[論文レビュー] The Elitzur-Vaidman Interaction-Free Measurements

Lev Vaidman|ArXiv.org|Jan 17, 2008

Quantum Mechanics and Applications参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

エリッツゥル＝バイダンの相互作用なし測定（IFM）は、量子重ね合わせと破壊的干渉を用いたマハランスキー干渉計において、爆発物や不透明な標的といった物体に対して、いかなる粒子がそれと相互作用しないままに検出可能である。元々の方式では25%の効率を達成したが、後に量子ゼノン効果を用いて~70%まで向上され、相互作用確率がほぼゼロに近い状態で検出が可能となった。

ABSTRACT

The interaction-free measurements proposed by Elitzur and Vaidman (EV IFM) is a quantum mechanical method to find an object that interacts with other systems solely via its explosion without exploding it. In this method, an object can be found without ``touching it'', i.e. without any particle being at its vicinity.

研究の動機と目的

• 爆発物や不透明な物体であっても、いかなる粒子がそれと相互作用しない状態で検出可能な量子力学的手段を示すこと。
• 粒子がその領域を通過しないにもかかわらず、その領域に関する情報を得るというパラドックスを、量子重ね合わせと干渉を用いて解明すること。
• 量子ゼノン効果を用いて、元々の25%という限界を超えて、相互作用なし検出の効率を向上させること。
• 特に量子計算や非破壊測定の文脈において、反事実的測定の概念的意味を検討すること。
• 照射量を最小限に抑える必要がある実世界の応用、例えば壊れやすい量子系のイメージングに向けたIFMの実装を評価すること。

提案手法

• 光子が重ね合わせ状態に準備されたマハランスキー干渉計を用い、一方の経路が物体を含む可能性のある領域を通過する。
• 干渉計を調整して、経路が遮断されていない場合には検出器で干渉が破壊され、検出が発生しないようにする。
• 物体が一方の経路に存在する場合、干渉が破壊され、光子が検出器で検出される確率が25%に上昇する。
• 量子ゼノン効果を用いて効率を向上させる。光子の位置をキャビティ系内で繰り返し測定することで、相互作用確率を~1/Nに低下させ、N回の往復で効率を~70%まで向上させる。
• 高反射性ミラーを用いたファブリ・ペロー型キャビティ構成を採用。キャビティ内に物体があると透明性から反射性に変わり、反射を介して検出可能となる。
• 吸収を最小限に抑えることで、半透明な物体に対しても干渉効果を用いて存在を検出可能とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子干渉効果のみを用いて、いかなる粒子が物体と相互作用しない状態で物体を検出可能か？
• RQ2 相互作用なし検出の効率の根本的限界は何か？25%を超えて向上可能か？
• RQ3 量子ゼノン効果は、相互作用確率を任意に低く抑えながら、ほぼ確実な検出を可能にするか？
• RQ4 どの程度まで、相互作用なし測定を用いて、量子物体の内部状態を壊さずに局在化可能か？
• RQ5 壊れやすいまたは半透明な量子系を、照射量を最小限に抑えてイメージングするために、相互作用なし測定を応用可能か？

主な発見

• 元々のエリッツゥル＝バイダンのIFMは、相互作用なしで物体を検出する成功率が25%であり、検出が発生した場合にはその結果が確定的である。
• 量子ゼノン効果を用いることで、失敗確率（＝爆発または相互作用の確率）を~1/Nに低下させられ、N回の往復で実験的に~70%の効率に到達した。
• パウルとパビチッチの方式では、ファブリ・ペロー型キャビティを用い、最近の実験で~88%の効率を達成。空の状態では高透過性、物体が存在する場合には高反射性を示す。
• 相互作用なし測定は、波動関数を崩壊させることなく、量子物体を相互作用領域に局在化させることができるが、波動関数が通過する可能性があるため、厳密な局在化とは言えない。
• この方法により反事実的計算が可能となり、アルゴリズムを実行しないままに量子コンピュータが結果を得られる。非相互作用経路からの情報推定に基づく。
• 概念的パラドックスが存在するが、この方法は実験的に実現可能であり、弱いレーザービームや単一光子源を用いた複数の実験的セットアップで実証済みである。