[論文レビュー] Anomalous Weak Values Emerging from Strong Interactions between Light and Matter

Yakir Aharonov, Eliahu Cohen+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2017

Quantum Mechanics and Applications参考文献 32被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、事前および事後選択された量子状態から生じる異常な弱値が、通常の光-物質相互作用を超える現象を引き起こす可能性を示す2つの思考実験を提案している。特に、マハトニ・ツァイダーアイソラトリー（MZI）の物理的装置の外側に位置する「幻の腕」から光子が放出されたように見える現象が示された。強い相互作用にもかかわらず、光子数の測定と干渉縞によってその効果が検証され、物理法則が保存されたまま反粒子に類似した挙動を示す負の弱値が観測された。

ABSTRACT

Some predictions regarding pre- and post-selected states are far-reaching, thereby requiring validation with standard quantum measurements in addition to the customary weak measurements used so far, as well as other advanced techniques. We go further pursuing this goal, proposing two thought experiments which incorporate novel yet feasible validation methods of unconventional light-matter interactions. An excited atom traverses a Mach-Zehnder interferometer (MZI) under a special combination of pre- and post-selection. In the first experiment, photons emitted by the superposed atom, after being hit by two laser beams, are individually counted. Despite the interaction having definitely taken place, the numbers of photons emitted from each arm of the MZI are predicted, at the ensemble level, to be different from those expected with standard stimulated emission. In the second experiment, the atom spontaneously emits a photon while still in the MZI. This photon later serves as a strong measurement of the atom's energy upon hitting a photographic plate. The experiment is repeated to enable an interference effect of the emitted photons. Interestingly, the latter gives the appearance that the photons have been emitted by the atom from a position much farther from the two MZI arms L and R, as if in a "phantom arm" R'. These experiments also emphasize the key role of anomalous weak values in determining light-matter interactions. In fact, they present a straightforward realization of an entity we term counter-particles, namely pre- and post-selected states acting as if they have negative physical variables such as mass and energy. The novel verification methods we suggest for testing these predictions resemble weak measurements in some aspects, yet result from definite atomic transitions verified by the detected photons.

研究の動機と目的

• 弱測定ではなく、強い射影測定を用いて二状態ベクトル形式（TSVF）の予測を検証すること。
• 事前および事後選択された量子状態が組み合わさった際、光と物質の強い相互作用が直感に反する効果を生じることを示すこと。
• 異常な弱値（通常とは異なる大きさまたは負の値）が、放出された光子の空間的・時間的分布を支配することを示すこと。
• 光子検出と干渉縞を用いた、TSVFの予測を検証する新しい実用的技術を導入すること。
• 量子干渉において『幻の位置』がどのように出現するかを調査すること。ここでは光子が物理的装置の外側にある位置から発せられたように見える。

提案手法

• 系は、非対称ビームスプリッターを備えたマハトニ・ツァイダーアイソラトリー（MZI）を介して、励起状態の原子を空間スレーシング状態に準備する。事前選択状態は |Ψ⟩ = (4/5)|R⟩ - (3/5)|L⟩ で表される。
• 事後選択は、対称的ビームスプリッター（50-50）を用いて行い、経路演算子の異常な弱値を生成する最終状態に射影する。
• 最初の実験では、2つのレーザー光ビームを用いて誘導放出を誘発する。各MZIの腕からの光子数を測定し、標準的な誘導放出の予測とは異なる振る舞いを明らかにする。
• 2番目の実験では、原子が重ね合わせ状態にある間に自然放出が発生する。放出された光子はフィルムに検出され、干渉縞が形成される。
• 放出された光子の干渉縞を分析することで、有効な放出位置を特定し、実際のMZIの腕から大きく離れた場所にある「幻の腕」R′（7d）にシフトしていることが判明する。
• 理論的分析では、弱値形式 ⟨Π⟩_w = ⟨Φ|Π|Ψ⟩ / ⟨Φ|Ψ⟩ を用い、異常な値（例：-3 および 4）が光子分布における有効な空間的シフトを引き起こす。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光と物質の強い相互作用が、物理的装置の外側から光子が放出されるなど、古典的期待に反する効果を生じうるか？
• RQ2 非古典的で、非常に大きな値または負の値である異常な弱値（観測量の非古典的で、異常な値）が、光子放出のような実際の物理的過程にどのように現れるか？
• RQ3 弱測定ではなく、射影（強い）測定を用いて、事前および事後選択系における二状態ベクトル形式（TSVF）の予測を検証できるか？
• RQ4 光子が物理的干渉装置の腕から大きく離れた場所にある『幻の腕』から発せられたように見える現象の物理的起源は何か？
• RQ5 重ね合わせ状態にある原子から放出された光子の干渉が、標準量子力学では説明できない空間的シフトを光子分布に引き起こす仕組みは何か？

主な発見

• 誘導放出の過程で、各MZIの腕から放出される光子数は、標準的な誘導放出の予測から著しく逸脱しており、経路射影子の異常な弱値によって裏付けられている。
• 自然放出の実験では、放出された光子の干渉縞から、各光子が実際の腕LおよびRから離れて位置する「幻の腕」R′ = 7d から放出されたように見えることが示された。
• 有効な放出位置は、弱値の組み合わせ ⟨Π_L⟩_w = -3 および ⟨Π_R⟩_w = 4 から導かれ、光子分布における合成的なシフトが約7dに達する。
• 幻の腕からの光子の到着時刻は、実際の腕からのものと類似しており、時間的なずれによるアーティファクトではなく、真の空間的シフトであることが示された。
• 干渉が保たれる間は効果が持続し、一方でいずれの放出経路も遮断されると効果が消失する。これは、効果が重ね合わせの相干性と異常な弱値に起因することを確認する。
• 任意の実数 α, β に対して α = β + 1 とすると、シフトは (α + β)d に一般化され、有効な放出位置の空間的シフトが調整可能で制御可能であることが示された。