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2025-12-19 22:35:00
Newswise — この秋、 ノーベル物理学賞 この賞は、「電気回路における巨視的な量子力学的トンネリングとエネルギー量子化の発見」に対して、ジョン・クラーク、ミシェル・デヴォレ、ジョン・マルティニスに授与された。
ローレンス リバモア国立研究所 (LLNL) では、これらの受賞歴のある発見が、量子コンピューティング ハードウェアの基礎研究と、暗黒物質を探索するための超高感度デバイスと方法の設計という、現在進行中のイノベーションの 2 つの側面を支えています。
LLNL提携の賞品
LLNL の科学者ショーン・オケリーにとって、今年のノーベル賞は個人的なものです。研究室に参加する前に、彼は博士号を取得しました。バークレーの研究室でジョン・クラークの指導の下で。
量子効果は原子で初めて観察されたため、量子現象は最も小さなスケールでのみ発生するというのはよくある誤解です。 1980 年代の受賞者らによる実験により、量子がより大きな役割を果たすことが証明されました。
「賞のキーワードは『巨視的』と『量子』だ」とオケリー氏は語った。 「量子の概念は、ほとんどの人、そしておそらくほとんどの科学者の想像力の中で小さいという概念と容赦なく結びついていますが、それは誤解です。小さなものが量子で、大きなものが量子ではないとしたら、境界はどこにあるのでしょうか? 境界はありません。すべてのものは常に、あらゆるサイズで量子です。
「この研究は、1988 年の論文の 1 つからの言葉を借りれば、『汚れた指で触れられるほど大きな』ものであっても、量子力学が実際に世界の仕組みであることを、現実的かつ直感的な方法で実証しました。」
超伝導は大きな量子を明らかにする
ノーベル賞の研究の鍵は超伝導、つまり極低温の物質がエネルギーを損失することなく電気を伝導する現象にありました。超伝導金属のリングの周りを流れる電流は、熱の形でエネルギーを失わないため、無期限に持続します。
「超電導が最初に発見されたとき、超電導がどのように、そしてなぜ機能するのか誰も知りませんでしたが、今では、ゼロ抵抗は非常に優れた部分の良い副作用であることがわかっています。超電導体内の伝導電子はすべて、量子レベルに至るまで同じことを行っています。」とオケリー氏は述べています。
受賞者らは、手のひらサイズの超伝導回路の測定により、この集団量子状態の存在を証明した。
「すべての電子が同じ量子状態で移動する重要な部分は、『クーパー対』と呼ばれる安定した電子対の形成です」とオケリー氏は述べた。
通常、電子は互いに反発しますが、超伝導電子は代わりに対を形成します。十分に低い温度で 1 つの電子が超伝導体の固体格子構造を通過すると、正に帯電した原子がそれに向かって引き寄せられ、一種の航跡が生成されます。並んでいる次の電子は、所定の位置から引き抜かれた正電荷を見て、そこ (およびそれを作成した電子) に向かって勢いよく飛んでいきます。この電子は「クーパー対」と呼ばれます。
物理法則によれば、電子はすべて同じまったく同じ状態で存在することはできませんが、クーパー対は存在できます。超伝導体全体を通じて、すべてのクーパー対はまったく同じ量子状態にあります。このため、回路全体は同じ状態にあり、単一の巨視的な量子オブジェクトとして機能します。
この巨視的な量子状態は、観測可能な大きな量子効果を引き起こします。磁場が量子化され、手のサイズ (またはそれ以上) の回路の振動状態が、単一の原子のエネルギー状態と同じように離散化されます。
実験では、回路にジョセフソン接合を組み込むことで、手のひらサイズの量子トンネル効果を実証した。これらの接合により、超電導線材内にレンガの壁に似た障壁が形成されます。従来の電流は障壁を通過できませんが、この量子超電流はトンネルを通過できます。
特定の電流「速度制限」以下では、電子は抵抗なく壁を通過します。電流が有限で、抵抗や電圧がないという彼らの好ましい状態は、可能な限り低いエネルギーです。電子は当然その状態に留まりたいと考えます。
しかし、受賞者らが慎重に電流を増加させると、電子がこの低エネルギー状態からトンネルして抜け出し、より高いエネルギー状態にジャンプし、特徴的な電圧パルスを生成しました。このプロセスは、単一の電子が殻の間を飛び越えるときに原子が光子を放出する方法に似ています。慎重かつ革新的な実験計画により、この効果を巨視的システムにおける量子ジャンプ以外のものとして解釈する余地は残されませんでした。
ノーベル財団から LLNL の作品まで
これらの発見は、LLNL における超伝導量子コンピューティングの構成要素です。量子ビット (量子ビット) は、量子コンピューターの情報の基本単位であり、ジョセフソン接合を備えた超伝導回路から構築できます。
「超電導プラットフォームを使用すると、単一原子など、自然が与える量子システムに限定されなくなり、基本的に金属を好きな形に作ることができるようになります」とオケリー氏は述べた。 「ジャンクションは好きなサイズに作ることができます。ループも好きなサイズに作ることができます。必要な正確な量子状態を設計することができます。」
LLNL の研究者は、量子設計および統合テストベッド (QuDIT) を使用して、その柔軟性を活用して、次世代コンピューティングを強化する可能性のある超伝導量子ビットに最適な材料、製造方法、インフラストラクチャを決定しています。
ノーベル研究が ADMX に接続
ノーベル賞を受賞した発見は、1996 年から 2010 年にかけてリバモアで開始および運用されたアクシオン暗黒物質実験 (ADMX) の進歩にもつながりました。現在、ワシントン大学に設置されているこの実験とLLNLは、その標的であるアクシオンの探索を続けている。
この実験の独自の増幅技術はトランジスタに基づいており、2 ケルビンの黒体に相当する追加ノイズ レベルを備えています。しかし、温度が高くなるほど、検出器がアクシオンの特定の周波数範囲をスキャンする必要がある時間が長くなります。
「ジョン・クラークは、基本的にそのノイズを量子限界近く、つまり私たちが運用する周波数では50ミリケルビンに近いレベルで発生させることができる賢明な新しい設計を思いつきました」とLLNLの科学者でADMXの共同スポークスマンであるジャンパオロ・カロシは述べた。 「ADMX に役立つこれらのデバイスを作成できるようにするには、その独創的な論文と、彼がミシェル デヴォレ氏とジョン マルティニス氏と行った研究に大きく依存していました。トランジスタ技術を使い続けていたら、実験を行うのに 100 年はかかっていたでしょう。」
Clarke の設計は、マイクロストリップ共振器に結合された超伝導量子干渉デバイス (SQUID) に基づいており、ADMX が動作していた周波数範囲 (ギガヘルツ) で増幅器を構築できるようになりました。 SQUID 自体は、ジョセフソン接合を備えた超伝導リングから構築されています。これらのデバイスは、アクシオンが光子に変換された後に生じる小さな磁気変化を検出して増幅することができるため、ADMX にとって不可欠なものとなっています。
「SQUIDは、超伝導ジョセフソン接合を使用しているため、変化に対して非常に敏感な量子状態を提供します。ほとんどエネルギーを散逸せず、そのため追加されるノイズを最小限に抑えながら増幅することができます」とカロシ氏は述べた。
ADMX はその後、アクシオンのより高い周波数のスキャンに移行しましたが、これには別の形式の SQUID のようなテクノロジーが必要です。ただし、主要な機能は変わりません。
見た目は違っても科学的根拠は同じ
オケリー氏は、量子コンピューティングと暗黒物質探索というこれらの課題は異なっているように見えるかもしれないが、新たに賞賛された同じ重要な基盤を共有していると強調した。
「これは長い間ノーベル賞に値すると思います」と彼は言った。 「これは、私たちが今日LLNLで行っていることの多くの基礎となる物理学の重要性を裏付けるものです。」
カローシ氏もこれに同意し、応用分野はさらに広がり、脳画像処理などの分野にも及ぶと付け加えた。
「彼らのこれまでの研究は、超伝導体に基づくすべての量子コンピューティングの取り組みの基盤を構築しました」と彼は述べた。 「そして、そこから生まれるチャンスは非常に大きいです。」
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