2025年のノーベル物理学賞は「マクロ量子トンネル効果」に授与された。この発見は1985年の論文に遡り、ジョン・クラーク、ミシェル・デヴォレ、ジョン・マルティニスの3名が受賞した。彼らは超伝導ワイヤー内の電流が量子トンネル効果によって障壁を越えることを実証し、これにより量子物理学が微視的な理論から実用的な技術へと大きく転換した。この成果は量子コンピューティングの基盤技術となり、GoogleやIBM、Amazonなどが使用する超伝導量子コンピュータの開発につながった。1980年代には哲学的議論の対象だった量子力学が、この発見を契機に具体的な技術として現実のものとなり、科学者たちの量子力学に対する姿勢を根本的に変えた。
2025年ノーベル物理学賞の受賞内容
2025年のノーベル物理学賞はマクロ量子トンネル効果に授与されました。これを予想していた人は誰もいなかったのではないでしょうか。これは一体何なのでしょうか。なぜ重要なのでしょうか。そして賞を受賞したのはどんな人たちなのでしょうか。簡単にまとめてみました。
この賞はジョン・クラーク、ミシェル・デヴォレ、そしてジョン・マルティニスに授与されました。そしてこれは、その大部分が1985年に発表された一つの論文にさかのぼることができるケースです。この論文はマクロ量子トンネル効果が実在することを実証する結果を示しています。
量子トンネル効果については聞いたことがあるかもしれません。これは量子粒子が十分なエネルギーを持っていなくても障壁を通り抜けることができる現象です。つまり、もしその粒子が量子的性質を持っていなければ、閉じ込められてしまうはずなのです。しかし量子的性質を持っていれば、障壁を通り抜けることができます。
おそらく量子トンネル効果の最もよく知られた応用例は、電子トンネル顕微鏡でしょう。これらは基本的に材料の表面を原子単位で探査します。なぜなら電子が顕微鏡の先端にトンネルできるからです。しかしこれは単一の電子にとっては非常に小さな効果です。
マクロスケールでの量子トンネル効果
今年のノーベル賞を受賞した3人は、これが大量の粒子の集まりに対しても起こり得ることを解明しました。特に彼らは超伝導ワイヤー内の電流に注目していました。これはおそらく皆さんのマクロスケールという概念とは完全には一致しないかもしれません。個人的に私がマクロスケールと聞くと、バスのようなものを思い浮かべますが、このようなワイヤー内の電流は数百万個の電子から構成されており、単一電子レベルと比べるとかなり大きいものです。
彼らが示したのは、ワイヤー内の電流の集団的な振る舞いが障壁を越えてトンネルできるということです。つまり文字通りの隙間です。これが起こるためにはワイヤーが超伝導状態である必要があります。なぜなら、そうでなければ電子が一つの量子状態として振る舞わないからです。これは、これらのワイヤーを絶対零度に近い温度まで冷却しなければならないことを意味します。
ノーベル賞受賞論文のこの図を見ると、ワイヤーが冷却されるにつれて、電流が量子効果なしでは不可能な方法で振る舞うことがわかります。
量子技術への影響
この効果の重要性、そしてこれが彼らにノーベル賞が授与された理由だと思いますが、それは量子物理学をマイクロチップの範囲に移行させたということです。彼らの発見から40年間で、この洞察は膨大な数の応用に爆発的に広がりました。
その中で最もよく知られているのはおそらく量子コンピューティングでしょう。なぜなら、トンネルできる電流があれば、オンとオフの両方の状態にある電流も持つことができ、それが量子ビットになるからです。
現在、GoogleやIBM、Amazonなどが使用している超伝導回路を用いた量子コンピュータは、1985年の実験で使用されたものと全く同じ技術を使っているわけではありませんが、このグループが1980年代に行ったことに起源を持っています。
この技術は、電流を妨害する可能性のあるダークマター粒子を探すいくつかの実験でも使用されています。それ以外には、まだ多くの応用があるとは思えません。私はこの発見の最大の波及効果は、量子技術を現実のものにしたことだと考えています。
量子物理学の転換点
それはまだ主に学術的な事業ですが、実用的な応用に向かっているものです。そしてこれは物理学者の量子力学に対する態度を完全に変えました。
1980年代、これらの人々が実験を行った頃、量子物理学は主に哲学的な事業でした。誰もそれが一方向または他方向に多くの実用的な関連性を持つとは思っていませんでした。物が2つの場所に存在するとか、不気味な遠隔作用といったこれらすべてのことは、何か具体的なものからあまりにもかけ離れていました。
しかしマクロ量子トンネル効果は、量子物理学を具体的な範囲に移行させた大きな転換点でした。少なくとも超伝導ワイヤーを備えた物理学研究室があればの話ですが。当時、彼らは量子力学の解釈について一晩中議論していました。今では彼らはクリーンルームで量子力学の解釈について一晩中議論しています。
今回のノーベル賞の意義
では、今年のノーベル賞について私たちはどう考えるべきでしょうか。量子コンピューティングにノーベル賞を授与するのではなく、最初の量子コンピュータを可能にした技術にノーベル賞を授与するというのは理にかなっています。
ただし理論物理学者としては、これは少し落ち込むことです。私は多くの人と同様に、ノーベル賞は量子コンピューティングに関する理論的研究、デビッド・ドイッチュ、そしておそらくピーター・ショアに授与されると思っていました。理論家であることは大変です。
とはいえ、ノーベル賞はコミュニティ賞ではないことを心に留めておく必要があります。これはスウェーデン王立科学アカデミーによって授与されるもので、アルフレッド・ノーベルの遺志を解釈し実現する任務を負っています。
賞の受賞者を選考する委員会のこの一人の人物が、科学全体にこれほど大きな影響力を持つべきではないというのは好ましくありません。とはいえ、私はノーベル賞週間を科学祝賀週間だと考えています。これは世界中が目を覚まし、私たちが科学にどれだけ恩恵を受けているかを思い出す年に一度の週です。そして私の受信トレイがスパムフィルターをトンネルする一週間でもあります。
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コメント
マクロ量子トンネル効果という用語自体に大衆をミスリードしたい詐欺的悪意を感じる。薄膜素子というようにトンネル効果自体はあくまでも科学的にはミクロorセミミクロな現象。普通のイジングモデルでもこの程度のクラスターは観測される。つまりたまたま普通のクラスターの内部に普通の薄膜の薄いトンネルがあるだけ。これをマクロマクロと大騒ぎしてあたかも巨大なトンネルが発見されたかのように誇張するのはバズワードで利潤を得たいだけの反社会的腐敗。もともとの論文の意図をわざと曲解。