量子科学の教育・研究活動の紹介

1.量子科学とは

 私たちの身の回り物質は全て原子からできており、その原子は原子核と電子から構成されています。原子核は陽子と中性子から、陽子と中性子はクォークと呼ばれる粒子から構成されています。電子のように電荷を持つ粒子の間に働く電磁力は、それら粒子の間で交換される光子によって担われています。クォーク、電子、光子のように、それ以上はもう分解できない(と現時点では考えられている)粒子のことを素粒子と言います。これらの微小な粒子は、古典力学(ニュートン力学)では説明できない不思議な性質を持っており、私たちが素朴に抱いているイメージの粒子と区別して、量子と呼ばれます。量子の振る舞いを記述する力学を量子力学と言います。
 量子力学は20世紀前半に誕生して以来、微視的な物理現象を記述するための理論として発展を続け、物理学における重要な基礎理論となりました。さらに、自然を理解するための基礎理論の枠をこえて様々な分野で応用され、量子情報科学などの最先端の科学技術の基礎にもなっています。量子力学によって記述される量子の不思議な振る舞いの原理をより深く理解し、それを利用して量子を操り・役立てることを目指す学問分野のことを広く量子科学と呼び、そこで用いられる技術のことを量子技術と呼んだりします。量子科学は現在のそして将来の科学技術に無くてはならない分野と言えます。

 上記で述べた量子の不思議な性質の主なものとして「粒子と波動の二重性」、「状態の重ね合わせ」、「量子もつれ」があります。

「粒子と波動の二重性」

 量子は粒子と波動の両方の性質を同時に持つことが知られています。例えば、電子の位置を測定すると粒子のように点として観測されますが、古典的な粒子と異なり、観測される位置は確率的にしか予測できません。この確率の分布が波の性質を持っており、回折や干渉といった現象を示します。

「状態の重ね合わせ」

 量子がどのぐらいの確率でどの状態にいるのかと言った様子は確率の分布として表され、一般には様々な状態をまたいで波のように広がっています。(そして実際に波の性質を持ちます。)測定するまでは、いずれの状態になっているのか確定していません。日常的な常識からは両立し得ない状態のどちらとも言えない状況(状態の重ね合わせ)のまま存在することができます。少々ややこしいですが、様々な状態の重ね合わせとなっているその在り方こそが「量子の状態」(量子状態)であるとも言えます。

「量子もつれ」

 状態を確定するための測定を行うと、重ね合わされている状態の中のいずれかの状態が実際に観測されます。二つの量子で構成された複合系を全体としてある特殊な状態にしておくと、ある場所で量子の一つを測定して状態を確定すると、そこから離れた場所にある別の量子についても瞬時に対応した状態に確定します。このように複合系を構成している複数の量子が互いにもつれ合っているかのように強く関係し合っている様子を「量子もつれ」と呼びます。

 「粒子と波動の二重性」は金属・半導体・絶縁体の本質的な違いや特に半導体の特性を理解する上で欠かせない知見であり、古くから電子工学の分野で活用されてきました。これに加え「状態の重ね合わせ」や「量子もつれ」に対する理解や検証も進み、これらの量子の振る舞いを活用できる場が広がりつつあります。特に近年発展が著しい分野との関連を以下に示します。

  • 量子計算:従来のビットの代わりに量子ビットを用いて重ね合わせのまま情報を扱い計算するしくみ
  • 量子暗号:盗聴者による通信の傍受(観測)により重ね合わせの様子が変化することを利用して盗聴を防ぐしくみ
  • 量子テレポーテーション:量子もつれを利用して一方の量子の状態を他方の量子の状態に転写するしくみ

2. 本コースでの量子科学の教育

 本コースでは、学部・大学院において主に下記の科目をつうじて量子科学について学ぶことができます。

【学部科目】
量子情報科学Ⅰ・Ⅱ、量子力学Ⅰ・Ⅱ・Ⅲ・Ⅳ、物性物理学Ⅰ・Ⅱ、物理化学概論Ⅰ・Ⅱ
【修士科目】
量子多体論Ⅰ・Ⅱ・Ⅲ・Ⅳ、凝縮系物理学Ⅰ・Ⅱ・Ⅲ・Ⅳ
【博士科目】
量子輸送論Ⅰ・Ⅱ、超伝導物理学特論Ⅰ・Ⅱ

3. 本コースでの量子科学の研究

 本コースには、理論物理学(キーワード:物性理論、超伝導、量子輸送)を専門とする教員が2名、実験物理学(キーワード:高温物性、無機材料、物理化学)を専門とする教員が1名おり、合わせて3名の教員が量子科学分野の研究をしています。
教職員紹介:http://mathsci.math.akita-u.ac.jp/staff/