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アイデアを武器に量子の世界の本質へ迫る 湯浅一哉 准教授 (2008年2月当時)

  • 湯浅 一哉(Kazuya Yuasa)准教授(2008年2月当時)

極小の世界で起こること

私たちが肉眼で見ることのできない、電子や光子といった粒子が飛び交う小さな小さな世界。そこでは、一体どんなことが起こっているのでしょうか。私は「量子力学」でこの極小の世界の現象を解き明かし、そのことを通じて量子力学そのものの理解を深めるべく研究をしています。
たとえば電子は、みなさんが高校で習ったニュートン力学では太刀打ちできません。ここで力を発揮するのが量子力学。量子とは、物理的最小単位という意味では粒子ですが、同時に波としての性質をも併せ持つ不思議な存在です。量子がどのようにふるまうのか、それを明らかにするのが量子力学なのです。

量子の世界の「観測」の不思議

ミクロの世界では、いろいろな面白いことが起こります。その1つに、「観測」があります。私たちの身の回りの世界では、例えばピッチャーの投げたボールのスピードを測定すると、そのボールがどこにいるか分からなくなってしまうなんてことはありえないでしょう。しかしミクロの世界では、測定対象の状態に影響を及ぼすことなくそれを測定することが原理的に不可能なのです。
測定方法がお粗末だからではありません。量子力学の「不確定性原理」の帰結として避けられない事実なのです。そうした、一見、悲観的な印象を与えかねない事実も、有効利用できると面白いと思いませんか?そんな研究をしています。
たとえば、高いエネルギー状態にあって不安定な原子を考えてみましょう。エネルギーの高い原子はエネルギーを放出し、よりエネルギーの低い状態へと移っていきます。そんな不安定な原子の状態を頻繁に観測すると、その観測の影響で、不安定な状態に居続ける時間が長くなる、つまり安定化するということが起こるのです。この現象は、哲学者ゼノンのパラドックスになぞらえて「量子ゼノン効果」とよばれています。
現在、量子コンピューターの実現に向けて世界中の研究者が精力的に研究を進めています。その実現を阻む大きな障壁の1つは、量子の世界の特性が外界の影響で壊れてしまうことです。ひょっとすると、その崩壊を量子ゼノン効果で抑えることができるかもしれません。

湯浅先生_図

くり返し観測による量子状態制御の設定。Xに観測を繰り返すことで、Aに“純粋な”量子状態を作りだす(左)。AとBのエンタングル状態を作り出すこともできる(右)。(提供/湯浅一哉准教授)

量子特有の状態を作り出す

また、私たちは観測の影響を有効活用することで量子系を制御し、必要とされる量子状態を準備する方法を考えました。たとえば、たがいに作用を及ぼし合う2つの粒子を考えます。このとき、片方の粒子だけを何度も観測することで、もう一方の粒子が量子的に“きれいな”状態に導かれるのです。
量子コンピューターを実現するためには、私たちの身の回りにはない、極めて量子的な状態を準備しなければなりません。なかでも、古典力学では決して説明がつかず、アインシュタインもなかなか受け入れることができなかった「非局所性」は量子性の真骨頂で、これが重要な役割を果たすと考えられています。そうした状態をどうやって実現するかが重要な研究課題となっています。私たちが見つけた“きれいな”量子状態を作るメカニズムが役に立てばと思っています。

アイデアで勝負

必ずしも複雑で難しい計算をしなくても、小気味よいアイデア1つで勝負できる。そこに研究の醍醐味があります。ちょっとしたことなのに今まで誰も気がついていないこと。それが何かの役に立って、量子という神秘に満ちた世界の本質に迫ることができる。そんな研究をしたいものです。さらにいえば、研究者の顔が見えるようなものが面白いのではないでしょうか。
量子力学をはじめ理論物理学は、お堅いイメージでなかなかとっつきにくい印象をお持ちかもしれません。しかし、全くそんなことはありません。随所に遊び心がちりばめられていますよ。ときにはそんな視点で科学の世界をのぞいてみるのもいいのではないでしょうか。

取材・構成:吉戸智明/田中 亮
協力:早稲田大学大学院政治学研究科MAJESTy

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