現代量子力学の100周年を記念して、ノーベル委員会は、スマートフォン内部を含む大規模環境で量子効果がどのように発揮されるかを実証した実験に、今年最も権威のある物理学賞を授与した。
実際、今年の受賞技術である量子トンネル効果の影響は、ポケットの中の機器の範囲をはるかに超えています。
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人は1984年と1985年に最初の実験を行ったが、彼らの研究は永続的な影響を与え、「すべてのデジタル技術の基礎」となったと、ノーベル物理学賞委員会のオーレ・エリクソン委員長は声明で述べた。
しかし、量子トンネル効果とは何でしょうか？そして、この奇妙な物理学の世界を、どのようにして私たちの日常のデバイスにもたらしたのでしょうか？この量子の奇妙な性質がなぜそれほど重要なのか、ぜひ読み進めてください。
量子トンネル効果の基礎
壁に向かってテニスボールを投げるところを想像してみてください。何千年にもわたる科学的観察と逸話的な観察から、ボールは壁にぶつかって跳ね返ってくると推測されます。しかし、量子の世界では必ずしもそうではありません。ボールは壁をまっすぐに通り抜けて反対側に現れるかもしれません。この現象は「トンネル効果」と呼ばれます。
量子力学においてサイズは扱いにくい概念ですが、ごく簡単に言えば、この文脈における「ミクロ」スケールは、一般的に単一の粒子のスケールを指します。一方、「マクロ」スケールは、多数の粒子のスケールを指します。量子力学的な効果はマクロスケールでは薄れていくように見えるため、無数の粒子で構成されたテニスボールは、通常、壁を通り抜けることができません。
しかし、ノーベル賞を受賞したこの実験では、極めて高度な超伝導回路が実現され、回路内の電子はまるで一つの粒子であるかのようにシステム内を移動し、回路全体を満たすことができました。システム内の電子は、非導電性物質の薄い層をトンネルのように通過しました。研究者たちが「汚れた指で触れるほどの大きさ」と表現したこの回路は、微視的、つまり量子的な現象を巨視的に実証するものなのです。
スマートフォンの中の量子
念のため言っておきますが、超伝導デバイスはまだ実現していません。しかし、あなたのスマートフォンに使われているチップは、超伝導体ではなく半導体ですが、トンネル実験から得られた知見を活かして動作しています。トランジスタ、原子核実験、そしてもちろん量子コンピューティングも同様です。
トンネル効果は、複雑な半導体トランジスタやチップを製造する超大規模集積回路（VLSI）からエネルギーがどのように漏れるかをエンジニアに教えました。具体的には、トンネル効果はチップ上の最小機能サイズに関する「物理的限界」を表しています。
科学者たちは量子トンネル効果の原理を次世代太陽電池の製造に応用しており、また、いくつかの物理学上の飛躍的進歩に貢献した走査トンネル顕微鏡も量子トンネル効果の概念に基づいて構築されている。
トンネル効果は、あらゆる核融合実験において不可欠な要素と考えられています。核融合反応を成功させるには、個々の粒子が互いに反発する性質を克服する必要があります。物理学者たちはトンネル効果を利用することで、この障害を回避するためのある程度の余裕を見出すことができました。
これらの応用は、必ずしもすぐには目に見えない。今年の物理学賞受賞者の一人であるクラーク氏は、火曜日の記者会見で「全く驚いている」と認め、「これがノーベル賞の根拠になるなんて、全く想像もしていなかった」と語った。
それでも、このノーベル賞受賞作品が、国際量子年にちょうど間に合うように、私たちの日常生活における量子力学の驚くべき存在を完璧に実証していることは間違いありません。
ノーベル物理学賞委員会委員長のエリクソン氏の言葉を引用すると、「100年の歴史を持つ量子力学が、常に新たな驚きをもたらし続けていることを称えられるのは素晴らしいことです。また、非常に有益でもあります。」
