量子もつれとは、二つ以上の量子系が相互作用した後に、その状態が密接に関係する現象です。量子もつれした系は、個々には確定した状態を持たず、観測されるまで不確定です。
しかし、一方の系を観測すると、他方の系の状態も即座に決まります。
このように、空間的に離れた系が相関することは、因果律や局所性という古典的な原理に反するように見えます。
量子もつれを実験的に確認する方法は、いくつかありますが、代表的なものは以下のようなものです。
- ベル不等式の検証：
量子もつれした系は、古典的な統計的相関に従わないことを利用して、ベル不等式と呼ばれる数学的な条件を破ることができます。
ベル不等式を破ることは、量子もつれの存在の証拠となります。
ベル不等式の検証には、光子や電子などの量子系を用いて、その偏光やスピンなどの物理量を測定する装置が必要です。
- 量子テレポーテーション：
量子もつれした系は、一方の系の状態を観測することで、他方の系の状態を即座に決めることができます。この性質を利用して、ある系の状態を別の系に転送することができます。
これを量子テレポーテーションと呼びます。
量子テレポーテーションには、量子もつれした系とその状態を測定する装置が必要です。
- トポロジカル構造の生成：
量子もつれした系は、3個以上の量子によって特殊な構造を作ることができます。
この構造はトポロジカル構造と呼ばれ、有限温度でも安定に存在できます。トポロジカル構造の生成には、超伝導回路や半導体などの物質を用いて、その電流や電荷などの物理量を制御する装置が必要です。
以上のように、量子もつれを実験的に確認する方法は多岐にわたりますが、共通して必要なものは、高度な技術や精密な測定装置です。
量子もつれは非常にデリケートな現象であり、外部からのノイズや干渉によって容易に壊れてしまいます。
そのため、量子もつれを実験的に確認することは、物理学者や工学者にとって大きな挑戦です。