東京大学大学院工学系研究科・教授の古澤明氏と大学院生・不破麻里亜氏らの研究グループは，アインシュタインが提唱した「量子（光子）の非局所性」を世界で初めて厳密に実証することに成功した。

単一光子の非局所性の概念

今回の光子の非局所性の検証方法（1）

今回の光子の非局所性の検証方法（2）

光子の非局所性については，1909年にアインシュタインが「ピンホールで回折した単一光子は空間的に広がるが，異なる2点で同時に観測することはできない」という量子力学の不可解な例として提唱して以来，「物理学の100年論争」を巻き起こしてきた。

アインシュタインは，この現象について「ある1点で光子が観測された場合，その他の地点で同時観測を妨げるような遠隔相互作用が存在しなければならない」（この作用をspooky action at a distanceと呼んだ）と考えたが，当時の理論では説明ができなかったために，その存在を疑い続けた。

この現象の検証に，これまで多くの物理学者が挑んできたが，従来の実験では，光子を粒子として検出していたために検出効率が低く，「測定の抜け穴」と呼ばれる制約があり，十分に説得を持つ実証が困難だった。

ところが，2010年にオーストラリア・グリフィス大学・教授のハワード・ワイズマン氏ら研究グループが，単一光子にホモダイン測定を適応し，「Einstein-Podolsky-Rosen steering」（EPR steering）と呼ぶ検証方法を用いることで検証が可能になるという理論提案を発表した。

今回，古澤氏・不破氏らの研究グループは，ワイズマン氏の手法を空間的に２ヶ所に広がった１つの光子に適応させ，光子の非局所性を厳密に実証することに成功した。

今回行なった光子の非局所性検証実験結果（1）

今回行なった光子の非局所性検証実験結果（2）

今回用いた実験装置

具体的には，生成した光子をピンホールで回折させる代わりに，入射する光の一部を反射し，一部を透過するという部分反射ミラーで2 つの光路に分けることで，光子が通過できる経路数を無限から2 つへと減らし，非局所性の検証において本質的な「光子の空間的な広がり」を残しつつ，実験装置を簡略化することに成功した。

そして，部分反射ミラーの反射光と透過光の両方をホモダイン測定した。ポイントは，「部分反射ミラーの片側（透過光）のホモダイン測定の観測属性（位相）を変更すると，観測属性と得られた結果（振幅の符号）に応じてもう片側（反射光）の量子状態に変化が生じる」ことを確認したことだという。

これは，「空間的に離れた2 地点の片方の観測属性と結果に応じた影響がもう片方に及んで，それに対応する量子状態が現れた」ことを意味する。この現象こそが，アインシュタインによって100 年前に提唱された光子1 つがもたらす非局所性そのものとしている。

研究グループは非局所性の存在を示す十分な根拠を得るために，電磁波の6 つの異なる属性でその効果を検証。さらに，これを定量的に評価するEPR steering 不等式の破れを検証し，光子の非局所性の厳密な検証に成功した。

今回の実験成功において，特に重要な鍵となったのは高効率な単一光子生成に加え，粒子的性格の強い量子である光子に，波の側面に着目して測定することにより検出効率を高め，光子の位相情報を駆使してより多くの情報を得ることにより，厳密な非局所性を検証したことなどをあげている。

今後，この手法を活用し，光子の粒子性と波動性の両方を用いた新しいタイプの量子暗号や量子コンピューターの開発に取り組んでいく考えだ。