形の形状になります。図6aは参照光とポンプ光によってそれぞれ生成されたSPDC状態の干渉パターンであり、図6bはaの干渉パターンを通じて再構成されたポンプ光の形状です。

SPDC の正式名称は「自発的パラメトリック ダウンコンバージョン」ですが、読み方が少しわかりにくいです。ここで知っておく必要があるのは、これが 2 光子量子もつれを実験的に生成する主な方法であるということです。具体的には、比較的高周波のポンプ光のビームが非線形結晶に当たると、エンタングルされた光子のペアが連続的に生成されます。

運動量とエネルギーの保存則により、生成される光子対のエネルギーはポンプ光の光子のエネルギーに等しくなり（光子1個のエネルギーはポンプ光の光子のエネルギーの半分なので、ダウンコンバージョンと呼ばれます）、光子対の合計運動量と角運動量もポンプ光の光子のそれらに等しくなります。このようにして、光子対は量子もつれ状態、つまり、経路と偏光方向（スピン角運動量）がもつれた状態を形成します。

「空間二光子状態の振幅と位相の干渉画像化」の図6は、インターネット上で流布されているいわゆる「太極図」である（画像出典：論文のスクリーンショット）

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「独自の陰陽形状を持つポンプ光線」を生成するにはどうすればよいでしょうか?

次に、「陰陽の形状を持つポンプ光のビーム」がどのように生成されるかを見てみましょう。

この論文の図 2 に実験のセットアップを示します。図 2a はこの実験の光路図です。緑色の BBO 結晶は SPDC プロセスに必要な非線形結晶です。紫色の光線はポンプ光であり、赤色の光線はエンタングルメントした 2 つの光子であり、ビーム スプリッターを介して 2 つの単一光子カメラに当たります。

画像出典: 論文のスクリーンショット

黄色で強調表示されたテキストに注意してください: ポンプ光の形状は、紫外線空間光変調器 (UV-SLM) によって生成されます。つまり、図の左端にある SLM がポンプ光の形状を決定します。ポンプ光の波長は 405nm なので、これを変調するには紫外線 SLM が必要です。言い換えれば、図 6 の陰陽太極形状の根本的な理由は、SLM がポンプ光 (波面) を陰陽太極形状に設定することです。

SLM の正式名称は空間光変調器です。これは、空間内に 2 次元配列された複数のピクセルで構成される新しいタイプの光変調デバイスです。各ピクセルは独立して電気信号制御を受信し、信号に応じて自身の光学特性を変更し、それによってその上の光（波面）を変調します。通常の SLM は液晶タイプであり、つまり、液晶材料の電気光学効果を利用して、コンピュータ プログラミング制御下で液晶分子の配置を変更することにより、光線の偏光状態、位相、および強度を変更します。例えば、光の強度は透過率によって変調することができ、光の位相は屈折率によって変調することができ、偏光状態は偏光面を回転させることによって変調することができます。

つまり、陰陽太極図をコンピュータを介して SLM に入力し、光を陰陽太極パターンの 2 次元分布に変調します。 SLM に猫のパターンを入力すると、光が猫の形をした 2 次元分布に変調されます。 SLM に犬のパターンを入力すると、光が犬の形の 2 次元分布に変調されます...ただし、SLM のピクセル数は比較的少ないため、複雑なパターンを表示することは困難です。しかし、陰陽の魚が絡み合ったパターンである太極図は複雑ではないため、SLM がポンプ光をこの形状に変調するのは便利です。これが、実験チームが太極図を選択した理由の 1 つであると考えられます。

まとめ

量子力学の初期の発展において、量子力学の「旗手」であるニールス・ボーアは、太極図の「陰陽の相補性」を使用して「相補性原理」を視覚化しました。この起源は、実験チームがポンプ光を変調するために太極図を選択したもう 1 つの理由でもある可能性があります。しかし実際には、太極図はあらゆる二元的な考えを視覚化することができます。これは物理的な問題ではなく、哲学的な問題です。

つまり、この画像のソースは、実験チームが SLM デバイスを使用して、ポンプ光の波面を陰陽太極図の形状に人工的に変調したことです。 SPDCプロセスを通じてポンプ光によって生成された2つの光子は互いに干渉し、チームの改良されたホログラフィック技術により、ポンプ光から陰陽太極形状を素早く復元できます。太極図は最初から最後まで人間が作ったものであり、量子もつれの性質とは何の関係もありません。

著者: 張文卓博士、中国科学院量子光学重点研究室、 Quami Quantum の創設者兼 CEO、中国科学技術大学の「 Micius 」量子衛星チームの元メンバー

査読者：羅慧謙、中国科学院物理研究所研究員

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社