研究者らは、高度なカメラ技術を使用して、絡み合った 2 つの光子の波動関数をリアルタイムで視覚化し、絡み合った粒子の完全な量子状態を迅速かつ効率的に再構築する技術を開拓しました。この革新的なアプローチは、従来の方法よりも数倍速く、数日ではなく数分から数秒かかり、量子状態の特性評価、量子通信、および量子イメージング技術を強化することにより、量子技術の開発を前進させることが期待されています。

高度な写真に基づいた新しい技術は、絡み合った粒子の完全な量子状態を迅速かつ効率的に再構築する方法を実証します。

オタワ大学の研究者らは、ローマのサピエンツァ大学のダニロ・ジア氏とファビオ・シャリーノ氏と共同で、最近、光を構成する基本粒子である絡み合った2つの光子の波動関数のリアルタイム視覚化を可能にする新しい技術を実証した。

一足の靴に例えると、絡み合いの概念はランダムに靴を選ぶことに例えられます。片方の靴を識別すると、宇宙のどの位置にあるかに関係なく、もう一方の靴の性質 (左の靴か右の靴か) が即座に識別されます。しかし、興味深いのは、観察の正確な瞬間までの識別プロセスに伴う固有の不確実性です。

波動関数は量子力学の中心原理であり、粒子の量子状態の包括的な理解を提供します。たとえば、靴の場合、靴の「波動関数」は、左右、サイズ、色などの情報を伝えることができます。より正確には、量子科学者は、波動関数を使用して、位置、速度など、量子実体のさまざまな測定の可能な結果を​​予測できます。

写真 (左から右へ): アレッシオ・デリコ博士、エブラヒム・カリミ博士、ナザニン・デガン博士。画像出典: オタワ大学

この予測能力は、特に急速に進歩する量子技術の分野において非常に価値があり、量子コンピューターによって生成または入力される量子状態を理解することでコンピューター自体をテストできるようになります。さらに、量子コンピューティングで使用される量子状態は非常に複雑で、強い非局所相関 (エンタングルメント) を示す可能性のある多くのエンティティが関与しています。

このような量子系の波動関数を理解することは、非常に困難な作業です。これは、量子状態トモグラフィーまたは量子トモグラフィーとしても知られています。標準的な方法（いわゆる投影操作に基づく）を使用した包括的な断層撮影には多数の測定が必要であり、測定数はシステムの複雑さ（寸法）に応じて急速に増加します。

この方法を用いた研究チームによるこれまでの実験では、絡み合った2つの光子の高次元の量子状態の特徴付けや測定には数時間、場合によっては数日かかる場合があることが示されている。さらに、結果の品質はノイズの影響を非常に受けやすく、実験設定の複雑さに依存します。

量子トモグラフィーの投影測定法は、独立した方向から異なる壁に投影された高次元物体の影を観察するものとして理解できます。研究者が見ることができるのはこれらの影だけであり、そこから物体全体の形状（状態）を推測することができます。たとえば、CT スキャン (コンピューター断層撮影) では、3 次元の物体に関する情報を 2 次元の画像のセットから再構成できます。

ただし、古典光学では、3 次元の物体を再構成する別の方法があります。デジタル ホログラフィーとして知られるこの方法は、物体によって散乱された光と参照光を干渉させることによって得られる、干渉パターンとして知られる単一の画像に基づいています。

構造量子波のカナダ研究委員長、オタワの量子技術共同研究所（NexQT）の共同所長、理学部准教授のエブラヒム・カリミ率いる研究チームは、この概念を2光子の場合に拡張した。 2光子状態を再構築するには、それを推定上の既知の量子状態と重ね合わせ、次に両方の光子が同時に到着する位置の空間分布を分析する必要があります。同時に到着する 2 つの光子をイメージングすることをコインシデンス イメージングと呼びます。これらの光子は、参照源または未知の源から得られる場合があります。量子力学では、光子の源を決定することはできないと述べています。これにより、未知の波動関数を再構築するために使用できる干渉パターンが作成されます。この実験は、ナノ秒 (1,000,000,000 秒) の解像度ですべてのピクセルでイベントを記録する先進的なカメラによって可能になりました。

この論文の共著者でオタワ大学の博士研究員であるアレッシオ・デリコ博士は、この革新的なアプローチの大きな利点を強調しています。「この方法は以前の技術よりも数倍速く、数日ではなく数分から数秒しかかかりません。重要なのは、検出時間がシステムの複雑さの影響を受けないことです。これは投影断層撮影における長年のスケーラビリティの課題を解決する方法です。」

この研究の影響は学術界を超えて広がります。これは、量子状態の特性評価の改善、量子通信、新しい量子イメージング技術の開発など、量子技術の進歩を加速する可能性を秘めています。