量子干渉により星の数え上げが容易になる

深淵なる夜空の探査は、何千年もの間、人類の文明とともに行われてきました。 「きらきら星、空は小さな星でいっぱい」という童謡は、私たちが成長するにつれてずっと私たちと一緒にありました。広大な宇宙を前に、人間は常に好奇心旺盛な子供であり、星の光を通して何十億年にもわたる宇宙の秘密を読みたいと願っています。

70年前、電波天文学者たちは望遠鏡をシリウスと他のいくつかの星に向けました…

星を見るには解像度の限界がある

天文学者が使用する望遠鏡について聞くと、それは非常に強力なものであると思われるに違いありません。実際、天文学者が使用する望遠鏡は、多くの点で私たちの目と似ています。誰もがこんな経験をしたことがあるでしょう。飛行機に乗っていると、離陸したばかりのときは、地上では互いに近い2つの光がはっきりと見えますが、どんどん高く飛んでいくと、2つの光が徐々に1つに融合し、区別が難しくなります。また、距離が離れるほど、2 つの光が近くなり、見えにくくなります。

自分の目を天体望遠鏡、二つの光を遠くの星と考えれば、天体望遠鏡にも限界、つまり解像度の限界があることがわかります。

解像度の限界とは、光学機器が区別できる 2 つの近接した物体間の距離の限界を指します。この制限の理由は光の回折によるものです。発光体が光を発するとき、その光が幾何学的な意味で直線的に進むことは実際には不可能です。常に一定の発散角度が存在します。光がどんどん遠くまで進むにつれて、光線はどんどん発散します。それが目や望遠鏡に到達すると、ある半径を持つ回折点になります。科学者たちはこれを「エアリーディスク」と呼んでいます。 2 つの光源が比較的近い位置にあり、その光線が目や望遠鏡に当たると、エアリーディスクが重なり合って、2 つの光源を区別することが難しくなります。

ハンバリー・ブラウン - ツイス干渉

光によって引き起こされるトラブルは、光の特性に頼って解決する必要があります。 70年前、星空を眺めていた2人の電波天文学者、R・ハンバリー・ブラウンとR・Q・トウィスは、光の干渉を利用して回折による解像度の限界を突破することを思いつきました。

干渉と回折はどちらも波の特性であることはわかっています。たとえば、障害物の後ろの音が聞こえるのは、主に音波の回折によるものです。さらに、波の干渉も非常によく起こります。霧雨が降る小さな池では、数滴の雨粒が巻き起こした水波が重なり合い、出会うと交差し、新たな波紋の模様を形成します。ある場所では振動が強まり、ある場所では振動が弱まります。これは水波の干渉です。光波については、古典的な波ではありませんが、光波にも同様の回折と干渉があることを高校時代に学びました。

古典波の干渉と同様に、光波の干渉縞にも一定のルールがあります。干渉縞が強まる場所（明るい場所）、弱まる場所（暗い場所）、明るい縞と暗い縞の間の距離などは、波長、光源（星）とフィルム（望遠鏡）の間の距離、2 つの光源（星）同士の距離という 3 つの変数によって決まります。

それで、これを読んだ後、電波天文学者と同じように、何をすべきかがわかるはずですよね?光の波長と光源（星）とフィルム（望遠鏡）の距離を固定して、2つの光線の干渉縞を観察することで、逆に2つの光源間の距離を推測することができます。

量子波と古典波は組み合わされているが異なる

あなたもこの方法を思いついたので、一緒に実現可能性を試してみましょう。

光波は量子波であり、古典的な水波や音波と比べていくつかの重要な違いがあります。光波はどのように干渉するのでしょうか?これを理解するには、まず量子力学における最も有名な実験の 1 つであるヤングの二重スリット干渉実験について理解しましょう。

量子力学におけるヤングの二重スリット干渉実験の地位は、他のどの実験にも匹敵しないものかもしれない。確率波の干渉と重ね合わせは、電子や光子の「クローンの芸術」において人々の前に魔法のように表示されます。その後、量子力学における多くの実験は、本質的にはヤングの二重スリット干渉実験のバリエーションとなりました。

量子波は、ある位置に粒子が現れる確率を記述する確率波であるため、いわゆる干渉縞の観察は、実際には、背後のスクリーン上で検出された粒子（電子または光子）の数を見ることになります。カウント数が多いほど明るくなります。カウント数が少ないほど暗くなります。

ヤングの二重スリット干渉実験について議論するとき、多くの人は最も重要で魔法のようなメカニズム、つまり一番左の最初の穴をうっかり見落としてしまいます。ヤングの二重スリット干渉実験では、この穴によって、2 つのスリットから放出された光子が同じ起源であること、つまり、光子がまったく同じであり、神でさえ区別できないほど同一であることが保証されます。そうしないと、干渉パターンが明確に形成されません。電子の二重スリット干渉実験では、ヤングの干渉と同じ原理が利用されています。電子が 2 つのスリットを「同時に」通過した場合にのみ、後方のスクリーン上に干渉縞が形成されます。 2 つのスリットからそれぞれ 2 つの非干渉性電子ビームが放出されると、2 つのスリットの後ろの対応する位置の後方のスクリーン上には 2 本の明るい線だけが見えます。

したがって、光子の干渉縞が明確に形成されるためには、光子が同時に到達し、区別できないという 2 つの条件を満たす必要があります。

同時に到達すると、この条件では信号マッチング技術が必要となり、イベント数が大幅に減少しますが、必死にデータを蓄積することでこれを実現できます。

しかし、光子が区別できないことを要求することは困難です。異なる光子を区別するための最も重要な基準は周波数ですが、観察される 2 つの物体がまったく同じ色であることを誰が保証できるでしょうか?光の量子特性を変えずに光の周波数を変えることができる技術がない限りは。

もし70年前だったら、私たちはこの時点で途方に暮れていたでしょう。しかし、今は2022年です。量子衛星が宇宙に打ち上げられ、北京-上海幹線が建設され、量子コンピューティングの優位性が達成されました。量子科学者は、異なる周波数の光の干渉の問題に対する解決策を持っているかもしれない。

水晶＋導波管、周波数を変換する戦闘機！

量子通信方式では、光ファイバー伝送と自由空間伝送がそれぞれ半分ずつを占めます。光ファイバー量子通信では、周波数変換は必ず対処しなければならない問題です。

量子通信では周波数変換が必要となる状況が多々あるからです。たとえば、量子通信で使用される光周波数は、検出器が最もよく応答する帯域ではない可能性があります。自由空間における信号周波数は光ファイバー内で大きく失われる可能性がある。量子リレーが必要な場合、リピーターが保存および送信できる帯域が光ファイバーと互換性がない可能性があります。場合によっては、周波数変換は自由空間量子通信に不可欠なこともあります。たとえば、量子通信を日中に有効にするには、周波数を太陽光の周波数とずらす必要があります。したがって、周波数変換は量子通信分野の科学者の得意分野です。

これが可能になった理由は、実は 1960 年代の非線形光学の台頭によるものです。 1961年、ルビーレーザーの第二高調波効果により非線形光学の幕が開かれました。それ以来、各界の英雄たちが代わる代わる登場し、さまざまな非線形光学技術や材料が登場しました。その中で、ニオブ酸リチウムと呼ばれる材料が広く使われてきました。ニオブ酸リチウムは、複屈折効果を持つ負の一軸結晶です。また、大きな自発分極強度と非線形係数を持つ強誘電体でもあります。

非線形光学過程の本質は光と物質の相互作用です。私たちがよく使用する和周波数、周波数倍増、差周波数のプロセスはすべて非線形変換プロセスです。この過程で、信号光は徐々に減少し、必要な和周波光、周波数倍増光、差周波光に変換されます。

非線形結晶を用いた周波数変換の核心は、擬似位相整合、つまり運動量保存であり、これにより高い変換効率が得られます。通常、周期的非線形結晶を使用すると、パラメータが適切であれば、周波数変換効率は 1 に近づくこともあります。

ニオブ酸リチウムは極めて優れた非線形材料なので、導波管との組み合わせは最適です。科学者たちはニオブ酸リチウム結晶を周期的に分極反転し、結晶内に光導波路構造を形成した。この方法を使用して、彼らは最良の周波数変換デバイスである周期分極反転ニオブ酸リチウム導波管を形成しました。導波管は光ファイバーとの良好なドッキングを実現すると同時に、光ビームを非常に適切に制限するのに役立ちます。導波路の助けにより、周期的に分極されたニオブ酸リチウム結晶の変換効率が大幅に向上します。単一光子検出器は、周期的に分極したニオブ酸リチウム導波路という秘密兵器を備えており、量子通信の分野でその威力を発揮することができます。

試してみる

科学者たちは今や優れた武器を手に入れ、この周波数変換法がハンバリー・ブラウン・ツイス干渉法に効果的かどうかを試す準備ができている。

実験では、科学者によって特別に設計された周期的に分極されたニオブ酸リチウム導波路は、魔術師の手にある神秘的な箱のようなものです。 1550nm の光子が入射すると、50% の確率で 863nm の光子に変換され、残りの 50% の確率で変化しません。同様に、863nm の光子が 1550nm の光子に変換される確率は 50% で、残りの 50% は変化しません。このように、検出器が光子を検知した場合、その周波数が元々の周波数なのか、それとも巧妙に変換されたものなのかを区別する方法はありません。したがって、この変換後、光子は検出器にとって区別できなくなります。

結果は期待を裏切らなかった。 2019年、中国科学技術大学の潘建偉、張強らはマサチューセッツ工科大学のフランク・ウィルチェクと共同で、構築した色非依存検出器を用いた2色強度干渉実験システムを構築した。 1550nmと863nmの光源の強度干渉を実現し、コヒーレント光源、熱光源、宇宙実験で検証した。結果は予想通りでした。実験結果によると、非線形デバイスの電源がオンになると干渉縞がはっきりと現れます（図cの赤い曲線）が、非線形デバイスの電源がオンになっていないと干渉縞は見えません（図cの青い曲線）。関連する結果はPhysical Review Letters [1]に掲載されました。

部屋から出て波長の壁を越えて

研究室での検証を終えた後、科学者たちは家の外に出て、この干渉技術が屋外の自由空間でどのように機能するかを検証したいと考えました。さらに重要なことに、科学者たちは、波長に対するそれほど厳しい制限がないという、より重要な問題を解決したいと考えています。

これまでの技術的方法によれば、観測する光源の波長には大きな制限があり、測定する 2 つの光子の周波数は近すぎることはできないことがわかります。これは「非線形結晶＋導波路」という技術的なルートによって決まります。

光子は非線形結晶を介して周波数変換を実現しますが、多くの場合、和周波数（または差周波数）プロセス（和周波数生成、SFG）を介して行われます。これを和周波プロセスと呼ぶのは、単純に次のように考えることができるからです。周波数 ω1 の信号光が、周波数 ω2 のポンプ光のサポートを受けて非線形結晶を通過し、周波数 ω3 (=ω1+ω2) の和周波光を取得します。 （差周波過程であればω3=ω1-ω2となり原理は同様である。）従来と同様に1550nmと863nmのように波長（周波数）差の大きい光源同士を変換すれば、適切なポンプ光を見つけることは容易であると想像できる。信号光のω1が和周波光のω3に非常に近い場合、ポンプ光の周波数ω2が非常に小さいことを意味します。このとき、ω1 およびω3 に適した導波管が ω2 にはあまり適していない可能性があり、技術的な制限が発生します。

この問題を解決するために、科学者たちはω1光とω3光を相互に変換するという考えを放棄し、代わりにω1光とω3光をそれぞれ非線形プロセスを経て同じ周波数の光子に変換し、干渉させることにしました。このようにして、両者は互いに適合する適切なポンプ光を見つけることができ、観測波長制限の問題を完全に解決し、色消去干渉法の適用範囲を大幅に広げます。

さらに、科学者たちはこれまでの空間の限界を打ち破り、実験室から出て、自由空間で互いに遠く離れている非常に近い2つの光源を観測できるかどうかを調べようとしました。

位相 - 空間的に分解されたメッセンジャー

このアップグレード版には、屋内空間と波長の制限を打破することに加えて、もう1つの課題もあります。科学者は光子の全体像を見たいと考えています。つまり、光子の位相情報を検出して分析することで、ターゲットを空間的に解決したいのです。

位相情報に関しては、その重要性を見落としがちです。たとえば、平面の写真では、私たちの脳はどのようにして物体の距離を判断するのでしょうか?それは、遮蔽や大きさなどの情報に基づいて論理的な判断を下すことに他なりません。たとえば、人 A が人 B をブロックする場合、A が前にいて、B が後ろにいると考えます。同じ木が見えるが、A の方が大きく、B の方が小さい場合、A は近く、B は遠いと考えます。この情報がなければ、距離を正確に判断することは困難です。

しかし、ホログラフィック写真の場合はそうではありません。ホログラフィック写真は、光の周波数と強度の情報だけでなく、光の位相の情報も記録します。つまり、光が目に届くと、目に見えない形で光がどこから来ているのかがわかるのです。そのため、私たちが普段目にする実際の物体と同じように、物体の画像が私たちの目の前に 3 次元的に表示されます。したがって、位相情報を追加することで、長い距離を移動してきた光子が無駄にならないようにすることができます。

この色消去干渉実験の改良版では、科学者たちは位相に焦点を当てました。下の図に示すように、この実験設計では、S1 と S2 は互いに非常に近い 2 つの遠方光源であり、TA と TB は観測に使用される 2 つの望遠鏡です。光源と望遠鏡の間の位相情報は、2 つの望遠鏡を結ぶ線上の各位置におけるコヒーレンスの度合いに影響します。実験者は、この線上の各位置での干渉を観察し、測定、分析、計算を通じて、位相情報を媒体として光源の角度距離、つまり 2 つの光源間の距離 d と 2 つの望遠鏡間の距離 x の比を取得します。

実際の実験では、中国科学技術大学の潘建偉氏、張強氏らがマサチューセッツ工科大学のフランク・ウィルチェク氏と協力し、済南量子技術研究所が開発した周期分極ニオブ酸リチウム導波路を用いた色消去強度干渉計を構築した。彼らは、1.43キロメートル離れた、4.2ミリメートル離れた場所にある、それぞれ波長1063.6ナノメートルと1064.4ナノメートルの2つの光源を区別することに成功した。これは、単一の望遠鏡の回折限界を約40倍超えるものだった。波長制限を突破しただけでなく、撮影した物体のフーリエ変換の位相情報も取得しました。関連する結果は最近Physical Review Letters [2]に掲載されました。

この技術の実現により、ハンベリー・ブラウンとトウィスという2人の天文学の先人たちの計画がついに実現され、人々はついに距離が近く色が異なる2つの星をはっきりと見ることができるようになっただけでなく、光学観測の限界も拡大しました。ご存知のとおり、「星」をはっきりと見たいのは天文学者だけではありません。多くの生物学者にとって、小さな蛍光分子は彼らの目に「最も明るい星」です。しかし、小さすぎたり近すぎたりするので、はっきりと見るのが難しいことがよくあります。この色に依存しない強度干渉検出技術により、生物学者は異なる色の 2 つの蛍光分子を区別することもできます。

将来、科学者たちはシステム内の位相ノイズをさらに低減し、システムの精度と感度を高めていきます。将来の高精度な時間・周波数伝送技術や望遠鏡アレイと組み合わせれば、応用シナリオは大幅に拡大します。宇宙の星、宇宙ゴミ、生体分子の観測のいずれにおいても、その独自性とかけがえのない性質が実証されます。

論文リンク:

[1] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.243601

[2] https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.127.103601

出典: Mozi Salon

墨子サロンは、中国の賢人「墨子」にちなんで名付けられた大規模な公開科学フォーラムです。この会議は、中国科学技術大学上海研究所が主催し、中国科学技術大学新同窓会基金会、中国科学技術大学教育基金会、浦東新区科学技術協会、中国科学技術協会、浦東新区科学技術経済委員会が共催します。

墨子は古代我が国の有名な思想家であり科学者でした。彼の思想と業績は、我が国の初期の科学の萌芽を体現したものでした。 「墨子サロン」の設立は、科学の伝統を継承・推進し、科学を尊重する社会環境を構築し、国民の科学リテラシーを高め、科学精神を提唱・推進することを目的としています。科学普及の対象者は、科学を愛し、探究心と好奇心を持つ一般大衆です。私たちは、高校と同等以上の学力を持つ一般の人々が、世界の最先端の科学の進歩と科学的アイデアを理解し、評価できるようにしたいと考えています。