過去数十年で、量子物理学は大きく変化しました。以前は、科学者は、主に原子の塊や光子などの他の量子粒子の奇妙な自然な振る舞いを説明するために、量子論の奇妙な規則に依存していました。しかし、物理学者はますますこれらのルールを利用して、個々の粒子の繊細な量子状態を作成し、それらを使って新しいことを行っています。今年のノーベル物理学賞は、その道を切り開くのに貢献した 2 人の実験者を称えるものです。
パリのコレージュ・ド・フランスとエコール・ノルマル・シュペリウールのセルジュ・アローシュ (68 歳) は、光の量子状態の彫刻と、単一原子との相互作用の制御のパイオニアでした。コロラド州ボールダーにある国立標準技術研究所のデイビッド・ワインランド (同じく 68 歳) は、単一荷電原子またはイオンを制御する技術を開発し、それらを使用して計算を実行する方法を示しました。
ドイツのガルヒングにあるマックス プランク量子光学研究所の理論家 Ignacio Cirac は、このような研究によって量子研究の新しい領域が開かれたと述べています。 「40 年前には、量子力学が単一粒子に適用されるかどうかさえ明らかではありませんでした。これは統計理論であるためです」と Cirac 氏は言います。 「彼らは、個々の量子システムを研究するための扉を開きました。」
Haroche は、いわゆる光キャビティを形成する 2 つのミラーの間に光の粒子または光子が閉じ込められる「キャビティ量子電気力学」の分野の開拓に貢献しました。研究者は、その光の量子状態を正確に調整することができます。たとえば、一定数の光子で構成されているが、古典的な光波の通常の特性を欠いている、いわゆるフォック状態にすることによってです。その状態は、単一の原子をキャビティに送り、光と相互作用させることで、プローブして測定することができます。
とりわけ、Haroche と同僚は、おそらく最も奇妙で最もよく知られている量子状態であるシュレディンガーの猫の状態の類似物を初めて実証しました。量子論は、物理システムが一度に 2 つの相互に排他的な状態になることを可能にし、1935 年にオーストリアの理論家アーウィン シュレーディンガーは、この性質により、箱の中に隠された猫が同時に生きていると同時に死んでいることを強制するスキームを思いつきました。 （箱を開けるとすぐに、量子状態が「崩壊」し、猫が死んでいるか生きているかがわかる。）1996年、Harocheと同僚は、同様の双方向の光の状態を一度に作成した. 「これは私がこれまでに見た中で最もエキサイティングな実験の 1 つであり、実際に私がこの分野にいる理由です」と、イギリスのリーズ大学の量子物理学者 Benjamin Varcoe は言います。
対照的に、ワインランドと彼のチームは、個々のイオンを捕捉して制御する無数の技術を開発しました。トラップされたイオンを使用して、はるかに優れた原子時計を作成できる可能性がありますが、Wineland の研究の本当の魅力は、古典的なコンピューターを圧倒する特定の問題を解決できる量子コンピューターを作成するために使用できることです。 「David は、この分野で初めて大きな進歩をもたらしました」と、英国のサセックス大学の Winfried Hensinger は言います。
イオンは小さなこまのように回転し、レーザーを使用して、研究者はイオンのスピン状態を制御し、繊細な双方向の量子状態にすることさえできます。ワインランドと同僚は、その量子状態の情報を、それを保持する電場内のイオンの揺らめきに転送し、さらに隣接するイオンを相互作用させて通信させる技術を開発しました。 1995 年に報告されたように、このような技術を使用して、研究者は単一のジグリング イオンを論理の基本操作を実行する「ゲート」として使用することができました。
この進歩は、0 または 1 のいずれかに設定できる通常のビットを、0、1、または両方に同時に設定できる「キュービット」に置き換えた量子コンピューターを開発できる可能性を示しました。本格的な量子コンピューターはまだ数年先ですが、物理学者は 15 個ものイオンを組み合わせて計算を行っています。これは、限られた一連の問題で量子コンピューターが従来のコンピューターを凌駕するために必要な量の約 4 分の 1 である、と Hensinger 氏は言います。
多くのノーベル賞と同様に、オブザーバーは、他の研究者も賞に値するかもしれないと言います.イオン トラップの分野では、メリーランド大学カレッジ パーク校の Christopher Monroe 氏とオーストリアのインスブルック大学の Rainer Blatt 氏も基礎的な貢献をした、と Hensinger 氏は言います。空洞量子電気力学では、パサデナにあるカリフォルニア工科大学のジェフ・キンブルとマックス・プランク量子光学研究所の故ハーバート・ワルサーも光を導いてきたとバーコーは言う。
今年の賞は、量子物理学の進化に焦点を当てています。 1920 年代から 30 年代にかけて、いくつかのノーベル賞が量子力学の原理の発見を称えました。今年の受賞者は新しい原理を発見したわけではありませんが、確立された理論を活用する新しい方法を発見したと Cirac は言います。 「理論は、私たちが常に理解しているものと同じです」と彼は言います。 「私たちは今、それを使って新しいことをしようとしています」。
