人間サイズの物体に「量子的ゆらぎ」が確認される! ゆらぎ幅のコントロールも可能に

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ゆらぎ 物理学

人間サイズの物体に「量子的ゆらぎ」が確認される! ゆらぎ幅のコントロールも可能に

40kgの鏡にゆらぎが観察された

  • 巨視的物体である40kgの鏡に量子的ゆらぎが確認された
  • ゆらぎによって鏡が移動している様子が検出された
  • ゆらぎの幅を最小化させる処理を行うと不確定性原理の定める位置の詳細さの限界を突破した

MIT(マサチューセッツ工科大学)の研究チームによって、はじめて人間サイズの巨視的な物体に「量子的ゆらぎ」が観察されました。

量子的ゆらぎとは、物体の位置が確率的にしか存在できない状態を意味し、これまでは微視的な世界でのみ確認されてきました。

しかし7月1日に「Nature」に発表された論文によれば、200キロワットのレーザービームを40キログラムの鏡に照射することで、鏡全体を10 -20メートルの幅で量子的ゆらぎ状態にすることができたとのこと。

40キログラムといえば、小柄な女性の体重に匹敵します。

ゆらぎの幅は非常に小さいものの(水素原子の大きさは10 -10メートル程度)人間サイズの巨視的な物体に量子効果が確認されたのは、はじめてとなります

さらに、検出装置を調整することで、ゆらぎ幅の最小値を不確定性原理によって定められた標準値を突破できました。

不確定性原理とは、物体の位置は量子のもつゆらぎや観測の影響のせいで、正確には決められないとするものですが、今回の実験ではゆらぎ幅を縮小することで、標準的な値を超える正確さで位置を決定できました。

これほどの発見を研究者たちはどうやって成し遂げたのでしょうか?

発見に使われた検出器は元々は別目的で作られた

装置の前半部分の図。今回、ゆらぎの対象となったのは中央の重さ40kgの鏡/Credit:nature

今回の発見に使われたLIGOと呼ばれる装置は、元々は数百万光年から数十億光年離れた場所から発生する重力波を測定するために作られました。

この検出器は非常に大規模であり、ワシントン州とルイジアナ州にあるL字型に配置された2つの検出器(それぞれ長さ4kmに及ぶもの)と交差点に置かれた40キログラムの鏡からなります。

レーザーは発射されると2つの検出器に送り込まれ、遠端の鏡に反射し、中央の鏡を介して検出装置へと送り込まれます。

もし重力波がない場合、2つの検出器に入ったレーザーは同じ時間に検出装置に入ります。

ですがもし重力波が地球を通過した場合、それぞれの検出器の位置(空間)に歪みが生じて、レーザーの到達時間に差が出ます。

そして検出装置はこの僅かな差を検出できるように非常に高い精度で設計されていました。

ですが、MITに所属するHaocun氏は、この高い精度を重力波の検出以外にも使えるのではないか? と考えたのです。

人間サイズの巨視的物体の量子的ゆらぎを検出

レーザーが発射され2つの検出器に分配され(赤)、跳ね返って来て検出装置に入っていく(青)様子を示したもの/Credit:nature

Haocun氏は2つの検出機を使って、装置の一部であった中央の鏡そのものの性質を調べられることに気付きます。

装置は発射されたレーザーを中央の鏡を使って2つの検出器に分配することで動きます。

ですがもし、中央の鏡に量子的なゆらぎが存在すれば、デフォルトの状態でも、レーザーの到着時刻に差が出るだろうと考えました。

仮説を証明するために、Haocun氏が最初にとりかかったのは装置内部の全ノイズの測定でした。

このノイズには地響きをはじめとする「古典物理学的な」ノイズの他にバックグラウンドとなる真空中の「量子力学的な」ノイズも含まれていました。

量子力学のレンズを通して見た宇宙は、絶えず何もない空間から量子が対生成と対消滅を繰り返しています。

ですがこのような量子力学的なノイズは並大抵の感度では検出すらできません。

装置の全体図。前半部分から回収されたレーザーたちは検出装置にあるノイズ削減器でノイズを除去される/Credit:nature

しかし、僅かな重力波を検出するために作られたLIGOには搾り器(Squeezer)と呼ばれるノイズ削減器が取り付けられており「古典的な」ノイズはもちろん「量子力学的な」ノイズを検出して差し引くことが可能だったのです。

ノイズを除去できる準備が整うと、研究チームはデフォルトの状態でレーザーを発射し、中央の鏡の「ゆらぎ」を測定しました。

結果、中央の鏡は40キログラムという巨視的なサイズにもかかわらず10 -20メートルの幅で量子的なゆらぎ状態にあることが確認されました。

これは、小さな量子の世界でみられたゆらぎ現象が、私たちのような人間サイズの大きな物体にも、本質的に備わっていることを意味します。

もし何らかの方法でゆらぎの幅を増やすことができれば(そして存在確率の制御もできれば)、本当の意味での壁抜けやテレポートが可能になるでしょう。

不確定性原理の突破

奥にあるsqueezerから発射された干渉波(濃い青線)がノイズを減衰させる様子/Credit:nature

続いて研究チームは、検出装置に含まれる搾り器を調整することで、ゆらぎ幅の観測精度を高めようと試みました。

検出装置には搾り器(squeezer)と呼ばれるノイズ削減装置が取り付けられており上の動画の青い線のように「量子力学的な」ノイズを減らすことが可能です。

研究チームは、搾り器の角度を12段階に変えて実験を行ったところ、ノイズの様々な分布とミラーの動きの間の相関を測定できることを発見しました。

そしてこの相関関係を利用して再度実験を行った結果「巨視的な物体のゆらぎ幅のコントロール」に成功し、鏡のゆらぎ幅を通常の70%まで抑えることに成功しました。

さらに驚くべきことに、このゆらぎ幅の最小値は、不確定性原理によって制限されてきた標準的なゆらぎ幅を下回っていたのです。

巨視的な物体にも既存の微視的な不確定性の数値がそのままあてはまるかどうかは非常に興味深い点と言えるでしょう。

研究チームは今回の研究結果をさしあたっては、LIGOの測定精度を上げ重力波の検出に利用するとのこと。

研究チームの目的は重力波の検出であり、巨視的な物体のゆらぎについては、他のプロジェクトを立ち上げる必要があるのかもしれません。

研究内容はMIT(マサチューセッツ工科大学)のHaocun Yu氏らによってまとめられ、
7月1日に世界で最も権威ある学術雑誌「nature」に掲載されました。

Quantum correlations between light and the kilogram-mass mirrors of LIGO

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マイコメント

量子のような微細な粒子がゆらぐことは以前から知られていましたが、電子や陽子

などのような微細な粒子ではなく、大きな物体でもそれが観察されるというのは

すごい発見です。

要するに私たちの身体も瞬間、瞬間で見れば同じ位置にはないということです。

これは何を意味するかと言えば、ある瞬間瞬間は独立していてアシュタールが語る

ようにパラパラ漫画みたいに存在しているということです。

それがパラパラめくると連続して見えるのでひとつの動画として見え、かつそれに

伴い時間も発生するのですが、とどのつまり私たちの世界はそうした一コマ一コマ

が連続している世界だということを意味するものものと思います。

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