二重スリット実験を物理的スリットではなく「時間の切れ目」で再現成功！

二重スリットは時間軸にあってもいいようです。

英国のインペリアル・カレッジ・ロンドン（ICL）で行われた研究によって、光の波としての性質を証明する二重スリット実験の干渉効果が、2つの物理的スリットではなく、同じ場所で2連続で開閉する時間的スリットでも観測できることが示されました。

通常の空間的二重スリット実験では、光子が空間的に離れた2つのスリットを通過すると、右側を通った光と左側を通った光が干渉し合って干渉縞を作ることが知られています。

今回の新たに行われた時間的二重スリット実験は時間的に先（過去）に通った光と、時間的に後（未来）に通った光が相互作用し干渉縞を作ることを示唆しています。

量子力学の不思議さを象徴する二重スリット実験の肝である「スリット」が空間的隔たりだけでなく時間的隔たりにおいても機能するという結果は非常に驚きです。

研究内容の詳細は2023年4月3日に『Nature Physics』にて掲載されました。

目次

• スリットは時間軸上に存在していてもかまわない
• スリットを「10億分の1秒の間」だけ生成する特殊素材

スリットは時間軸上に存在していてもかまわない

Credit:Curiosity.com

今から220年ほど前の1801年、トーマス・ヤングは光の波としての性質を証明する有名な二重スリット実験を行いました。

この実験では2つのスリット（隙間）があいた板に向けて光を照射し、その背後に設置した感光板にどのような模様が現れるかを確かめました。

もし光が粒子だった場合、スリットの向こうの板には二筋の光が浮かび上がるはずです。

しかし波としての性質を持っていた場合、光源から発射された光は2つのスリットを通過すると上の図のように2つの波を形成し、その波同士が重なったり打ち消し合ったりすることで「しま模様（干渉波）」が発生することになります。

結果は予想通りの干渉波が観察され、光に波のような性質が存在することが明らかになりました。

しかし、後に光は光子という粒子としての性質を示すことも明らかになります。

そのため二重スリット実験は光が粒子にも波にもなるという量子世界の「奇妙さ」を象徴するものとなりました。

ですが2つのスリットを設置する方法は他にも存在します。

同じ場所であっても異なるタイミングで素早く2回スリットを開閉できれば、空間ではなく時間的に接近した2本のスリット「時間的二重スリット」を作ることが可能になるのです。

（※既存の空間的二重スリットは空間的に近い場所にスリットが存在しますが、時間的スリットでは時間的に隔てられたタイミングでスリットが出現します）

なんだか無理矢理な話に聞こえますが、重要な意味があります。

Credit:An optical double-slit experiment in time

空間的スリットは空間的に隔てられた場所を通った光たちの相互作用を示しています。

ですがもし時間的に作られた隙間で、空間的スリットと同じように干渉波をうみだすことができた場合、先に通った光（過去）と後に通った光（未来）でも相互作用を起こしていることを証明できます。

そこで今回インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者たちは実際に時間的スリットに光をあてたときに何が起こるかを実証する方法を開発しました。

スリットを「10億分の1秒の間」だけ生成する特殊素材

Credit:An optical double-slit experiment in time

時間的スリット作成において最大の問題となっていたのは光の速さでした。

光の速度に見合うような極めて狭い間隔で開閉できる時間的スリットを作り出すことは至難の業です。

そこで研究者たちが着目したのは、携帯電話の画面などに使われているインジウム錫酸化物（ITO）でした。

インジウム錫酸化物（ITO）にはスイッチとなる光（ポンプパルス）に反応して透明状態から反射状態に変化することは以前から知られていましたが、研究者たちはこの変化が予想よりも遥かに早く、10フェトム秒（10億分の1秒）未満で起こることを発見しました。

この性質を利用すれば、一瞬だけ通行可能になる「時間的スリット」を作ることが可能になります。

準備が整うと研究者たちは2つの時間的スリット作成し、その隙に光を通過させて相互作用を観察しました。

なお実際には上の図のように、インジウム錫酸化物（ITO）の下に金の板を配置して反射した光のスペクトルを観測しています。

結果、時間的スリットを通り抜けた前後の光は相互作用を起こしており、周波数スペクトルに干渉パターンが発生していることが明らかになりました。

時間的スリットを先に通過した光と後から通過した光は時間的な差のせいで波の位相もズレを起こしており、相互作用を起こすと波の加算と相殺を起こして、周波数スペクトルに干渉パターンが発生したのです。

研究者たちは今回の研究成果を応用することで、光を空間と時間の両方を用いて操作することができれば、次世代の光通信や電子の代りに光を用いる光コンピューターの発展に役立つ可能性があると述べています。

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参考文献

Physicists demonstrate Young’s double-slit interference in time https://physicsworld.com/a/physicists-demonstrate-youngs-double-slit-interference-in-time/

元論文

Double-slit time diffraction at optical frequencies https://www.nature.com/articles/s41567-023-01993-w