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いまだ謎の「二重スリット実験」を説明？　見えなくても“暗い状態の光子”が存在する新理論　海外チームが発表

　ブラジルのサンカルロス連邦大学などに所属する研究者らが発表した論文「Bright and Dark States of Light: The Quantum Origin of Classical Interference」は、光の波と粒子という2面性に新たな視点を示す研究報告だ。

　光は波なのか粒子なのか。この問いは物理学の長い歴史の中で繰り返し議論されてきた。古代ギリシャの時代から始まり、17世紀にはニュートンが光は粒子だと主張し、対してホイヘンスは波だと主張した。

　19世紀にヤングの二重スリット実験やマクスウェルの電磁波理論によって波としての性質が確立されたかに見えたが、20世紀初頭にアインシュタインが光電効果を説明するために光量子（光子）の概念を導入し、再び粒子性に注目が集まった。現代の量子力学では、光は状況に応じて波としても粒子としても振る舞うと考えられている。

　この研究は、この2面性の謎に新たな視点から挑んでいる。従来、光の干渉は波動性の証拠とされてきた。しかし、この研究では干渉現象を粒子的な観点からも説明できることを示している。

　研究のカギとなるのは「明るい状態」（Maximally Superradiant States、MSS）と「暗い状態」（Perfectly Dark States、PDS）という光の集団的な状態だ。光が物質（検出器など）と相互作用するとき、光子は2つの異なる状態をとりうる。「明るい状態」は物質と強く相互作用する状態であり、「暗い状態」は物質と全く相互作用しない状態だ。

　古典的な光の干渉では、2つの光波が重なり合うとき、波の山と山が合わさる場所（位相が一致する場所）では光の強度が増幅され、明るく見える。これを建設的干渉という。一方、山と谷が打ち消し合う場所（位相が逆の場所）では光の強度がゼロになり、暗く見える。これを破壊的干渉という。

　従来の解釈では、破壊的干渉が起きる場所には光がないと考えられてきた。しかし、この研究によれば、そのような場所にも実は光子は存在しており、ただそれらの光子が「暗い状態」という特別な集団的状態にあるため、検出器と相互作用できず、見えないだけという。同様に、建設的干渉が起きる場所では、光子が「明るい状態」にあるため、通常よりも強く検出器と相互作用し、より明るく見えるという。

新理論は“二重スリット実験”を新たな視点で説明

　この理論は二重スリット実験における謎も説明する。二重スリット実験とは、量子力学の基本的な実験であり、粒子と波動の二重性を示すものだ。

　この実験では、光や電子などの粒子を放出する光源と、2つの細い平行なスリットが開いた障壁、その向こう側にある検出スクリーンを配置する。障壁に光を当てると、2つのスリットを通過して検出スクリーンに明暗の縞模様が現れる。これは通常、光の波がスリットを通り抜け、スクリーンで互いに出会うためだと説明される。

　不思議なのが、光を1粒ずつ発射して障壁に当てても、同様に検出スクリーンに明暗の縞模様が現れる点である。これは粒子が波のように振る舞い、両方のスリットを同時に通過したかのような結果を示している。

　新理論では、明暗の縞模様における光子はスクリーン上の位置によって「明るい状態」または「暗い状態」として説明される。明るい状態の光子は検出器と相互作用して見えるが、暗い状態の光子は検出器と相互作用できないため見えないという説明だ。単一光子（粒子）でも多数の光子（波）でも、同じ位置では同じ状態になるため、同一のパターンが現れるのだ。

　二重スリット実験のもう一つの謎に「光子がどちらのスリットを通ったかを観測すると、なぜ縞模様が消えるのか」という問題がある。これは、どちらのスリットを粒子が通過したかを観測するための装置を実行すると縞模様が消失するという現象。この不思議な現象を、従来は「観測という行為が光子を乱すから」と説明されてきた。

　しかし新理論では違う説明をする。暗い状態の光子は「両方のスリットを同時に通った」という特殊な量子状態にあり、どちらのスリットを通ったかを観測すると、この特殊な状態が壊れてしまう。すると本来は見えないはずの暗い領域でも光子が見える。

　つまり、どちらのスリットを光が通ったかを観測すると干渉縞が消えるのは、観測行為が光子を物理的に乱すからではなく、観測によって「暗い状態」という特殊な量子状態が壊れ、本来見えないはずの場所でも光子が検出可能になるためである。

　この研究は、光の波と粒子という一見矛盾する性質を、量子力学的な「明るい状態」と「暗い状態」という概念で統一的に理解する道を開いている。

　応用面では、「明るい状態」を利用した高輝度光源の開発や、「暗い状態」を利用した外部からの干渉に強い量子メモリや量子コンピュータの開発などが考えられるという。

Source and Image Credits: Celso J. Villas-Boas, Carlos E. Maximo, Paulo J. Paulino, Romain P. Bachelard, Gerhard Rempe. Bright and Dark States of Light: The Quantum Origin of Classical Interference. Phys. Rev. Lett. 134, 133603 - Published 3 April, 2025 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.133603

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2019年にスタートした本連載「Innovative Tech」は、世界中の幅広い分野から最先端の研究論文を独自視点で厳選、解説している。執筆は研究論文メディア「Seamless」（シームレス）を主宰し、日課として数多くの論文に目を通す山下氏が担当。イラストや漫画は、同メディア所属のアーティスト・おね氏が手掛けている。

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