【テクノロジー解説】1個の原子、1個の光の粒を「こわさずに」見る:世界一ピカピカの鏡のあいだを光の粒が地球1周分(4万km)往復。宇宙誕生から数えても約5秒しかずれない時計、高さ30cmの重力のちがいもわかる(2012年ノーベル物理学賞)

プレ男量子の世界って、見ようとするとこわれちゃうんでしょ?どうやって研究するの?

メル美1個の粒を、こわさずに見る方法をつくった人たちがいるんだって。

こんにちは、Dr. Taro です。 「テクノロジー解説」、今回は1個の量子の粒をあつかう技術です。2012年のノーベル物理学賞の発表と一般向け解説をもとにまとめました。

1個の粒は、すぐに「ふしぎ」を失う

• 光や物質の粒が1個だけになると、ふつうの物理の法則は通じなくなり、量子の物理がとってかわります
• でも、1個の粒をまわりから切りはなすのはむずかしく、まわりとふれあったとたんに、ふしぎな量子の性質を失ってしまいます
• そのため、量子の物理が予言するふしぎな現象の多くは、頭の中の思考実験でしか考えられませんでした

2人の、さかさまのアプローチ

• デヴィッド・ワインランド博士(アメリカ):電気をおびた原子(イオン)をわなにとらえ、光を使って操り、測ります
• セルジュ・アロシュ博士(フランス):逆に、光の粒(光子)をわなにとじこめ、原子を通して操り、測ります
• 2人とも、光と物質のふれあいを研究する「量子光学」の分野で、それぞれ別々に、1個の粒をこわさずに直接観察する方法をつくりました

プレ男原子を光で、光を原子で。ちょうど逆なんだね!

世界一ピカピカの鏡

• アロシュ博士の研究室(パリ)では、約3cmはなれた2枚の鏡のあいだを、マイクロ波の光の粒が行ったり来たりします
• 鏡は超伝導の材料でできていて、絶対零度近くまで冷やされた世界一ピカピカの鏡です
• 光の粒は10分の1秒あまりも鏡のあいだにとどまります。そのあいだに進む距離は約4万km、地球1周分です

光時計:宇宙の年齢でも約5秒のずれ

• ワインランド博士たちの研究は、とても精密な時計(光時計)も生みました。いまのセシウム原子時計の100倍以上の精度で、未来の時間の基準になるかもしれないとされています
• もし約140億年前のビッグバンから時間を測りはじめていたら、光時計は今日までに約5秒しかずれない、というほどの精度です
• アインシュタインの相対性理論によると、時間の進み方は動きの速さや重力で変わります。光時計では、秒速10m未満の速さのちがいや、高さわずか30cmの差による重力のちがいで、時間の進み方が変わるのを測れます
• GPSの衛星の時計も、上空では重力が少し弱いので、ふだんから補正されています

量子コンピューターへの第一歩

• 2人の方法は、量子の物理を使う超高速のコンピューターをつくる最初の一歩になりました
• 古いコンピューターが前の世紀にくらしを変えたように、量子コンピューターも今世紀のくらしを大きく変えるかもしれない、としています(2012年当時)

2012年の受賞者は、1個の原子や光の粒を、量子の性質を保ったまま測り、操る方法をつくりました。量子コンピューターへの第一歩となり、宇宙の年齢でも約5秒しかずれない光時計も生まれました。

つながるテクノロジー

• 量子コンピューターの今:量子コンピューターはいまどこまで来た?
• 光の色を15けたで測る:光周波数コム
• 原子をそろえる:原子たちが「声をそろえて歌う」新しい物質の状態

プレ男30cmの高さのちがいで時間の進み方が変わるなんて、ふしぎすぎる。

メル美それを測れる時計をつくったのがすごいね。

いまの時間の基準、セシウム原子時計を生んだ技術は、「1秒」はセシウム原子が91億9263万1770回ふるえる時間へ。

まとめ

• 1個の粒は、まわりとふれあうと量子の性質を失う
• ワインランド博士:イオンをわなにとらえ、光で操る。アロシュ博士:光の粒をとじこめ、原子で調べる
• 超伝導の世界一ピカピカの鏡で、光の粒が地球1周分往復
• 光時計:セシウム時計の100倍以上の精度。高さ30cmの重力のちがいも測れる
• 量子コンピューターへの第一歩(2012年ノーベル物理学賞)

参考文献

1. The Royal Swedish Academy of Sciences. Press release: The Nobel Prize in Physics 2012. NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2012/press-release/ (閲覧日:2026年10月10日)
2. The Royal Swedish Academy of Sciences. Information for the public: Particle control in a quantum world (PDF). https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/popular-physicsprize2012.pdf (閲覧日:2026年10月10日)

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