Products Home量子爆弾検査(Bomb Tester)実習キット
- Designed for Education, Demonstration, and Classroom Use
- Easy-to-Use Kits Include Components Plus Free Educational Materials
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Figure 1.1 マイケルソン干渉計によって生成された干渉縞は観測用スクリーンで観測できます。
量子爆弾検査(Bomb Tester)実習キット
- 教育、実習、授業用に設計
- 電圧計を除くすべてのハードウェアが含まれるキット、詳細なマニュアルと教材付き
- 組立・使用方法が簡単
- キットはインチ規格またはミリ規格からお選びください
実験
- 光子がマイケルソン干渉計内で干渉パターンを生成
- 無相互作用量子測定の原理の観察
- 光子に経路情報の「目印」をつけることで干渉パターンの消滅
当社の量子爆弾検査実習キットは、「量子爆弾検査(Bomb Tester)」思考実験(1993年ElitzerとVaidmanによって発表1)の中で論じられている「無相互作用量子測定」の原理を実演するために類似の実験を用いています。 キットにはマイケルソン干渉計の組立部品、干渉縞を観察するための観測用スクリーン、ならびに干渉計透過後の光の強度の変化を計測するためのディテクタが入っています。
実験の中には電圧計が必要となるものもありますが、多くの研究室に装備されていることを想定し、このキットには含まれておりません。 電圧計をご入用の場合、当社ではデジタルマルチメータをご用意しております。詳細は、こちらをクリックしてください。
当社ではマイケルソン干渉計実習キットもご用意しております。詳細は「キットの比較」タブをご覧ください。
当社の教育用製品とキット
教育用製品シリーズでは、最先端の研究のみならず、多くの古典的な実験を網羅することにより、物理学、光学、フォトニクスを促進させることを目的としています。 いずれのキットにも必要な部品が全て含まれており、詳しいセットアップの手順だけでなく教育内容が盛り込まれた教材も含んだマニュアルが付属します。 これらのキットの価格は、構成部品の金額の総計となっており、付属の教材は無料でご提供しています。 ご不明な点は、当社までご相談ください。
注:これらキットは、ミリ規格の標準品で構成されています。マニュアルと教材は英語でご用意しております。
1A. Elitzur, L.Vaidman: Quantum mechanical interaction-free measurements, Foundations of Physics 23, 1993, p. 987-997
量子爆弾検査(Bomb Tester)実習キット
「量子爆弾検査(Bomb Tester)」思考実験は、(光子との相互作用により爆発する)爆弾を爆発させる前に検知する方法を提案することにより、無相互作用量子測定の原理を示します。 当社の量子爆弾検査実習キットには学生向けの実験方法の手引きならびに、教育現場で類推の実験を行うための部品と説明書が入っています。
Figure 2.1 量子爆弾検査思考実験の概略図
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Figure 2.2 当社の量子爆弾検査実習キットにはマイケルソン干渉計を組み立てる部品が全て入っています。 キット全体を示す写真の中で、干渉計の出力部にフォトディテクタが置かれています。フォトディテクタの電圧測定には、別途、電圧計かマルチメータをご用意ください。
量子爆弾検査(Bomb Tester)思考実験
標準的なマイケルソン干渉計内ではレーザ光源から出射された光線は、ビームスプリッタによって2本の光線に分岐します。 光はその後、それぞれ直交し、長さが異なる光路(アーム)を伝搬します。そしてその光路の先にあるミラーで反射してビームスプリッタに戻り、再び結合します。 光路差が光の波長の整数倍になるとき、再結合した光の波と波が強めあって、ビームスプリッタの向こうの観測用スクリーン上に明るい領域を生成します。 もし光路差が半波長の奇数倍だった場合、2つの光の波は弱めあいます。
干渉実験は、連続光ではなく単一光子を干渉計に入射することでも行うことができます。 量子力学によると、各光子は干渉計内でそれぞれの光路に存在することに相当する2つの異なった状態になります。 観測される干渉パターンは、2つの状態にある光子の波動関数が重なったことで生成されます。 よってシステムに入射された光子は、2つの波動関数が相殺的に干渉しあってない時のみ観測用スクリーンに到達します。到達場所は、標準的な実験で光子を連続して透過したときに観測される明るい輪の1つです。 この実験を何度も繰り返してスクリーン上の個々の光子の位置を記録すると、干渉縞は再現されます。
さ て、光子経路に目印をつけたらどうなるでしょう？ Heisenbergの不確定性原理では、量子力学において、特定のペアの情報は同時に知ることはできないとされています。 たとえば、粒子の位置が正確に分かれば分かるほど、その運動量の確定の精度が下がるということです。 干渉計内で光路に「目印」をつけると光子の位置はわかりますが、それによって波動関数の重なりがなくなり、干渉パターンも消滅します。
量子爆弾検査の思考実験では、この原理を利用して光子と相互作用することなく、物体の存在を検知する方法を実験します。 まず光子を吸収することによって爆発する爆弾がいくつかあるとします。 爆弾の中には作動するものと作動しない不発弾があります。 作動する爆弾と不発弾は光と相互に作用しなければ区別することができません。 しかし、量子力学の「光路」を利用することにより、作動する爆弾を爆発させなくても区別することができるのです。
測定のため、マイケルソン干渉計は生成される干渉パターンの中央が暗い領域になるようアライメントされ、この暗い領域の中央にはスクリーンではなく、ディテクタの入射部分がアライメントされています。 干渉計の1つの光路に爆弾を配置し、単一光子をシステムに入射します。 もし爆弾が不発弾なら、光子と相互に作用しません。 よって干渉計のそれぞれの光路の波動関数が干渉しあうので光子がディテクタの表面に当たることはありません。 もし爆弾が作動する爆弾であれば、光子と相互に作用します。 これによって爆弾のある光路に「目印」がつき、波動関数の重なりはなくなります。 光子は爆弾またはディテクタのどちらかに検出されます。 光子が爆弾と相互に作用した場合には、爆弾は爆発します。 光子がディテクタに到達すれば、干渉計内の爆弾がない光路で波動関数が消滅したことが分かります。爆弾が光子を検知しなかったということは、光子がもう 一方の光路を移動したことを意味するからです。 このように、作動可能な爆弾を爆発させなくても区別することができる可能性が生じます。
類推実験
当社の「量子爆弾検査」類推実験はマイケルソン干渉計を使用します。 キットには、干渉計のセットアップを組み立てる全ての部品と観測用スクリーンならびにフォトディテクタが入っています。 この類推実験では、単一光子光源ではなく、グリーンレーザ光源が用いられています。
干渉計は、干渉パターンの中央に暗い領域が出来るよう設定がされており、その中央にディテクタを置きます。 「不発弾」は干渉計内のどちらの光路にも物体を配置しないことによって再現し、お手持ちの電圧計かマルチメータ(デジタルマルチメータDVM1など)を使用して、ディテクタの電圧の読み出しを記録します。 次に、干渉計内の1つの光路をブロックすることにより作動する爆弾をシミュレーションして電圧を記録します。「不発弾」と作動する爆弾の図は、マニュアルにも掲載されています。 思考実験で述べたように1つの光路に物体を置くことによって干渉パターンが消滅するのでディテクタに入射される光量は増加します。 干渉計内の1つの光路がブロックされた時の光量の割合は、作動する爆弾をシステムに配置した際の光子の検知の確率を示します。
| Table 3.1 Included Components | ||
|---|---|---|
| Item # | Description | Qty. |
| CPS532-C2 | Green Laser Module | 1 |
| DS5 | 5 VDC Power Supply with USB Type-A Port | 1 |
| CPSA | USB 2.0 to 2.5 mm Phono Cable | 1 |
| VC1 (VC1/M) | Small V-Clamp | 1 |
| LB1901 | Ø1" Bi-Convex Lens, 75 mm Focal Length | 1 |
| LMR1 (LMR1/M) | Ø1" Fixed Lens Mount | 2 |
| SM1RR | SM1 Retaining Ring | 1 |
| EBS1 | Ø1" 50:50 Beamsplitter | 1 |
| ME1-G01 | Ø1" Protected Aluminum Mirror | 2 |
| KM100 | Ø1" Adjustable Mirror Mount | 2 |
| EDU-VS1 (EDU-VS1/M) | Viewing Screen | 1 |
| SM05D5 | Internally SM05-Threaded Lever Actuated Iris Diaphragm | 1 |
| SM05M10 | 1" Long SM05 Lens Tube | 1 |
| SM05PD1A | Silicon Photodiode, 350 - 1100 nm (Inside Lens Tube) | 1 |
| SM05RC (SM05RC/M) | Ø1/2" Slim Slip Ring | 1 |
| CA2812 | 12" Long Coaxial Cable | 1 |
| T3285 | BNC T-Adapter | 1 |
| FT104 | 100 k? Fixed BNC Terminator | 1 |
| T1452 | BNC Female to Binding Post | 1 |
| TR2 (TR50/M) | Ø1/2" (Ø12.7 mm) Mounting Post, 2" (50 mm) Long | 6 |
| PH2 (PH50/M) | Ø1/2" (Ø12.7 mm) Postholder, 2" (50 mm) Long | 6 |
| TR075 (TR20/M) | Ø1/2" (Ø12.7 mm) Mounting Post, 3/4" (20 mm) Long | 1 |
| PH1 (PH20/M) | Ø1/2" (Ø12.7 mm) Postholder, 1" (20 mm) Long | 1 |
| BA1 (BA1/M) | Mounting Base, 1" x 3" x 3/8" (25 mm x 58 mm x 10 mm) | 5 |
| BA2 (BA2/M) | Mounting Base, 2" x 3" x 3/8" (50 mm x 75 mm x 10 mm) | 2 |
| MB12 (MB3030/M) | Aluminum Breadboard, 12" x 12" (30 cm x 30 cm) | 1 |
| RDF1 | Rubber Breadboard Feet | 4 |
Bomb Testerキット構成部品
マウスを使って、写真の部品にポインタを持っていくと、Table 3.1該当箇所に色がつきます。
Bomb Tester実習キットは、簡単にセットアップができ、明確で信頼性の高い結果が得られるように注意深く設計されています。このキットには当社の標準品のコンポーネントが多数含まれており、その他のコンポーネントをご購入いただくことで実験の範囲を広げることができます。観測用スクリーンではなく、付属のフォトディテクタを用いて実験を行う場合は、電圧計または当社のDVM1のようなマルチメータを別途ご用意いただく必要があります。また、キット付属品の光学マウントLMR1/Mに光学素子を取り付ける際の工具として、当社のスパナレンチSPW606を別途ご用意いただくことをお勧めいたします。
注: マニュアルと教材は英語でご用意しております。ご不明な点は、当社までお問い合わせください。
インチ規格キット: ハードウェアとネジが付属
| Item # | Description | Qty. |
|---|---|---|
| BD-3/16L | 1/4"-20 Ball Driver | 1 |
| - | 5/64" Hex Key | 1 |
| - | 3/32" Hex Key | 1 |
| - | 1/8" Hex Key | 1 |
| SH25S075a | 1/4"-20 x 3/4" Long Cap Screw | 4 |
| SH25S038a | 1/4"-20 x 3/8" Long Cap Screw | 1 |
| - | 1/4"-20 x 1/2" Long Cap Screw | 6 |
| SH25S063a | 1/4"-20 x 5/8" Long Cap Screw | 12 |
| - | 1/4"-20 Nut | 4 |
| W25S050b | 1/4" Washer | 12 |
ミリ規格キット: ハードウェアとネジが付属
| Item # | Description | Qty. |
|---|---|---|
| BD-5ML | M6 Ball Driver | 1 |
| - | 2 mm Hex Key | 1 |
| - | 3 mm Hex Key | 1 |
| SH6MS20a | M6 x 20 mm Long Cap Screw | 4 |
| SH6MS10a | M6 x 10 mm Long Cap Screw | 1 |
| SH6MS12a | M6 x 12 mm Long Cap Screw | 6 |
| SH6MS16a | M6 x 16 mm Long Cap Screw | 12 |
| - | M6 x 1.0 Nut | 4 |
| - | M6 Washer | 12 |
干渉計デモキットの比較
当社では干渉計セットアップを利用したデモキットを3種類ご用意しております。それぞれ異なる用途向けに設計されており、キットのマニュアルで説明されている実験に対応するアクセサリが付属しています。干渉計キットEDU-MINT2/Mは、マイケルソン干渉計の実験用途を探究するために設計されており、EDU-BT1/MそしてEDU-QE1/Mは量子力学の概念の検証用に設計されています。EDU-MINT2/Mについては実験の性質によりセットアップを触る機会もあるため、ダンパ付きブレッドボードで振動を最小限に抑えます。これにより、特に波長測定や白色干渉実習などより高度な実験にも対応可能となっております。ほかの2種類のデモキットがより軽量のアルミニウム製ブレッドボードを使用しているのは、触る機会も少なく振動もさほど問題にならないためです。用途にあったキットをお選びいただけるよう、Table 4.1では各キットの主要な特長と教育目的の概要をご紹介しています。
| Table 4.1 Kit Comparison | |||
|---|---|---|---|
| Interferometer Type | Michelson | Mach-Zehnder | |
| Kit Item # | EDU-MINT2(/M) | EDU-BT1(/M) | EDU-QE1(/M) |
| Description | Michelson Interferometer Demonstration Kit | "Bomb Tester" Demonstration Kit | Quantum Eraser Demonstration Kit |
| Kit Photo (Click to Enlarge) |  |  |  |
| Underlying Concept | Use a Michelson Interferometer as a Sensitive Instrument for Measuring Physical Properties | Explore the "Bomb Tester" Thought Experiment with an Analogy Demonstration | Explore the Dual Particle/Wave Nature of Light with an Analogy Demonstration |
| Light Sources | Laser (Class 2), Red LED, White LED | Laser (Class 2) | Laser (Class 2) |
| Breadboard | Steel Breadboard, 12" x 18" (30 cm x 45 cm) with Intrinsic Damping to Decrease the Effect of Vibrations | Aluminum Breadboard, 12" x 12" (30 cm x 30 cm) | Aluminum Breadboard, 18" x 24" (45 cm x 60 cm) |
| Other Accessories | Additional Beamsplitter to Observe Second Interferometer Output Plexiglas® Plates and Rotation Mount for Refractive Index Measurements Aluminum Rod, Heater, and Thermometer for Thermal Expansion Coefficient Measurement | Detector for Measuring the Probability of Different States in the Analogy Experiment | Polarizers to Observe the Effect of Polarization on the Interference Pattern |
| Educational Aspects |
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変換キット
EDU-MINT2/MをEDU-BT1/Mのように機能するようにするために必要な部品は、フォトディテクタと取付け用部品のみです。必要な部品については下記のリンク先をご覧ください。
We cordially thank Antje Bergmann and Pascal Kuhn (Karlsruhe Institute of Technology) for their prototype of a bomb tester setup.
Do you have ideas for an experiment that you would like to see implemented in an educational kit? Contact us at techsupport@thorlabs.com; we'd love to hear from you.
レーザの安全性とクラス分類
レーザを取り扱う際には、安全に関わる器具や装置を適切に取扱い、使用することが重要です。ヒトの目は損傷しやすく、レーザ光のパワーレベルが非常に低い場合でも障害を引き起こします。当社では豊富な種類の安全に関わるアクセサリをご提供しており、そのような事故や負傷のリスクの低減にお使いいただけます。可視域から近赤外域のスペクトルでのレーザ発光がヒトの網膜に損傷を与えうるリスクは極めて高くなります。これはその帯域の光が目の角膜やレンズを透過し、レンズがレーザーエネルギを、網膜上に集束してしまうことがあるためです。
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安全な作業および安全に関わるアクセサリ
- クラス3または4のレーザを取り扱う場合は、必ずレーザ用保護メガネを装着してください。
- 当社では、レーザのクラスにかかわらず、安全上無視できないパワーレベルのレーザ光線を取り扱う場合は、ネジ回しなどの金属製の器具が偶然に光の方向を変えて再び目に入ってしまうこともあるので、レーザ用保護メガネを必ずご使用いただくようにお勧めしております。
- 特定の波長に対応するように設計されたレーザ保護眼鏡は、装着者を想定外のレーザ反射から保護するために、レーザ装置付近では常に装着してください。
- レーザ保護眼鏡には、保護機能が有効な波長範囲およびその帯域での最小光学濃度が刻印されています。
- レーザ保護カーテンやレーザー安全保護用布は実験室内での高エネルギーレーザの遮光にご使用いただけます。
- 遮光用マテリアルは、直接光と反射光の両方を実験装置の領域に封じ込めて外に逃しません。
- 当社の筺体システムは、その内部に光学セットアップを収納し、レーザ光を封じ込めて危険性を最小限に抑えます。
- ピグテール付き半導体レーザは、他のファイバに接続、もしくは他のファイバとの接続を外す際には、レーザ出力をOFFにしてください。パワーレベルが10 mW以上の場合には特にご注意ください。
- いかなるビーム光も、テーブルの範囲で終端させる必要があります。また、レーザ使用中には、研究室の扉は必ず閉じていなければなりません。
- レーザ光の高さは、目線の高さに設定しないでください。
- 実験は光学テーブル上で、全てのレーザービームが水平を保って直進するように設定してください。
- ビーム光路の近くで作業する人は、光を反射する不要な装飾品やアクセサリ(指輪、時計など)をはずしてください。
- レンズや他の光学装置が、入射光の一部を、前面や背面で反射する場合がありますのでご注意ください。
- あらゆる作業において、レーザは必要最小限のパワーで動作するようにご留意ください。
- アライメントは、可能な限りレーザの出力パワーを低減して作業を行ってください。
- ビームパワーを抑えるためにビームシャッタや フィルタをお使いください。
- レーザのセットアップの近くや実験室には、適切なレーザ標識やラベルを掲示してください。
- クラス3Rやクラス4のレーザ(安全確保用のインターロックが必要となるレーザーレベルの場合)で作業する場合は、警告灯をご用意ください。
- ビームトラップの代用品としてレーザービュワーカードを使用したりしないでください。
レーザ製品のクラス分け
レーザ製品は、目などの損傷を引き起こす可能性に基づいてクラス分けされています。国際電気標準会議(The International Electrotechnical Commission 「IEC」)は、電気、電子工学技術関連分野の国際規格の策定および普及を行う国際機関で、IEC60825-1は、レーザ製品の安全性を規定するIEC規格です。レーザ製品のクラス分けは下記の通りです
| Class | Description | Warning Label |
|---|---|---|
| 1 | ビーム内観察用の光学機器の使用を含む、通常の条件下での使用において、安全とみなされているクラス。このクラスのレーザ製品は、通常の使用範囲内では、人体被害を及ぼすエネルギーレベルのレーザを発光することがないので、最大許容露光量(MPE)を超えることはありません。このクラス1のレーザ製品には、筐体等を開かない限り、作業者がレーザに露光することがないような、完全に囲われた高出力レーザも含まれます。 |  |
| 1M | クラス1Mのレーザは、安全であるが、望遠鏡や顕微鏡と併用した場合は危険な製品になり得ます。この分類に入る製品からのレーザ光は、直径の大きな光や拡散光を発光し、ビーム径を小さくするために光を集束する光学素子やイメージング用の光学素子を使わない限り、通常はMPEを超えることはありません。しかし、光を再び集光した場合は被害が増大する可能性があるので、このクラスの製品であっても、別の分類となる場合があります。 |  |
| 2 | クラス2のレーザ製品は、その出力が最大1 mWの可視域での連続放射光に限定されます。瞬目反射によって露光が0.25秒までに制限されるので、安全と判断されるクラスです。このクラスの光は、可視域(400～700 nm)に限定されます。 |  |
| 2M | このクラスのレーザ製品のビーム光は、瞬目反射があるので、光学機器を通して見ない限り安全であると分類されています。このクラスは、レーザ光の半径が大きい場合や拡散光にも適用されます。 |  |
| 3R | クラス3Rのレーザ製品は、直接および鏡面反射の観察条件下で危険な可視光および不可視光を発生します。特にレンズ等の光学機器を使用しているときにビームを直接見ると、目が損傷を受ける可能性があります。ビーム内観察が行われなければ、このクラスのレーザ製品は安全とみなされます。このクラスでは、MPE値を超える場合がありますが、被害のリスクレベルが低いクラスです。可視域の連続光のレーザの出力パワーは、このレベルでは5 mWまでとされています。 |  |
| 3B | クラス3Bのレーザは、直接ビームを見た場合に危険なクラスです。拡散反射は通常は有害になることはありませんが、高出力のクラス3Bレーザを使用した場合、有害となる場合もあります。このクラスで装置を安全に操作するには、ビームを直接見る可能性のあるときにレーザ保護眼鏡を装着してください。このクラスのレーザ機器にはキースイッチと安全保護装置を設け、さらにレーザ安全表示を使用し、安全照明がONにならない限りレーザがONにならないようにすることが求められます。Class 3Bの上限に近いパワーを出力するレーザ製品は、やけどを引き起こすおそれもあります。 |  |
| 4 | このクラスのレーザは、皮膚と目の両方に損傷を与える場合があり、これは拡散反射光でも起こりうるとみなされています。このような被害は、ビームが間接的に当たった場合や非鏡面反射でも起こることがあり、艶消し面での反射でも発生することがあります。このレベルのレーザ機器は細心の注意を持って扱われる必要があります。さらに、可燃性の材質を発火させることもあるので、火災のリスクもあるレーザであるとみなされています。クラス4のレーザには、キースイッチと安全保護装置が必要です。 |  |
| 全てのクラス2以上のレーザ機器には、上記が規定する標識以外に、この三角の警告標識が表示されていなければいけません。 |  | |
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量子爆弾検査(Bomb Tester)実習キット