間隔 で１光子レベルの光波束を発生出来る光パルス発生器と遅延
を行うためのハーフミラーを用いた下図のような光学系を利用して、連続して発生した１つ目の光波束と２つ目の光波束とが干渉する様子を、量子場光学を用いて説明することを試みる。
ビームスプリッタを単に光子の素励起情報の波動の伝搬を２方向に分岐する素子として考える。また、光パルス発生器は、いわゆる単一光子光源でトリガ信号により発光可能で間隔 で１光子レベルの光波束を連続して発生させる。また、ビームスプリッタＡとミラーＡとの距離及びミラーＢとビームスプリッタＢとの距離は両方で遅延
が生じるように設定されている。したがって、ビームスプリッタに入射するのは１回目はビームスプリッタＡで反射され経路１を通る１つ目の光波束だけであるが、２回目は経路２を通って遅延
が生じた１つ目の光波束とビームスプリッタＡで反射され経路１を通る２つ目の光波束とが同時に異なる方向から入射する。
それでは、１回目の様子から説明したい。光パルス発生器の束縛電子場の励起電子から光学遷移により自由光子場に出射された１光子レベルの光波束は、１つ目の光波束として、ビームスプリッタＡで経路１と経路２に分岐される。経路１を通る光波束はビームスプリッタＢに到達して分岐され、検出器１及び検出器２の束縛電子場の電子にそれぞれ到達する。検出器１の電子及び検出器２の電子に到達した１光子レベルの光波束はそれぞれ光子の素励起情報の波動であり、同じ情報内容であって区別できない。その結果、検出器１の電子もしくは検出器２のいずれか一方の電子が確率的に選択されて励起されることで、検出器１もしくは検出器２の一方が光を検出することになる。エネルギー移動について説明すると、光パルス発生器から１光子レベルの光波束が出射される際に、光パルス発生器の束縛電子場から自由光子場に光学遷移に相当する のエネルギーが移動する。さらに、検出器１もしくは検出器２のいずれかが選択された際に、自由光子場から検出器の束縛電子場に
のエネルギーが移動する。このようにエネルギー保存則は成立している。
次に、２回目の様子を説明する。パルス発生器の束縛電子場の励起電子から光学遷移により出射された１つ目の光波束のうちビームスプリッタＡで分岐されて経路２を通る光波束は遅延 を受けてビームスプリッタＢに入射する。一方、パルス発生器において１つ目の光波束の出射から間隔
をおいて束縛電子場の励起電子から光学遷移により出射された２つ目の光波束は、ビームスプリッタＡで経路１と経路２に分岐される。経路１を通る２つ目の光波束は経路２を通ってきた１つ目の光波束と同時にビームスプリッタＢにそれぞれの方向から入射する。２つ目の光波束と１つ目の光波束はいずれもビームスプリッタＢで重畳して分岐され、検出器１及び検出器２の束縛電子場の電子にそれぞれ到達する。検出器１の電子及び検出器２の電子に到達した１光子レベルの光波束はそれぞれ光子の素励起情報の波動であり、重畳したとしても同じ情報内容であって区別できない。その結果、検出器１の電子もしくは検出器２のいずれか一方の電子が確率的に選択されて励起されることで、検出器１もしくは検出器２の一方が光を検出することになる。エネルギー移動について説明すると、光パルス発生器から２つ目の光波束として１光子レベルの光波束が出射される際に、光パルス発生器の束縛電子場から自由光子場に光学遷移に相当する
のエネルギーが移動する。さらに、検出器１もしくは検出器２のいずれかが選択された際に、自由光子場から検出器の束縛電子場に
のエネルギーが移動する。このように２回目においてもエネルギー保存則は成立している。
以上のように、量子場光学を用いて上図の光学系での様子をわかり易く説明することが出来た。
実は今回の光学系は、２０２２－０７－１７の「２つの光の波束の実験の解釈」という投稿と同じものである。しかし、当時はまだ考え方がまとまっておらず、今から見ると、例えば「残りの１つ分のエネルギーは検出器１及び２の中に散逸する。」等と、おかしな解釈となってしまっていた。しかし、少しずつ考え方がまとまってきて「量子場光学」を立ち上げることができた。まだ不十分な点が無いわけではないがさらなる進化をのんびりと図りたいと思う。。。とか言って本当に大丈夫だろうか。。。
