“Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it.”
量子物理学は私が「実存的科学」と呼ぶものです。宇宙の奇妙さと壮大さに私たちを直接接触させる科学です。
それは「有用な科学」でもあります。数十億から数兆ドル規模の産業を生み出す技術を約束します。
もちろん、誤解されている科学でもあります。量子が実際に何であり、どこへ向かっているのかを説明できる人は、人類の100分の1パーセントにも満たないでしょう。このコースの目標は、あなたをその一人にすることです。
「量子」の意味
量子は「部分的に」を意味します。科学者が電子や光子のような小さなものを扱い始めたとき、直感に反する振る舞いを目撃し、それを「量子」的振る舞いと呼びました。これらの振る舞いは、私たちが知っていた世界のモデルに収まりませんでした。
例えば、私たちの古いモデルは、物体には位置のような明確な性質があり、その位置を常に測定できると言います。しかし、電子はそうは動きません。決まった場所にまったく存在しないかのように振る舞います。粒子よりも雲のように振る舞っていることを証明する広範な効果を持つことができます。科学者はこれを重ね合わせと名付けました。「位置」を超えた概念だからです。
次の50年間で、科学者はこれらの観察を宇宙のまったく新しいモデルに組み込みました。このモデルは実際にはより寛容で、可能だと思わなかったことを許します。例えば、電子と光子に明確な位置、方向、速度を要求しません。
この新しいモデルは古いものよりも著しく正確であることが判明しました。
それ以来、量子は物理学を席巻しました。世界最大の物理学会議である2025年APSグローバル物理学サミットでは、出展者の75%以上が量子関連でした。
量子が開くもの
今、100年の量子力学の進歩の果実が実りを迎えています。世界について私たちが持っていた多くの仮定を打破できる新しい量子技術が市場に出ています。いくつかの例を紹介します。
より良い診断
通常の光で見える最小の物体には限界があると仮定していました。エルンスト・アッベはこれを回折限界と名付けました。それより小さなものを見るには電子顕微鏡を発明する必要があり、これにも独自の限界があります。
回折限界を超えることができる新しい量子顕微鏡が発明されました。これらの顕微鏡は光の量子的性質を利用して、ウイルスほど小さなものまで観察できます。
より高速なコンピュータ
ある種の問題はコンピュータには決して解けないと考えられてきました。代表的な例が次の2つです:
- インターネット全体で使われている2048ビットの「RSA」パスワードを解読すること。
- 分子の性質を予測すること。これによって、まったく新しい種類の医薬品を設計できるようになります。
しかし今、私たちはそのどちらも可能であることを知っています。もちろん、パスワードが解読されることは世界にとって望ましいことではありません。だからこそ、これらの技術については慎重に、よく理解した上で扱う必要があります。
安全な通信
インターネットで情報を送るとき、誰かがこっそりコピーしていないと保証する方法はないと考えられていました。
しかし今、私たちは量子が世界初の盗聴不可能な通信を可能にすることを知っています。
3つの基礎概念
量子には3つの基礎概念しかありません:
- 測定
- 重ね合わせ
- 量子もつれ
次のガイドでは、これらの基礎概念をそれぞれ深く学びます。