光・量子

光や電子は、ある時は粒のように、ある時は波のようにふるまいます。このふしぎな性質を説明するのが量子力学で、半導体やレーザー、LED など、いまの電子機器の多くを支えています。

1989 年、日立製作所の外村彰さんらは、電子を 1 個ずつ飛ばし、細い電極の両側を通らせる実験を行いました。電子は画面に 1 個ずつ、点として届きます。ところが 20 分ほど続けると、点が積み重なって、波が重なったときにだけできる縞模様(干渉縞)が現れました。

電子は 1 秒に 10 個ほどしか飛ばしていないので、装置の中にはいつも 1 個しかありません。それでも縞ができるのは、1 個の電子が波として両側を同時に通り、重なり合ったと考えるしかないのです。

ふつうのコンピュータは、0 か 1 のどちらかを表すビットで計算します。量子コンピュータの量子ビットは、0 と 1 を重ね合わせた状態をとれます。この性質と、離れた粒どうしが結びつく「量子もつれ」を使い、特定の問題をとても速く解けると期待されています。

1999 年、NEC にいた中村泰信さんらは、超伝導の回路で量子の重ね合わせを制御することに、固体の素子として世界で初めて成功しました。2 年後、理化学研究所でこの研究のチームが生まれます。その母体のグループを率いたのは、二重スリットの実験の外村彰さんでした。

理化学研究所は 2023 年 3 月、国産初号機となる 64 量子ビットの超伝導量子コンピュータを公開しました。2025 年 4 月には、富士通と 256 量子ビットの機械を発表しています。超伝導の量子ビットは熱に弱いため、希釈冷凍機で約マイナス 273.13℃まで冷やして動かします。2025 年のノーベル物理学賞は、超伝導の回路で量子の性質が現れることを 1984〜85 年の実験で示した 3 人に贈られています。

多くの大学では、2・3 年で量子力学を学び、そのあと量子光学、原子物理学、量子情報などの専門の授業に進みます。実験の授業では、レーザーやレンズ、鏡を光学台に並べ、光の干渉を自分の手で確かめます。科目の名前は大学によって異なります。

研究室のテーマは幅広くあります。原子をレーザーで冷やして止める実験、光の粒を数える実験、量子ビットを動かす実験、新しい計算方法を考える理論などです。

光と量子の技術は、カメラやセンサー、光通信、医療機器、半導体の製造装置などの産業を支えています。量子コンピュータの開発には、物理を学んだ人だけでなく、プログラムを書く人や回路を設計する人も加わっています。