光子は素粒子の中で最もよく知られているかもしれません。 光の速度で移動すると、粒子は太陽、月、星から毎日私たちに衝撃を与えます。 一世紀以上にわたり、科学者やエンジニアは、私たちの都市と今、私たちの画面を照らすために集計してそれらを活用してきました。

今日の研究者は、これまで以上にフィネスで光子を制御することができます。 メリーランド州の国立標準技術研究所（NIST）では、物理学者Paulina Kuoが光子を個別に作成し、操作します。, 彼女の研究室でカスタムデザインの結晶をレーザー光で照らすことによって、Kuoは双子の光子を生成し、さらに単一の光子に分離することができます。 異なる色の光子を生成するために粒子を吸収する特定の材料に向かってそれらを向けると、光子にコードされた情報を維持しながら、光子の色を効果的に変えることができます。

例えば、彼女は赤と赤外光の間の変換を可能にする、入力光子の周波数を倍にするために結晶を設計しました。 “二つの光子を融合させたり、一つの光子を二つに分割したりすることができます”と彼女は言います。, “またはさらに高次のプロセス。 三つの光子を一つに融合させたり、一つの光子を三つに分割することができます。”これらの技術を補完するために、彼女は、単一の光子を吸収すると非超伝導になる超電導線で作られた最先端の単一光子検出器を使用しています。 これらのタイプの探知器は99%まで効率の光子を検出する極めて正確な計算を提供する。

この単一光子技術は、将来の量子インターネット、単一光子および他の量子粒子に符号化されたデータを送信するためのデバイスの提案されたグローバルネットワークのバックボーンを形成する。, このデータは、光子の偏光などの粒子の量子特性で表されます。 0または1としてしか表現できない古典的なデータとは異なり、いわゆる量子情報は、0と1の重み付けされた組み合わせである値を取り、新しい、潜在的により強力な計算アルゴリズムと新しい暗号化プロトコルを可能にする。

量子インターネットには、信号損失の問題など、工学的課題がたくさんあるとKuo氏は述べています。 しかし、研究者—とその政府は—野心的な計画を立てています。, 2016年、欧州連合は1億ユーロの量子テクノロジーイニシアチブを開始した。 この八月、米国は、次の五年間にわたって約束された最大$625百万と量子技術開発を加速するための五つの量子研究センターを設立しました。 2016年に100万ドルの中国の量子技術衛星とその後のプロジェクトの打ち上げを主導した物理学者Pan Jian-Weiは、2030年までにグローバルな量子インターネットを構築するという目標を述べている。,

多くの専門家は、単一光子技術の現在の時代を”第二の量子革命”と呼んでいます。これは、科学者が量子力学の直観に反する原理、つまり絡み合い、重ね合わせ、波と粒子の双対性を理解するだけでなく、それらを技術に利用することができるパラダイムシフトです。 光子はもはや単なる研究対象ではなく、道具です。

それでは、光子とは何ですか？ クオは、循環応答を与えます。 “光子は、単一光子分解検出器によって登録されたクリックです”と彼女は言います。

Kuoよりも漠然とした言葉が光子を記述するために使用されています。, それは波と光の粒子、または電磁場の量子化です。 または、”黙って計算してください”というフレーズは、量子力学に困惑している人には馴染みのあるものです。

“光子にあまりにも多くの現実を与えると、問題になる可能性があります”とnistの物理学者Alan Migdallは言います。

“人々は100年以上にわたってそれについて議論してきました”とトロント大学の物理学者Aephraim Steinbergは言います。 “私たちは合意に達していないと思います。”

物理学者は、光子を発見するとすぐに光子について議論し始めました。, 粒子を考え出した科学者たちは、それらが本質的に自然界に存在していることに懐疑的でした。 1900年、ドイツの物理学者マックス-プランクは、物体の温度と放出された放射線との関係に関する実験データを混乱させることを説明するために、放射線は離散量、すなわち量子で来ることを提案した。 光子の概念が生まれました。 しかし、プランクは彼のアイデアの深さを理解していませんでした。 彼は後に彼の突破口を”絶望の行為”—数学をうまくいくようにする根拠のないトリックとして説明しました。,

アルバート-アインシュタインも、光子理論の発展に貢献したという意味に抵抗しました。 彼は特に、二つの粒子が互いに遠く離れて分離されていても、運命を絡み合っている可能性があるという考えである絡み合いに悩まされていました。 この理論は、例えば、あなたが絡み合ったペアで一方の光子の偏光を測定するならば、二つの粒子が太陽系の反対側の端に分離されていても、あなたはすぐにもう一方の偏光を知るであろうということを暗示しました。, エンタングルメントは、オブジェクトが任意に遠くから互いに影響を与えることができることを示唆し、アインシュタインは”遠くで不気味な行動”と揶揄した非局所性として知られて”オブジェクトがお互いに影響を及ぼすために近接していなければならない現実を好む、彼は量子力学理論が不完全であると信じていました。 “確かにアインシュタインに消化不良を与えました”とMigdall氏は言います。

何十年もの間、光子に関する議論は、これらのアイデアをテストすることは技術的に不可能であったため、思考実験の領域に主に追いやられました。, Steinberg氏によると、単一光子源と検出器がより良く、より広くアクセスできるようになるにつれて、最近、議論は物理学のコミュニティにもっと広く浸透し “シュレーディンガーの猫のように、想像するだけではなく、これらの実験を行うことができます”と彼は言います。

たとえば、物理学者はすべて絡み合いの存在を確認しています。 ベルの不等式のテストとして知られている数十年の実験は、アインシュタインが間違っていたこと、そして私たちの宇宙は非局所的であることを強,

これらのテストは、1964年に英国の物理学者John Stewart Bellによって考案された実験フレームワークに基づいています。 理論的な研究では、ベルは、うわさによるともつれた粒子について測定を繰り返すと、光子が本当に非局所的に影響を与えるのか、あるいは未知のメカニズム（一般的に”局所的な隠れ変数”として知られている）が遠くに作用する錯覚を作り出すのかを明らかにすることができることを示した。 実際には、テストは主に二つの異なる検出器でそれらの分極を測定するために二つの異なる経路に沿って絡み合った光子のペアを分割すること,
マサチューセッツ工科大学の物理学者デイビッド-カイザーが説明するように、1970年代から物理学者はベルテストを行っており、光子が遠くから驚くように行動することを示すすべての実験が発表されている。 しかし、全会一致の結果にもかかわらず、これらの初期の実験は決定的ではなかった：技術不足は、彼らの実験は三つの潜在的な設計上の制限、または抜

局所の抜け穴として知られている最初の抜け穴は、二つの偏光検出器が近すぎることから生じる。, 理論的には、もつれた光子が放出される直前に、一方の検出器が他方の検出器に信号を中継し、局所的に測定の結果に影響を与える可能性があった。

フェアサンプリングの抜け穴と呼ばれる第二の抜け穴は、品質の悪い単一光子検出器に起因しました。 専門家は、検出器が光子の偏ったサブセットを捉え、統計を歪めている可能性があると主張した。 Migdall氏によると、この抜け穴を閉じたいという願望は、量子技術で日常的に使用されているのと同じより良い単一光子検出器の開発を推進しました。,

第三の抜け穴、選択の自由の抜け穴は、偏光検出器の設定に関連しています。 多数の偏光測定に対して真に偏りのない統計を取得するには、偏光検出器の向きを測定ごとにランダムにリセットする必要があります。 ランダム性を保証することは困難であり、研究者は初期の実験で手作業で検出器をリセットすることに苦労しています。

最近の実験は、カイザーによると、一つのテストで同時ではないにもかかわらず、すべての三つの抜け穴を閉じています。, 2015年、デルフト工科大学の物理学者ロナルド-ハンソン率いるチームは、光子ではなく絡み合った電子を使用しているにもかかわらず、初めて公正なサンプリングと局所性の抜け穴を閉じたベルテストを行った。

公開2018年に、スペインのフォトニクス科学研究所の科学者チームは、100,000人のボランティアに乱数を生成するためのビデオゲームをプレイさせ、科学者たちは選択の自由の抜け穴を制限するためにベルテスト検出器を設定するために使用しました。,

カイザーは2018年に発表された別の実験”Cosmic Bell Test”に取り組み、それぞれ600光年と1,900光年離れた二つの星から放出される光の周波数に基づいて乱数発生器を用いて偏光検出器の向きを設定することによって、局所の抜け穴を閉じ、選択の自由の抜け穴をしっかりと制約した。

結果は、絡み合いの非局所性を強く支持する。 “アインシュタインが量子力学で持っていた消化不良—彼が今日周りにいたら、あなたは彼がそれに対処しなければならないと彼に言うでしょう”とMigdall,

オハイオ州立大学の物理学者Alexandra Landsmanは、光子を”エネルギーの量子”と表現しており、物理学者の元の粒子の概念と密接に一致しています。 1905年の論文では、アインシュタインは光をその周波数に比例したエネルギーの離散パケットとして記述し、いわゆる光電効果を説明した。 科学者たちは、材料が電子を排出するために光を吸収することを観察したが、光の周波数がいくつかのしきい値よりも短い場合にのみ。, 彼は1921年にノーベル賞を受賞したアインシュタインの説明は、量子論の発展をキックスタートさせるのに役立ちました。

新しいレーザー技術により、研究者は光電効果をより詳細に再検討することができました。 2001年に発明されたアト秒レーザーは、物理学者が記録的なシャッタースピードを持つカメラのような量子スケールの行動を観察することを可能にする秒の四, 特に、物理学者は光電効果を時間を計るために超高速レーザーを使用しています：光子が原子または分子に衝突すると、電子が放出されるのにどれくらい “過去の人々は、このプロセスが瞬時に起こると想定していました”とLandsman氏は言います。 “実験的にこの質問に対処する方法はありませんでした。”

2010年、ウィーン工科大学の物理学者Ferenc Krausz率いるチームは、原子からの電子放出に時間がかかることを示す実験を行いました。, 彼らは絶対時間を測定しませんでしたが、電子がネオン原子の20p軌道と2s軌道から離れるのに約2アト秒長くかかったことを識別できました。 他のグループによるその後の実験は、水や亜酸化窒素などの分子中の電子放出を時限付けしました。

理論家であるLandsmanは、電子が他の分子よりも速く特定の分子を離れる理由を理解するために取り組んでいます。 いくつかの分子は、例えば、電子が定在波を形成するように電子を空間に閉じ込める。, 形状共鳴として知られているこの状態は、一時的に電子を捕捉し、その脱出を遅くする。 最終的に、Landsmanは、原子と分子が電子を放出するのを遅らせるすべての要因を、光子と電子が互いに遭遇する時間について解明したいと考えています。 “これらの実験は、光子が電子とどのように相互作用するかについてのより多くの洞察を与えます”と彼女は言います。

しかし、Zlatko Minevは光子がエネルギーの量子であるとは考えていません。 IBMの物理学者であるMinevは、量子コンピュータを構築する方法を研究しています。, この新しい技術的文脈では、光子は異なって現れるように見えると彼は言います。

Minevは、量子コンピュータのビルディングブロックである量子ビットとして使用できる超電導線で作られた回路で実験を行っています。 これらの回路は、特定のエネルギーの単一の光子を吸収するように設計されており、光子の吸収は量子コンピュータにおける1つの状態を表すことができる。 量子ビットが一つの光子を吸収すると、その応答が変化し、そのエネルギーの光子を吸収しなくなります。,

“エネルギーの量子”としての光子の従来の考え方は、これらの回路に適合しない、とMinevは言う。 “あなたは私の発振器に二つの光子を持っていることはどういう意味ですか、尋ねることができ それはエネルギーの二つの単位ですか？”彼は言う。 “この場合、発振器の余分な光子は実際には異なる量のエネルギーを持っているため、そうではありません。 この場合、エネルギーは光子を定義しません。”

それでは、彼は光子をどのように説明していますか？ “私はあなたに一文の答えを与えることができるかどうかわかりません”とMinev氏は言います。 “私は現在、自分の理解を再評価しています。,”現在、彼は光子が”行動の量子”であると考えており、”行動”は彼のシステムの許容される行動を記述する抽象的な量を指します。

物理学者が基礎を再評価するにつれて、これらの新しい実験は基礎科学と応用の関係を明らかにする。 Kuoの量子インターネット技術は、もつれのベルテストで使用されるハードウェアと祖先を共有しています。 Minevの研究の非線形振動子にまで発達することを助け方法の間違いを修正し、量子コンピュータ, 分子における光電効果に関するLandsmanの研究は、その電子特性についての手がかりを明らかにすることができ、最終的に科学者に所望の仕様を有する材 Migdall氏によると、研究者はベルテストを使用して、絡み合った粒子を利用する乱数発生器の新しいモデルの乱数性を検証しているという。

それでも、光子の本質は物理学者を逃れる。 “意識陰気のすべての五十年間は、質問に対する答えに近い私をもたらしていない：光量子は何ですか？”アインシュタインは1951年の手紙で書いた。, “もちろん今ではじっと考える人の回答ですが、彼はdeludingました。”

彼はもつれについて間違っていたかもしれませんが、集団陰気の七十年後、感情はまだ保持しています。

ソフィア-チェンは、WIRED、科学、物理学の女の子に貢献しています。 彼女はコロンバス、オハイオ州で基づくフリーランス-ラ

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