2025年ノーベル物理学賞：ミクロからマクロまでの量子力学

量子力学の発見からちょうど100年後、2025年のノーベル物理学賞は、奇妙な量子効果が大規模に起こり得ることを実証し、量子技術の新しい時代を開いた3人のアメリカ人科学者に贈られました。

スウェーデン王立科学アカデミーは10月7日、スウェーデンのストックホルムで記者会見を開き、ジョン・クラーク、ミシェル・H・デヴォレット、ジョン・M・マルティニスの3名を今年のノーベル物理学賞受賞者に発表した。写真：ロイター

1925 年、物理学者のハイゼンベルク、シュレーディンガー、ディラックが量子力学を発見しました。これは世界を変えることになる奇妙な発見でした。

ちょうど100年後、2025年のノーベル物理学賞は、奇妙な微視的量子効果である量子トンネル効果を巨視的世界にもたらし、多くの画期的な応用を開拓した3人のアメリカ人物理学者に授与されました。

何世紀も前から存在する量子力学が、今もなお新たな驚きをもたらし続けていることを祝福できるのは素晴らしいことです。また、量子力学はあらゆるデジタル技術の基盤であるため、非常に有用でもあります。

オレ・エリクソン（ノーベル物理学賞委員会委員長、講演）

トンネル効果の画期的な発見

ノーベル委員会の発表によると、ジョン・クラーク、ミシェル・H・デヴォレ、ジョン・M・マルティニスの3人のアメリカ人物理学者が、「電気回路における巨視的量子トンネル効果とエネルギー量子化の発見」により2025年のノーベル物理学賞を受賞した。

今年の賞は、1984年と1985年に彼らが超伝導回路に関して行った一連の実験に贈られるもので、この実験では「トンネル効果」、つまり量子力学でのみ起こり得る障壁を粒子が通過する現象が、これまで考えられていたよりもはるかに大きな規模で起こり得ることが実証された。

ジョン・クラーク教授は、1968年にケンブリッジ大学で博士号を取得し、1969年からカリフォルニア大学バークレー校の物理学教授を務めています。現在は同大学大学院の名誉教授です。

ミシェル・H・デヴォレ氏はパリ生まれで、同地で博士号を取得し、現在はイェール大学イェール量子研究所応用物理学の名誉教授である。

ジョン・M・マルティニスは、カリフォルニア大学バークレー校で博士号を取得しています。同大学で教鞭を執った後、直近ではGoogleの量子AIグループに勤務していました。

1980年代半ば、デヴォレット氏は博士課程の学生であるマルティニス氏とともに、ポスドク研究員としてクラーク氏の研究グループに加わり、量子トンネル効果をマクロレベルで実証するという課題に取り組みました。

実験では、3人の科学者が超伝導体を用いて抵抗なく電流を流す回路を構築した。回路の特性を微調整し、測定することで、発生する現象を制御することができた。超伝導体中を移動する荷電粒子は、あたかも回路全体を満たす単一の粒子であるかのように振る舞う系を形成した。

この粒子のシステムは、最初は、通過できない障壁によってブロックされているかのように、電圧なしで電流が流れる状態にあります。

実験では、このシステムは量子トンネル効果によってこの状態から脱出することで量子特性を示しました。3人の科学者はまた、このシステムが量子化されていること、つまり特定の量のエネルギーのみを吸収または放出することを実証しました。

量子力学的トンネル効果の図解：壁にボールを投げると跳ね返ります。しかし、微小な粒子を投げると壁を通り抜けてしまいます。この効果は通常、粒子の大きな集団では弱まります。そのため、日常生活で壁を通り抜ける人を見ることはありません。 - 写真：ヨハン・ヤルネスタッド/スウェーデン科学アカデミー

量子技術への道を開く

この実験は量子力学の理解に重要な意味を持つ。これまで、マクロな量子力学効果は、レーザー、超伝導、超流体といった現象を生み出すために、多数のミクロな粒子が結合して作用すると考えられてきた。しかし、今年のノーベル賞を受賞した3人の物理学者による実験は、直接的なマクロな効果を生み出した。

この種のマクロな量子状態は、ミクロの世界を支配する現象を利用する実験に新たな可能性をもたらします。これは、他の量子系のシミュレーションや研究を支援するために用いられる、大規模な人工原子のようなものと考えることができます。

重要な応用の一つは、後にマルティニスが実現した量子コンピュータである。彼は、自身と二人のノーベル賞受賞者が実証したエネルギー量子化をまさに用い、量子化された状態を持つ回路を量子ビット（キュービット）として用い、最低エネルギー状態を0、最高エネルギー状態を1とした。

超伝導回路は、量子コンピュータの構築に向けて研究されている技術の一つです。マルティニス氏は2014年から2020年まで、Googleの量子コンピューティング研究グループの責任者を務めていました。

クラーク氏は、彼らの研究が携帯電話の誕生といった技術革新への道を切り開いたと述べた。ノーベル委員会はまた、「携帯電話、カメラ、光ファイバーケーブルなど、今日、量子力学に基づかない先進技術は存在しない」と断言した。

物理学と化学が量子「トンネル」で出会うとき

2025年のノーベル物理学賞は、40年前の量子力学における発見により、3人の科学者に授与されました。ユネスコが2025年を国際量子科学技術年に定めていることを考えると、この結果はそれほど驚くべきことではありません。

ノーベル委員会は、「量子力学はあらゆるデジタル技術の基礎です。彼らの実験は量子原理に基づく新たな技術進歩の基礎を築きました」と述べました。

この3人の物理学者はトンネル効果を発見し、電気回路におけるエネルギーの飛躍を解明しました。トンネル効果はすぐに多くの化学反応を説明する中心的な概念となりました。

ハイヴァン峠を通過するときと同じように簡単に想像できます。反応物は非常に高いエネルギーで「峠を登る」必要がある場合が多いのですが、時には「トンネルを通り抜ける」ことでエネルギー障壁をより速く克服し、反応を起こすこともあります。

トンネル効果は大学レベルの化学反応速度論の教科書で教えられており、反応速度定数を計算する際には量子論的手法を用いてモデル化されています。物理学と化学はここでも見事に融合しています。

グエン・ミン・トー教授- ベルギー、ルーヴェン大学名誉教授

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グエン・チュン・ダン博士

出典: https://tuoitre.vn/nobel-vat-ly-2025-co-hoc-luong-tu-tu-vi-mo-den-vi-mo-20251007222830181.htm