[論文レビュー] The Meaning of the Interaction-Free Measurements

Lev Vaidman|ArXiv.org|Mar 14, 2001

Quantum Mechanics and Applications参考文献 5被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、エリツルとバイドマンが提唱した相互作用なし測定（IFM）の意味と妥当性を明確にし、マハーズ・ゼンダーフィルターを用いた量子干渉を利用して、光子が超感度な物体（例：爆弾）とエネルギー交換を一切行わずにその存在を検出できることを示している。主な結果として、IFMは物体を誘発させることなく25%の成功率で検出を達成し、量子非破壊測定および相互作用なしイメージングの基盤的枠組みを提供する。

ABSTRACT

Interaction-free measurements introduced by Elitzur and Vaidman [Found. Phys. 23, 987 (1993)] allow finding infinitely fragile objects without destroying them. Many experiments have been successfully performed showing that indeed, the original scheme and its modifications lead to reduction of the disturbance of the observed systems. However, there is a controversy about the validity of the term ``interaction-free'' for these experiments. Broad variety of such experiments are reviewed and the meaning of the interaction-free measurements is clarified.

研究の動機と目的

• 破壊的量子系とのエネルギー交換を避ける測定が『相互作用なし』と呼べるかどうかの論争を解消すること。
• 量子力学における相互作用なし測定（IFM）の概念的および実験的基盤を分析すること。
• 真の相互作用なし検出と、一部の相互作用や間接測定を含む変更版との区別をすること。
• 光学キャビティや量子ゼノン効果を用いたIFM実装の効率と限界を評価すること。
• 物体の存在に関する情報を、物体の周辺を粒子が通過しない条件下で得られる条件を明確にすること。

提案手法

• 50%透過率のビームスプリッターを用いたマハーズ・ゼンダーフィルターに基づく、元々のエリツル＝バイドマン（EV）方式を用いる。
• 量子重ね合わせの適用：光子は、相互作用領域を通過する経路とそれを避ける経路の重ね合わせ状態に存在する。
• 物体が存在しない場合には、一方の検出器（D2）で干渉による消去が発生し、D2には検出されない。物体が存在する場合にのみD2にクリックが観測される。
• D2にクリックが観測された場合（確率25%）、それは物体の存在を確認するが、その際には相互作用領域を通過する光子が存在しないため、相互作用なしに検出が達成される。
• 反射率を可変とする光学キャビティを用いた改良版を評価し、検出効率を100%に近づける。
• 多世界解釈を用いて、「粒子が物体を一切訪問しない」という主張が、情報の獲得と整合するかを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物体と粒子が相互作用しない場合、測定が真に『相互作用なし』と呼べる意味は何か？
• RQ2 なぜ『相互作用なし』という用語が論争の的となっているのか。その概念的・物理的根拠は何か？
• RQ3 物体が存在する領域を粒子が通過しない条件下で、その存在に関する情報を得ることは可能か？
• RQ4 特に量子ゼノン効果やキャビティベースの手法を含めた場合に、相互作用なし測定の効率に根本的な限界はあるか？
• RQ5 多世界解釈などの量子力学の解釈が、相互作用なし測定の理解にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 元々のエリツル＝バイドマンの相互作用なし測定では、量子干渉によって物体が存在する際の光子の相互作用を回避し、爆弾の検出に25%の成功率を達成する。
• D2での検出が発生した場合には、物体とのエネルギー交換が一切発生しないため、本質的に相互作用なしの測定である。
• 光学キャビティや量子ゼノン効果を用いた改良版は、検出効率をほぼ100%まで向上させられるが、依然として干渉に基づく検出という同じ基本原理に依存している。
• 多世界解釈によれば、検出が発生する世界では粒子が物体を訪問していないが、全体の宇宙には相互作用が発生する分岐も存在するため、「粒子が一切訪問しない」という主張には限界がある。
• 放射による内部状態の変化を避けるように測定を設計すれば、放射に起因する状態変化を引き起こす物体の検出に関しては、根本的な制限はない。
• 『相互作用なし』という用語は、物体とのエネルギー交換や粒子の相互作用が全く発生しない場合にのみ妥当であり、そうでない場合には『エネルギー交換なし』や『吸収なし』といった用語がより正確である。