Control of quantum state probability distribution on the correlation relationship

【発明の詳細な説明】 相関関係にある量子状態確率分布の制御発明の背景 本発明は、量子的非局在変調信号の送信方法に関する。 Aspect他により、一定の状況下では、一部の種類の原子と非線形降下転換結晶（downconversion crystal）は、相関関係にある偏光を有する光子のペアを発光するように誘導することが可能であり、光源の性質により、光子のペアの相関関係にある直線偏光は、常に互いに９０度の関係にあるか、あるいは常に互いに平行であることが実証された。 光子は、隔たった流れに供給することができ,各ペアの何れか一つが各流れの中にあり、あるいは、各光子が、何れかの流れの中で見い出される確率が等しいようにできる。 更に、一定の条件の下では、該光子は、直線偏光のいかなる所定の方向も持たずに発光され、光子の偏光状態は、どちらか一方の光子の偏光を測定することでのみ決定されることが強く実証された。 従って、直角の偏光相関の場合を仮定すると、一方の光子が、垂直に偏光していると測定された場合には、測定に先立って二つの光子が如何に遠く離れて移動していたとしても、他方の光子はその瞬間に水平に偏光されていることになる。 二つの光子の偏光状態は、100パーセントからみ合い、一方の偏光状態の測定は、 他方の偏光状態を決定するが、測定に先立って、該双方の偏光状態は、不確定である。 本質的に、該双方の光子は同じ物体の一部であり、互いに如何に遠くに離れて移動しても、一方の光子の特性を変化させることは、他方の光子の特性を含めて瞬時に物体全部の特性を変化させる。 Aspect他の実験は、該相関関係にある光子の偏光が、非局在的であること、つまり、偏光が発光時には予め決定されておらず、むしろ該光子の一方の“観測”の瞬間に、特定の状態に凝縮されることを量子理論物理学者の大部分に、確信させた。 A.Aspect.J.GrangierとG.Roger、 Phys.Lett． 47,460(1981)と49,91(1982)。 A． Aspect、J． DalibardとG． Roger、 Phys.Lett.49,1804(1982)；ZYOuとL． Mandel、Phys.Lett.61,50(1988)と61,54 (1988)。 多くの量子理論物理学者と実験物理学者は、相関関係にある粒子の非局在効果を、情報を送信するための基礎として利用できるかどうかの問題に取り組んだ。 Aspect他の公表された結論は、それが不可能であると主張している。 Baggott,Ji m、量子理論の意味、Oxford Science Publications、Oxford大学出版部、1992年、148-150頁；EberhardtとR.Ross,Found.Phys.Lett.,2,127(1989)。 その論理は、相関関係にある光子の何れかがそれぞれの偏光子を経由して何れかの流れを通過する割合は常にランダム（無作為）に見えるということである。 ランダムでないのは、二つの光子の間の偏光の相関関係である。 受信装置は、送信装置の送り出す光子の状態を知ることができないので、受信した光子から情報を収集することはできない。 従って、信号とノイズは等しい大きさである。 これ等の結論は、そのまま通用している限り正しい。 以前に分析されたシステムでは、相関関係にある光子の光源が、送信装置と受信装置との中間に置かれ、 また、光子の２つの流れのそれぞれの終点部にーつの偏光子、つまり送信装置に対して一つと受信装置に対して一つの偏光子が想定され、また偏光子角度の関数として送信装置と受信装置に於ける光子検出の合致が、観測される。 情報が、合致カウントのために特に設計された該装置を用いて、光子偏光の相関関係により送信されることは不可能なことが真実なのは明らかである。 この分野での過去の研究者達は、２個の偏光子と２個あるいはそれ以上の検出装置を使用した偏光の相関関係による情報の送信ができないので、システムにさらに偏光子を追加しても、問題の改善にはならないと推測していたものと思われる。 光子がいったん直線偏光子を通過すれば、その偏光状態が固定されると一般的に仮定されていたことも明らかである。 本発明者は、正しく配設され制御された追加の偏光子が、相関関係にある光子システムにおいて情報信号をノイズから分離し、また該システムを、情報の送信に利用できるようにすることを発見した。 この目的は、相関関係の測定の実施を必要としないで達成される。 従来の相関関係にある量子粒子を用いた通信方法と異なり、本発明は、合致カウントを実施するために相関関係にある光子ペアの双方を受信装置に送信することを必要としない。 実際、偏光相関関係の測定あるは合致カウントの測定が実施された場合、相関関係は、ランダムであるように見えるだろう。 従って、更に言えば、伝達されるのは光子の状態や量子物体、相関関係ではなく装置の状態である。 装置は、送信端に於けるシステム、受信端に於けるシステム、とさらにこの二つを接続する相関関係にある光子の流れから成るものと見なされる。 送信端に於ける装置の変化は、単一の量子物体で、双方の場所の両端に位置する単一の量子物体により連絡されているので、直ちに、受信端に於ける観測に影響する。 発明の要約 従って、本発明の目的は、相関関係にある一対の量子物体における非局在相関関係効果の制御により情報を送信する手段を提供することである。 本発明のもう一つの目的は、量子の非局在効果によって、２個の物理的に隔離された測定装置をリンクするための手段を提供することである。 本発明のもう一つの目的は、２個の物理的に隔離された測定装置に対する同時の基準点を確立する手段を提供することである。 この発明の更なるもう一つの目的は、一対の量子物体の内の一方の量子物体の受信装置への送信と他方の量子物体の送信装置への送信により、情報を送信し、 また送信装置に向けられた量子物体の確率分布を制御することにより受信装置に向けられた量子物体の確率分布を制御するための手段を提供することである。 本発明は、二つの量子物理学の効果を基礎としてる、即ち一対の量子物体の量子状態の非局在相関関係、及び個々の量子と連続配設されたスピン選択装置との相互作用である。 量子力学は、規則と、ボーズ粒子、フェルミ粒子、原子及び特に光の量子単位である光子などを含む多くの量子物体の統計的振る舞いを予言するのに利用できる数学的演算子との集合である。 量子力学は、なぜこれ等の規則が成り立つのか、あるいは該規則がそもそもなぜ存在するのかを説明していない。 該規則の意味、と基調となる哲学は、広い解釈に任されている。 最も広く受け入れられている量子力学の解釈は、コペンハーゲン解釈と呼ばれる。 コペンハーゲン解釈の信条の一つは、量子物体の特定の属性が、該物体の観測あるいは検出の瞬間まで固定されないということである。 サイエンス誌、270巻、1995年12月1日、頁1439-144 0。 Aspectと他の研究者は、このことは、特に光子に対しては事実であると強く支持している。 上記のAspectの３論文、OuとMandell、Baggott。 この原理のために、量子論的粒子が、互いに相互作用するとき、その量子状態は、からみ合い、引き続いて測定された粒子の属性は、リンクされ、あるいは相関関係を持つようになる。 当初の相互作用が、エネルギー、運動量、量子数、あるいは他の属性の保存を伴うので、二つの粒子の状態は、該状態が最終的に測定されたとき、正しい保存則を満たすはずである。 更に、各粒子の属性が、測定の瞬間まで固定されない場合は、保存則を満たすための唯一の方法は、粒子の一つの属性の測定行動が、これと相関関係にある粒子を、瞬間的に保存則と合致する属性持って行くことである。 コペンハーゲン解釈は、一方の量子物体の測定行動が、他方の相関関係にある量子物体の重ね合わされた潜在的量子状態（シュレーディンガー波動関数）を、求められている量子状態に収縮させるということを提案する。 相関関係にある光子の場合、その直線偏光は、その生成の方法に従って、満たされるべき角運動量の保存則のため、互いに平行に偏光されているか、あるは互いに直角に偏光している（それぞれタイプＩとタイプII）かして、100パーセントからみ合っている。 これは、あたかも光子が、伸び続ける完全な剛体の棒の二つの端を示しているようである。 光子が直線偏光子と相互作用して、一方の端が特定の位置に捻られると、他方の端は、該光子を直ちに捻ることになる。 本発明の中で使用されている二番目の効果は、量子物体とスピン選択装置との相互作用の特定の性質に関する。 例えば、光と偏光子との相互作用は、通常、電磁波理論によって説明され、偏光子は、偏光軸に垂直な電場のベクトル成分を選択的に吸収（あるいは反射）する。 この見解は、膨大な数の光子を取り扱うときには満足の行くものであるが、個々の光子は、非常に異なる見方を示す。 光子のエネルギーは、直接光子の色と連結している。 ランダムに偏光させられた光が、直線偏光子に突き当たると、光の約50％は通過し、50％は、偏光子のタイプ次第で、吸収されるかあるいは反射させられる。 （簡単のために、以下の説明は、吸収偏光子に限定される。）各光子が、偏光軸に垂直な電場成分を失うことでそのエネルギーの半分を捨てるならば、該光子の色は、劇的に変化するだろう。 しかし、該実験が実施されたとき、如何なる色の変化も認められなかった。 従って個々の光子は、該方法では偏光子と相互作用しない。 一方の偏光方向は、 光子を偏光子で吸収させるが、他の偏光方向は、該光子を該偏光子を通過させる。 光子の半分は、一方の方向を選択するが、残りの半分は他の方向を選択するので、正味の結果は、電磁場理論と同じように見える。 第２の偏光子、あるいはスピン選択装置が、光が第１偏光子を通過した後に、 光の経路に置かれると、該第２偏光子を通過する光のパーセントは、該第１偏光子に対する該偏光軸の角度に依存することは公知である。 偏光軸が、平行であるなら、第１偏光子を通過するほぼ全ての光は、また第２偏光子を通過する。 偏光軸が、互いに直角、即ち交差しているか、あるいは互いに９０度である場合は、 第１偏光子を通過する光のほぼ全部が、第２偏光子によりブロックされ、あるいは吸収される。 通過する小量の光は、漏洩（leakage）と呼ばれ、これは偏光子の効率の尺度である。 高効率の偏光子の漏洩レベルは、互いにが交差されたとき非常に低く、１パーセントの約1/10である(Glan-Thompson偏光プリズム、Newpor t部品番号10GT04AR14)。 完全な効率の偏光子を提供することは、光子のトンネル効果のため恐らく不可能である。 交差された偏光子の一対に関して、その重要な特徴は、その直角した偏光軸である。 説明を簡単にするために、第１偏光子が、水平偏光軸を有し、また第２偏光子が垂直偏光軸を有しており、また偏光子が、完全に効率的であるものと仮定する。 我々は、第１偏光子に遭遇するのに先立って、光子の偏光状態が不確定であることを仮定する。 （一定の非直線パラメトリック降下転換結晶により発光させられた相関関係にある光子は、“潜在”偏光状態を有しているが、光子にある操作を実施することで、２個の光子の間の偏光相互関係を、得ることができる。 ）第１偏光子に遭遇すると、光子は、直ちに垂直偏光あるいは垂直偏光の何れかを選択するはずである。 光子は、水平あるいは垂直の何れかを選択する等しい確率を有している。 垂直偏光が選択されるならば、光子は吸収される。 つまり、該偏光が、この際に観測される。 該光子が、水平偏光を選択するならば、該光子は、偏光子により通過させられる。 偏光子を通過する光子は、まだ観測されておらず、該エネルギーがまだ電子に引き渡されていないので、該偏光状態が、未だ変化しやすいことに留意することが重要である。 本発明者は、この状態にある光子を“潜在”偏光を有すると呼ぶ。 これは、該光子が、外部の影響無しで如何なる任意の偏光を取ることができることを意味せず、むしろ、外部の影響が、観測された最終の偏光を変えることができることを意味する。 水平偏光子を通過した撹乱されていない光子は、引き続き垂直偏光子を通過しないことは公知である。 潜在的に水平に偏光された光子が、第２の、垂直偏光子に遭遇したとき、該光子は吸収される。 垂直偏光を選択する確率は、最初に水平偏光子を通過する光子に対しては、実際的にゼロである。 ここで、第３の偏光子が、実験に導入されてくる。 光子に遭遇した第１偏光子は、通常偏光子と呼ばれ、第２偏光子は、検光子と呼ばれる。 第３偏光子は、偏光子と検光子の間に置かれ、該偏光子は、ゲートと呼ばれる。 該３個の偏光子を有する実験では、ゲートはその偏光軸を偏光子と平行に向けられると仮定しよう。 該ゲートの該方向が、光子が検光子を通過することに対して影響せず、偏光子を通過した光子は、ゲートをも通過して検光子により停止させられることは明かである。 ゲートの方向が、検光子に平行である場合は、光子が検光子を通過することにも影響を有さないだろう。 このとき、ゲートは検光子のような働きをして、偏光子を通過する光子は、該ゲートにより停止させられ、絶対に検光子に到達しない。 ゲートが、他の偏光子の何れにも平行でない角度に向けられると、奇妙なことが起こる。 ゲートの角度を検光子と偏光子の双方から±４５度になるように選択することが好都合である。 偏光子を通過する光子は、“潜在的”水平偏光を有している（該偏光を持たせるように光子が未だ観測されていないので、潜在的である）。 該“水平に偏光された”光子は、ゲートを通過するかあるいは該ゲートにより吸収される50/50の可能性を有している。 該光子が、ゲートに遭遇したとき、該光子は、ゲートの偏光軸に平行であるかあるいは該軸に垂直の何れかの新しい偏光を選択して、通過させられるかあるいは吸収されるかの何れかであるはずである。 光子が、ゲートを通過するなら、該光子は、そこで、検光子を通過するゼロ確率を有する代わりに−４５度の“潜在的偏光”を有し、該通過は、50パーセントの可能性を有する。 検光子に遭遇したら、直ちに光子は、水平に偏光された光子として吸収されるか、あるいは垂直に偏光された光子として通過させられるかの何れかを選択する。 このようにして、当初の“水平に偏光された”光子は、該光子に中間の量子決定を課することで、垂直に偏光した光子になるようにされる。 偏光エレメントの各々を通過する光子の割合は50パーセントであるので、三つの偏光エレメントの全てを通過する光子の確率あるいは割合は、（0.5Ｘ0.5Ｘ0. 5）=0.125、言い換えれば12.5パーセントである。 これ等の光子は、各偏光子に於て全ての“正しい”決定を行った光子である。 残りの87.5パーセントは、経路の何れかの所で“誤った”決定を行って、吸収される。 要約すれば、ある過程は、直線の偏光に重ね合わされた光子のように相関関係にある一対の量子物体を作ることができ、一方の光子の偏光の測定が、一方の光子の偏光状態をこれと矛盾しない値に設定することは公知である。 光子に、一連の検光子を通過する際に、一連の量子選択をさせることで、光子の直線偏光を、 検出無しで変化させることができることもまた公知である。 これ等の技術を考慮して、本発明の前記の目的は、一対の相関関係にある量子物体の一方の量子物体の量子の状態の確率分布を制御するための方法と装置を提供し、該方法が、一対の相関関係にある量子物体を提供するステップを有し、該物体の各々が、均一の量子状態確率分布を有し、一対の相関関係にある量子物体の他方の量子物体の観測可能な量子状態の確率分布を選択するための制御手段を使用して、一方の量子物体の量子状態の確率分布を制御するための該手段を提供し、他方の量子粒子の量子状態の確率分布を選択するために該制御手段を使用し、他方の量子物体の量子状態を観測するかどうかを選択し、また、引き続き、該一方の量子物体の用意された量子状態確率分布が、他方の量子物体の量子状態の観測で、変化させられたかどうかを決定するために、一対の相関関係にある量子物体の一方の量子物体の量子状態を観測するすることで達成される。 該方法で、 選択的に一対の相関関係にある量子物体の他方の量子物体の量子状態確率分布を制御し、該制御で、選択的に、引き続いて観測される一方の量子物体の量子の状態の変更を与えるかどうかを選ぶことで、一方の量子物体の量子状態の観測後、 情報を直ちに選択的に送信させることができる。 本発明の方法は、ボーズ粒子、フェルミ粒子と原子とまた特に光子を含む種々の量子物体に適用可能である。 一対の相関関係にある量子物体は、相関関係にある量子物体の流れの一部として提供させることができ、これに限定されるわけではないが、例えば原子カスケード、重水素あるいはカルシウムからの自然発光を含む、スピンを保存する二光子発光過程、二つの量子の吸収／二つの量子発光過程、とまたタイプＩとタイプIIのスピン相関関係過程の双方を含む光学的パラメトリツク降下転換（down-conversion）過程を含む複数の手段の何れか一つで提供することができる。 相関関係にある量子物体の一対の光源は、ランダム化された量子状態確率分布を有する一対を提供することが好ましい。 該一対の相関関係にある量子物体が、 ランダム化された量子状態の確率分布なしで提供された場合は、量子状態の確率分布を、量子物体の一方の流れの偏光面あるいはスピン方向を回転させて、該流れを、他方の、回転していない量子物体の流れと結合させたりするような、各種の手段でランダム化することができる。 上記、OuとMandel 1。 他方の量子物体の観測可能な量子状態の確率分布を選択するための手段を使用して一方の量子物体の量子状態の確率分布を制御するための手段は、量子スピンの選択、あるは偏光ビーム・スプリッター、Nicholsプリズム、波長板、Pockel セル、二色偏光プラスチック板とStern-Gerlachスピン検光子のようなのような量子スピン変更装置から成る。 相関関係にある量子物体の一対は、相関関係にある量子物体の隔離された流れの一部として提供されることが好ましい。 相関関係にある光子の場合、このことは、何れかの流れの中に一対の光子の何れかが等しい確率で検出されることを提供するために相関関係にある光子を提供する光源と共に、レンズ、プリズム、鏡、偏光ビーム・スプリッター、とまたこれらの装置の組合せから成るグループから選択された装置を使用することにより達成される。 相関関係にある光子以外の量子物体の場合、該提供は、帯電した相関関係にある量子物体に対して'プリズム'としての役割を果たす均一磁場のような光学装置と機能的に同じ装置を使用することで達成される。 他方の量子物体の量子状態の確率分布を変更あるは観測するかどうかの選択をするステップは、この方法を用いる者が、量子物体の量子状態の確率分布を変調することで情報を送信することを希望するか、あるいはしないか次第で、選択的に、他方の量子物体の量子状態の観測をするかあるいは観測しないかの、何れかを含むことができる。 更に、スピン選択装置で他方の量子物体の量子状態を観測することで、スピン選択装置の選び方次第で、一方の量子物体の確率分布を変更するかあるいは変更しないかどうかを選択することができる。 本発明は、下記の好ましい実施例の図面の引用と詳しい説明によりさらに完璧に理解されるだろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の一つの実施例の概略図である。 図２は、信号送信をどの様にして切り換えることができるかを示すために変更された図１の本発明の概略図である。 図３は、本発明の他の実施例の概略図である。 図４は、信号送信をどの様にして切り換えることができるかを示すために変更された図３の本発明の概略図である。 図５は、異なる光子の光源を使用する本発明のさらに他の実施例の概略図である。 図６は、信号送信をどの様にして切り換えることができるかを示すために変更された図５の本発明の概略図である。 好ましい実施例の説明 ここで、本発明のシステムと方法が好ましい実施例において示され、同様の部分には同一の参照番号が付与された図面を参照する。 説明を容易にするために、全ての図は各領域に分けられている。 図１と２は、 光源10から発光され２本の異なる光学的経路を通過し、タイプIIの相関関係にある一対の光子の偏光状態を追跡することで本発明の動作を示している。 該経路は、'他方（other）'と'一方（one）'とラベルが付けられる。 該経路は、光子に作用している過程の時間的関係を明確にするため、互いに平行しているように画かれている。 実際には、該経路経路は、通常は光源10から逆方向に伸びる。 領域の各々は、両経路における光子の時間的に同じ期間を示しており、領域の開始と終わりの位置は、各々の光子に対する光源10からの同等の光学的経路の距離を示している。 従って、'他方の'光子は、'他方の'経路の中の領域２の最初に、'一方の'光子が、'一方の'経路の中の領域２の最初に到着すると同時に到着し、相関関係にある二つの光子は、光源10からの同じ光学的経路の距離を移動している。 該領域は、順番に光子と遭遇し、領域１の動作は、領域２の動作の前に実行され、以後同様のことが続く。 図の中で使用されている略記号の一覧は、表１に掲載されている。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ， ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，Ｎ Ｚ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ， ＵＺ，ＶＮ