量子重ね合わせ, 量子もつれとは

前提知識
・電子スピン

■量子重ね合わせとは

量子重ね合わせとは、1つの量子が同時に複数の可能性を持って存在している状態を指します。 例えば電子スピンであれば、観測するまでは「アップスピン」と「ダウンスピン」のどちらにもなり得る性質を保持しており、実際に測定した瞬間に初めて結果が確定します。 その結果が出る確率は、波動関数と呼ばれる数式で表されます。

■量子もつれとは

量子もつれとは、2つ以上の量子が互いに強く結びついた相関を持つ現象のことです。このとき、一方の量子を観測すると、その結果に応じてもう一方の量子の状態も瞬時に定まります。 例えば電子スピンが対になっている場合、片方を測って「アップスピン」の状態であれば、他方は必ず「ダウンスピン」の状態になります。

＜量子が対になっている状態とは＞
同じ物理過程によって同時に生成された2つの粒子を「対になっている状態」にあると定義されます。 例えば実験では、自発的パラメトリック下方変換 (SPDC)によって1つの光子が非線形結晶内で2つの光子に変換されることがあります。 このとき、生成された2つの光子は結晶内でエネルギー保存則および運動量保存則を同時に満たすように生成されるため、両者は対になった状態(ペア状態)にあると言えます。

・自発的パラメトリック下方変換とは
自発的パラメトリック下方変換（SPDC: Spontaneous Parametric Down-Conversion）とは、非線形光学効果のひとつであり、高エネルギーの光子をKDP（リン酸二水素カリウム）などの非線形結晶に入射すると、非常に低い確率で1個の光子が2個の光子に分かれる現象を指します。 この過程では、エネルギー保存則と運動量保存則が成り立ちます。ここで、ポンプ光は入射する強いレーザー、シグナル光は生成された1つ目の光子、アイドラー光はもう1つの光子を意味します

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