[論文レビュー] Demystifying the Delayed Choice Experiments

Bram Gaasbeek|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2010

Quantum Mechanics and Applications参考文献 13被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、波動関数の収束が物理的で時間順序のある出来事ではなく、観測者による知識獲得の結果であることを示すことによって、遅延選択実験を解明する。多世界解釈を用いて、測定結果が事前に存在する波動関数の分岐における条件付き確率によって決定されることを示し、相対性理論や因果関係に反しない形で、見かけ上の非局所性や逆行的因果関係を解消する。

ABSTRACT

The delayed choice experiments are a collection of experiments where the counterintuitive laws of quantum mechanics are manifested in a very striking way. Although the delayed choice experiments can be very accurately described with the standard framework of quantum optics, a more didactical and intuitive explanation seems not to have been given so far. In this note, we fill that gap.

研究の動機と目的

• 複雑な形式的表現に依存せずに、直感的で教育的な遅延選択実験の説明を提供すること。
• 測定結果が事前に存在する量子分岐によって決定されることを示すことによって、遅延選択設定における逆行的因果影響の見かけのパラドックスを解消すること。
• 波動関数の収束が動的な全般的な出来事ではなく、多世界解釈フレームワーク内での局所的知識の更新であることを明確にすること。
• 時空的に分離された測定の順序が物理的に無関係であることを示し、すべての観測者が参照系に関係なく相関関係に合意することを示すこと。
• EPR型エンタングルメントにおける非局所的相関関係が信号伝達や因果的影響を意味するのではなく、分岐を介した共有量子状態に起因することを示すこと。

提案手法

• EPRおよび遅延選択量子消去実験に多世界解釈（MWI）を適用し、観測者および測定装置を量子状態の一部として扱う。
• ハイゼンベルク図式の形式的表現を用いて、状態の進化を動的収束ではなく基底の変更として記述し、時間依存的状態還元を回避する。
• 測定相互作用をユニタリー進化としてモデル化する：$ |\uparrow\rangle \otimes |I\rangle \rightarrow |\text{UP}\rangle $, $ |\downarrow\rangle \otimes |I\rangle \rightarrow |\text{DOWN}\rangle $ および重ね合わせに線形に拡張する。
• 遅延選択量子消去実験を、スプライス光子の検出結果（$D_1/D_2$ 対 $D_3/D_4$）に基づいて全状態を分岐に分割して分析し、パス情報が消去されたサブセットでのみ干渉が観測されることを示す。
• EPR状態を、アリスが上を測定しボブが下を測定する世界と、逆に下と上を測定する世界の重ね合わせとして再解釈する。このとき、特定の時刻に収束が発生するという出来事は存在しない。
• 異なる慣性系における測定の相対的順序が結果に影響しないことを示し、ユニタリー進化と分岐のおかげで相関関係が保存されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ遅延選択実験は逆行的因果影響を示すように見えるのか、そして相対性理論的因果関係とどのように調和できるのか？
• RQ2 エンタングルド系における波動関数の収束の物理的役割は何か？これは実際の動的プロセスであるのか、観測者の知識獲得の結果であるのか？
• RQ3 測定の順序が観測者の参照系に依存するEPR型エンタングルメントにおける時空的に分離された測定が、相対性理論とどのように整合するのか？
• RQ4 なぜ遅延選択量子消去実験ではパス情報が消去された場合にのみ干渉パターンが現れるのか？これは量子情報の性質について何を示唆するのか？
• RQ5 多世界解釈は、非局所的収束を仮定せずに、遅延選択と非局所性を一貫的かつ矛盾のない形で説明できるか？

主な発見

• 遅延選択量子消去実験では、スプライス光子の干渉は、アシル光子が $D_1$ または $D_2$ で検出された場合にのみ観測され、パス情報が存在しないことを示し、パス情報が波動関数の振る舞いに与える役割を確認する。
• アシル光子が $D_3$ または $D_4$ で検出されると、スプライス光子の干渉が消失する。これはパス情報を明らかにするためであり、補完性原理と整合的である。
• 波動関数は特定の時刻に収束しない。代わりに、測定の時点でユニバーサル波動関数が異なる世界に分岐するが、これは参照系に依存し、全般的に同期しない。
• 異なる慣性系にいる観測者は、どの測定が先に起こったかについて意見が異なるが、最終的な相関関係については全員が合意しており、量子力学が相対性理論と整合的であることを示している。
• 測定の行為は系に物理的変化をもたらすのではなく、観測者が自分がどの波動関数の分岐に属しているかという無知を減らすものであり、非局所的収束の必要はない。
• 多世界解釈は、EPRおよび遅延選択の設定を、事前に存在する世界の重ね合わせとして扱うことでパラドックスを解消する。すべての結果が別々の分岐で実現され、測定は単にその分岐を明らかにするにすぎない。