2025年ノーベル物理学賞：巨視的量子トンネル効果を実証し、量子技術の基盤を築く─クラーク氏、デヴォレ氏、マーチニス氏が共同受賞

​ストックホルムのスウェーデン王立科学アカデミーは7日、2025年のノーベル物理学賞を発表した。受賞したのは、アメリカの学者ジョン・クラーク氏（John Clarke）、ミシェル・H・デヴォレ氏（Michel H. Devoret）、ジョン・M・マルティニス氏（John M. Martinis）の3人。ノーベル賞委員会は「電気回路における巨視的量子トンネル効果とエネルギーの量子化の発見」により受賞したと説明している。​

今年の受賞者はそれぞれ、英国ケンブリッジ、フランス・パリ、アメリカ出身。学歴はクラーク氏がケンブリッジ大学博士、デヴォレ氏がパリ第十一大学博士、マルティニス氏がカリフォルニア大学バークレー校博士である。現在は3人ともアメリカで教鞭を執っており、クラーク氏はカリフォルニア大学バークレー校、デヴォレ氏はイェール大学とカリフォルニア大学サンタバーバラ校、マルティニス氏もカリフォルニア大学サンタバーバラ校の教授である。

量子力学は微視的な世界を説明する物理学だが、どれほど微小である必要があるのか。また、巨視的な世界で量子力学を応用・操作できるのか。ノーベル賞委員会によると、クラーク氏、デヴォレ氏、マルティニス氏は1984年以降、超伝導体で構成された回路を用いた一連の実験を行った。超伝導体は極低温下で電気抵抗が完全に消失する特殊な材料である。

彼らの設計した回路では、超伝導素子が薄い絶縁層で分割され、回路の特性を改良しながら測定することで、電流が流れた際の現象を制御・解析することができた。帯電粒子が超伝導体内を移動し、一つの粒子が全体の回路を満たすような系が構築されていた。

この巨視的粒子系は、もともと無電圧で電流が流れる状態にあった。システムはあたかも超えられないエネルギー障壁、すなわち「ジョセフソン接合（Josephson Junction）」によって閉じ込められているかのように見えた。古典物理学の論理に従えば、電流のエネルギーが不足していれば、壁によって完全に遮られるはずである。

しかし、実験結果は物理学界を驚かせた。3人の物理学者は、エネルギーが不足している状況でも、無電圧状態に閉じ込められたはずのシステム全体が脱出し、電圧が発生した。これは、電流を構成する膨大な数の「巨視的粒子」が純粋な量子的振る舞いを示し、トンネル効果としてエネルギー障壁を全体として抜けたことを意味する。 （関連記事： 賴清德氏、トランプ氏に「習近平を説得できればノーベル平和賞」発言　TSMCが「アメリカを再び偉大に」？ ｜ 関連記事をもっと読む ）

長年にわたり、量子力学の奇妙な現象――波動と粒子の二重性、量子もつれ、量子トンネル――は原子や電子など微小な存在にのみ特有のものとされてきた。しかし、今年のノーベル物理学賞受賞者たちは、巨視的な粒子システムを用いることで、この従来の認識を覆した。これにより、人類は初めて肉眼（計測機器を通してだが）で巨視的システムにおける量子トンネル効果を観測したのである。受賞者3人の貢献はこれにとどまらず、「巨視的トンネリング」の可能性を実証するとともに、同システムのもう一つの重要な量子的特性である「エネルギーの量子化」も明らかにした。

我々の日常世界では、エネルギーの変化は連続的だ。車の速度を時速50キロから50.1、50.2キロへと平滑に加速できる。しかし、量子の世界では、エネルギーの吸収や放出は階段を上り下りするようにしかできず、階段の間で留まることはできない。システムは特定の離散的なエネルギー状態にのみ存在できるのである。超伝導回路の精密な測定と制御により、受賞者3人は、この「巨視的粒子」システムが外部とエネルギーを交換する際、特定の大きさのエネルギー「パッケージ」を吸収または放出することを証明した。そのふるまいは量子力学の予測と完全に一致し、古典物理の偶然ではなく量子力学の特性であることが確かめられた。

クラーク氏、デヴォレ氏、マルティニス氏の研究は、量子技術への扉を開き、巨視的量子システムの「能動的操作能力」をもたらした。これは未来の量子テクノロジーの核となるものである。ノーベル物理学賞委員会のオーレ・エリクソン会長は「百年にわたる量子力学の新たな驚きを祝えるのは素晴らしいことだ。量子力学はすべてのデジタル技術の基盤だからだ」と述べた。委員会は、コンピューターチップにあるトランジスターも成熟した量子技術利用の一例であると指摘している。今年の物理学賞は次世代量子技術の開発に基盤を提供し、量子暗号、量子コンピューター、量子センサーなどの新分野を含む。

1901年から2024年まで、ノーベル物理学賞は118回授与され、受賞者は合計226名である。昨年は人工知能の先駆者ジョン・ホップフィールド氏（John Hopfield）とジェフリー・ヒントン氏（Geoffrey Hinton）が、機械学習の基礎を築いた功績で共同受賞した。最年少受賞者は1915年のローレンス・ブラッグ氏（Lawrence Bragg、当時25歳）、最年長受賞者は2018年のアーサー・アシュキン氏（Arthur Ashkin、当時96歳）で、光ピンセットの発明と生物系応用が評価された。

今年のノーベル生理学・医学賞は、メアリー・E・ブランコウ氏（Mary E. Brunkow）、フレッド・ラムズデル氏（Fred Ramsdell）、坂口志文博士が、免疫系が細菌を攻撃しながら自らの体を傷つけない仕組みを解明したとして共同受賞した。続いて化学賞（8日）、文学賞（9日）、平和賞（10日）、経済学賞（13日）が発表される予定である。授賞式は12月10日、ノーベル賞創設者アルフレッド・ノーベルの命日に行われる。

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​編集：田中佳奈

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