量子場光学による事後選択干渉の説明チャレンジ

 今回は、事後選択について自仮説の量子場光学による説明にチャレンジする。下図はホイーラーの事後選択干渉実験と言われる光学系である。

図1.事後選択光学系(ハーフミラーB挿入前)

上図において、光パルス発生器内の束縛電子場の電子から光学遷移により生成した1つ目の1光子レベルの光波束は、光子の素励起情報としての光子波として束縛電子場に近接する自由光子場に生成する。同時に光学遷移ギャップに相当するエネルギー \hbar \omega自由電子場に移動する。この光子波は自由光子場中を光速で伝搬し、ビームスプリッタでその光子波は経路Aと経路Bの2方向に分けられる。交差点にはハーフミラーBは挿入されていないので、経路Aを通ってきた光子波は検出器1に、経路Bを通ってきた光子波は検出器2にそれぞれ到達する。ただし、経路Aを通ってきた光子波と経路Bを通ってきた光子波とはいずれも光パルス発生器からの光子波と同じものであり、光パルス発生器からの光子波からみて両方の検出器が区別できないので、両方の検出器全体でのエネルギーが移動するための確率が1となるため、いずれか一方の検出器の束縛電子場に自由光子場のエネルギー \hbar \omega が移動することで1つ目の1光子レベルの光波束が検出されることになる。2つ目以降の光波束も同様にいずれか一方の検出器で検出される。その結果、両方の検出器で同数の1光子レベルの光波束が検出されることになる。なお、遅延素子で遅延 \Delta t (位相差)の程度を変化させても、検出器1及び検出器2のいずれに到達する光子波も同じものであり、干渉が生じない。

ところで、上図において、ハーフミラーAから交差点までの距離を十分に長く設定することにより、光パルス発生器から出射された1光子レベルの光波束の光子波がハーフミラーAで2方向に分岐された後に、ハーフミラーBを交差点に挿入することが可能となり、上図の光学系を下図の光学系に変えることが出来る。

事後選択光学系(ハーフミラーB挿入後)

この図では、経路Aと経路Bが交差する交差点にハーフミラーBが挿入されている。したがって、経路Aを通ってきた光子波と経路Bを通ってきた光子波とがハーフミラーBで重ね合された上で干渉して検出器1及び検出器2にそれぞれ伝搬する。検出器1に到達する光子波と検出器2に到達する光子波とは遅延素子の遅延 \Delta t の程度を変化させることで干渉の状態を変化させて、1光子レベルの光波束について検出器1で検出される確率と検出器2で検出される確率を変えることができる。例えば、遅延 \Delta t を調節することで、1光子レベルの光波束の検出を、検出器1のみとしたり、検出器2のみとすることが可能となる。

 量子光学、特に離散量子光学では、光の粒子性を重視しているので、光子を質点で表現し、光子は経路A及び経路Bのいずれか一方を通り、両方の経路を通ることは無いと考えるので、上記の事後選択干渉実験が奇妙に見えることになる。しかし、自仮説の量子場光学によれば、自由光子場を伝搬するのは素励起情報の光子波であり、経路A及び経路Bの両方を同時に通るので、上記のように自然に説明することが可能である。