私たちの身の回りで観察される世界の様子は、古典物理学によって説明することができる。しかし、原子スケールになるとそれは通用せず、量子力学に頼ることになる。

光も同様で、電波から太陽光に至るまで、主に古典物理学で説明することができる。ところが、マイクロスケールやナノスケールでは、量子ゆらぎと呼ばれるものが働き始め、古典物理学では説明できなくなるのだ。

現在、ハーバード大学に籍を置くAndrea Pizzi博士は、テクニオン＝イスラエル工科大学のIdo Kaminer氏のグループ、マサチューセッツ工科大学およびウィーン大学の同僚と共同で、強駆動多体系の量子光学理論を構築し、この制約を克服した。これにより、発光体間の相関が存在することで、非古典的な多光子状態の発光が生じることを示した。

つまり、X線のような高い周波数まで制御可能な新しい光の状態を記述する理論を構築したのである。この理論は、高エネルギーの「量子光」を発生させる新しい仕組みを示している。この量子光は、原子の内部を覗き込んで、光子の持つ奇妙な力を、この微小な量子スケールで制御できるようになるかも知れない。

この量子光は、現時点ではまだ理論的なものだが、科学者たちは、既存の装置で近いうちに実験的に実証され、顕微鏡や量子計算の分野で新しい技術につながる可能性があると信じている。また、この技術は、アト秒（10億分の1秒）という極めて短い時間スケールで起こる相互作用を扱う「アトサイエンス」などの分野での発見を促し、物質物理学における長年の謎を解く可能性があると言う。

「光の量子力学的法則は、古典的理論では説明できない光の多くの新しい挙動につながります。我々は、それらの特性を示す光を『光の量子状態』と呼んでいます。特に魅力的なのは、『多光子量子状態』で、これは、簡単に言えば、超精密測定、通信システム、量子計算のための進歩を可能にすると考えられている、多くの光子で構成されているユニークな量子特性を持つ光の状態でもあります。」と、この研究を共同執筆したハーバード大学のジュニアフェロー、Nicholas Rivera氏は、Motherboardへの電子メールで語っている。

Pizzi博士は、「量子ゆらぎは、量子光の研究を難しくしていますが、同時に、量子ゆらぎを正しく設計すれば、資源となり得るという面白さもあります。量子光の状態を制御することで、新しい顕微鏡技術や量子計算技術が可能になるかもしれません。」と、プレスリリースで語ってる。

通常、光を発生させるためには、強力なレーザーが使われる。十分な強さのレーザーを発光体群に照射すると、発光体の電子の一部を引き離し、それらを活性化させることができる。この電子の一部は、やがて引き離されたエミッターと再会し、余分なエネルギーを吸収して光に変換される。このようなメカニズムで、低周波の入力光は高周波の出力光に変換されるのである。

Pizzi教授は、「これまでは、すべての発光体が互いに独立していることが前提であり、その結果、量子ゆらぎがほとんど見られない光が出力されていました。ある粒子の状態が、別の粒子の状態について何かを教えてくれるような、エミッタが独立ではなく、相関のある系を研究したかったのです。この場合、出力光は非常に異なった振る舞いをするようになり、その量子ゆらぎは高度に構造化され、より有用になる可能性があります。」と、語る。

この多体系問題を解決するために、科学者たちは、理論解析とコンピューターシミュレーションを組み合わせた研究を行った。そこでは、相関をもつエミッター群からの出力光を、量子物理学で記述することができた。

その理論によると、強力なレーザーを用いた相関エミッターは、調節された量子光を発生させることができる。この技術は高エネルギーの出力光を持ち、X線の量子光学構造を修正するために利用できるかも知れない。

Pizzi教授は、「出力光と入力相関の関係をたった1つのコンパクトな方程式で記述できるようになるまで、何カ月もかけて方程式をどんどんきれいにしました。物理学者として、これは美しいことだと思います。今後は、実験家の方々と協力して、私たちの予測の検証を行いたいと考えています。理論面では、私たちの研究は、量子光を生成するための資源として多体系を示唆しています。この概念は、この研究で検討したセットアップ以外にも、より広く調査したいと考えています。」

論文

• Nature Physics: Light emission from strongly driven many-body systems

参考文献

• University of Cambridge: Researchers devise a new path toward ‘quantum light’
• via Vice: Scientists Want to Create New ‘Quantum Light’ With Mind-Bending Powers

研究の要旨

強駆動エミッターは、X線領域までの広いスペクトル領域で魅力的な光源を提供する。しかし、これらの系が発する光のほとんどは古典的なものであるという制約がある。我々は、この制約を克服するために、強駆動多体系の量子光学理論を構築し、エミッター間の相関の存在によって、非古典的な多光子状態の光が放出されることを示す。強駆動系が駆動周波数の整数倍の光子を放出する高次高調波発生を例として考察する。従来の無相関な発光体の場合、高調波はほぼ完全にマルチモードのコヒーレントな状態であり、高調波同士の相関はない。これに対して、強駆動前のエミッタの相関は、出力光に二重にピークした光子統計、リング状のWigner関数、高調波間の相関など、非古典的な特徴に変換される。我々は、これらの概念を実現するためのスキームを提案し、エミッター間の相互作用や背景の電磁場との共同作用によってエミッタ間の相関を作り出す。また、アト秒の時間分解能で多体系における相関を評価するためのツールとして、高次高調波発生を提案する。