[論文レビュー] A first experimental test of de Broglie-Bohm theory against standard quantum mechanics

G. Brida, E. Cagliero+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2002

Quantum Mechanics and Applications被引用数 38

ひとこと要約

この実験は、タイプIのパラメトリックダウンコンersionを用いたもつれ光子を用いて、デ・ブロイ＝ド・ブロイ理論（dBB）と標準量子力学（SQM）を二重スリット実験で比較する。dBB理論は、スリットの対称軸に対して両検出器が同じ半平面にある場合に一致確率がゼロになると予測するが、実験では背景から8標準偏差も高い明確な一致ピークが観測された。これはSQMを支持し、実験条件下でdBB理論を否定する結果である。

ABSTRACT

De Broglie - Bohm (dBB) theory is a deterministic theory, built for reproducing almost all Quantum Mechanics (QM) predictions, where position plays the role of a hidden variable. It was recently shown that different coincidence patterns are predicted by QM and dBB when a double slit experiment is realised under specific conditions and, therefore, an experiment can test the two theories. In this letter we present the first realisation of such a double slit experiment by using correlated photons produced in type I Parametric Down Conversion. Our results confirm QM contradicting dBB predictions.

研究の動機と目的

• dBB理論と標準量子力学（SQM）を、両者が異なる予測を下す領域で比較する。
• dBB理論が非局所的量子ポテンシャルによって粒子の軌道を誘導するとするが、同一粒子を用いた二重スリット実験において、その理論がSQMの予測を再現できるかを調査する。
• 二重スリットの中央対称軸に対して両検出器が同じ半平面にある場合、dBB理論が一致確率をゼロと予測するかを検証する。
• dBB理論とSQMが異なる結果を予測する状況において、相関光子を用いた二重スリット実験により、dBB理論に対する決定的な実験的検証を提供する。

提案手法

• 351 nmのポンプレーザーがリチウムヨウ化イン酸ナトリウム結晶を用いてタイプIのパラメトリックダウンコンバージョンによりもつれ光子対を生成する。
• 702 nmの縮退光子は、100 µmの間隔と10 µmの幅を持つ二重スリット（ガラス基板上にフォトレジスト法で作製）に向かって誘導される。
• EG&Gの単一光子検出器2台が、それぞれ702 nm、4 nm FWHMの干渉フィルタと6 mm径、25.4 mmの焦点距離を持つレンズを介して設置され、スリットから1.21 mおよび1.5 mの位置に配置されている。
• 一致イベントは、2.6 nsの時間窓を有する時間-振幅変換器（TAC）とシングルチャンネルアナライザーを用いて測定される。
• バックグラウンドレベルは、TACの遅延を16 nsずらして測定し、元のデータから差し引くことで推定される。
• 理論的一致パターンは、回折効果と干渉項を含む式を用いて計算され、重要な項はcos[ks(sinθ₁ − sinθ₂)]を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重スリットの中央対称軸に対して両検出器が同じ半平面にある場合、デ・ブロイ＝ド・ブロイ理論は一致イベントをゼロと予測するか？
• RQ2 エンタングルド光子を用いた二重スリット実験において、実験結果は標準量子力学の予測と一致するか、それともデ・ブロイ＝ド・ブロイ理論の予測と一致するか？
• RQ3 同一粒子を用いた二重スリット実験において、dBB理論の「軌道が交差しない」という予測の破れを観測できるか？
• RQ4 特定の条件下で、dBB軌道の非エルゴード的挙動は実験的に検出可能か？

主な発見

• 両検出器を対称軸からそれぞれ-1.4 cmおよび-5.5 cmの位置（同じ半平面内）に配置した場合、背景を差し引いた後、30分間に78 ± 10件の一致が観測され、明確な一致ピークが得られた。
• dBB理論はこの配置で一致確率をゼロと予測するが、観測された信号はゼロから8標準偏差も上方に位置し、dBB理論を強く否定する。
• 両検出器を-4.44 cmおよび-11.7 cm（同じ半平面内）に配置した場合でも、有意な一致信号が測定された：17回の1時間ごとの測定で合計41 ± 14件の一致が得られた。
• 観測された一致パターンは、干渉項と回折項を含むSQMの予測と一致し、量子力学的記述が正当化された。
• 片方のスリットを遮断した場合、一致ピークは消え、対応する検出器の信号はバックグラウンドレベルまで低下した。これは両方の光子が異なるスリットを通ったことを確認した。
• 本結果は、dBB理論とSQMが異なる予測を下す条件において、両理論を比較する最初の実験的検証を提供し、強い証拠がSQMを支持する結果となった。