阪大ら,逆時空間における光と電子の接触と反発を観測

大阪大学と米ライス大学は,光と電子の接触と反発を私たちが普段目にするのとは逆の時間と空間(逆時空間)で容易に観測できる試料と方法を見いだした(ニュースリリース)。

光と電子(もしくは光同士)の逆時間上での接触と反発が,ここ数年注目を集めている。逆時間で接触することは,光と電子が独立に(ばらばらに)振動することに対応する。逆時間で反発することは,それらが一体となって振動することに対応する(なおかつ本来の光と電子の周期とは異なる周期で振動する)。

ただし,光や電子は非常に早く振動するため,それらの一体化を実際に目にするのは難しく,物理学の研究では代わりに,プリズムなどで色分けして逆時間上での接触と反発を観測する。特に接触と反発が切り替わる特異点と呼ばれる状況で見られるユニークな光の挙動に興味が持たれている。しかし,接触と反発の切り替わりを観測するためには,これまでは別の光を照射するなど工夫が必要だった。

今回,研究グループは,カーボンナノチューブ(CNT)の筒の方向を揃えて綺麗に敷き詰めた1枚の膜を作製し,その両面に光を反射させる鏡を取り付けた。試料を回転させ,プリズムのようなもので光を色分けしながら,光がどれだけこの試料を透過するのか測定した。その結果,逆時間と2次元の逆空間で光とCNT中の電子が接触し反発する様子を,平易な実験装置で観測することに成功した。

ただし,光が実際には鏡の外に漏れ出るため,実験結果だけは本当に接触しているのか不明瞭だった。そこで,光の漏れを考慮した上で理論解析することで,光と電子が確かに接触していることを確認した。その解析を基に研究グループは,実験結果から光と電子の接触と反発の様子を導き出した。

この研究成果により,量子コンピューターや量子情報通信などの量子情報技術の実用化に向けて常に問題となるノイズ問題に対して,新たな解消法を確立できる可能性がある。光を用いた量子情報処理では,光子1つ1つに情報を担わせるが<ノイズによる情報の改変や,光子自体がいなくなってしまうという問題がある。

今回作製した試料は,光と電子が逆時空間で非常に強く反発する,つまり光と電子が非常に強く一体化することも特徴の1つ。光と電子とが非常に強く一体化することで,ノイズの影響を受けない光子を作り出せることが知られている。

光と電子の接触(独立化)と反発(一体化)を容易に変化させられるこの研究の試料と方法を今後発展させていくことで,ただノイズの影響を受けない光子を作り出すだけでなく,その光子を自在に制御できる技術を開発していけるという。それによって,量子情報技術が直面するノイズ問題に対して新たな解消法を確立できる可能性があるとしている。

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