量子物理学：0.5 mスケールでの量子重ね合わせ

量子重ね合わせ原理は、離れた位置において質量を持つ粒子をも非局在化させる。量子力学は微視的世界をうまく記述するが、量子重ね合わせを巨視的スケールまで拡張すると、シュレーディンガーの猫の思考実験で例示されるように、実在性と局所性について直感的な理解が成り立たなくなる。量子干渉を観測するため波束を分割・再結合する物質波干渉計を用いれば、巨視的スケールで量子重ね合わせ原理を探り、古典物理学への遷移について調べる方法が得られる。そうした実験では、長い相互作用時間と大きな運動量のビームスプリッターが必要だが、これらが位相緩和とデコヒーレンスの影響を受けやすくするため、大きな波束間距離の実現が妨げられている。今回我々は、光パルス原子干渉計を使って、最大54 cm離れた波束による量子干渉を、1秒の時間スケールで実現した。こうした結果は、量子重ね合わせが日常生活の距離と時間スケールでも実現可能であることを実証し、量子重ね合わせを新たな巨視的領域へと推し進める。ナノケルビン以下の原子温度と、横方向光学力の補償によって、28％の干渉コントラストを保ちながら大きな波束間距離が実現された。大きな量子重ね合わせ状態は、新しい領域における重ね合わせ原理の検証に加えて、原子干渉計による詳細な重力探査に不可欠である。我々は、こうした状態を使って、等価原理の検証感度を高め、重力のアハラノフ・ボーム効果を測定し、最終的には一般相対論に伴う重力波と位相シフトを検出できる可能性があると予想している。

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