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测定技术を刷新する「量子赤外分光」

光は「光子」という量子の集まり。その不思议な性质を利用する测定技术が「光（ひかり）量子センシング」です。私が注力するのが、2016年に初めて报告された「量子赤外分光」。赤外线は物质の成分や分子构造の鑑定などに利用されますが、その生成には通常、高温の発热体が必要になり、検出にも问题があります。量子赤外分光では、可视の光子と赤外の光子からなる「量子もつれ光」を利用して、可视域の光源と検出器による赤外分光を実现。2017年に学会発表を闻いた私は、测定装置の小型化?高性能化の道を拓くこの技术に、「これはほんものの新技术だ！」と胸を打たれました。

それまでに様々な量子もつれ光源の研究を进めていた私は、この技术をさらに発展できると确信。2023年に「京都大学光量子センシング社会実装コンソーシアム」を発足し、公司の协力も得ながら、従来の测定技术の限界を超えた计测デバイスの开発に挑んでいます。将来的には、スマホほどの小型デバイスで、大気や土壌などの环境调査や薬品の成分分析を可能にし、幅広い分野の测定技术を大きく前进できると考えています。

量子が秘める可能性は未知数

中高生の顷から相対性理论や量子の不思议に惹かれていた私にとって、汤川秀树博士や朝永振一郎博士をはじめ、着名な物理学者を数多く辈出している京大は憧れの大学でした。晴れて京大理学部に合格し、量子力学の授业を受けたのは2回生の顷。大学院レベルの教科书を使用した授业でしたが、わくわくしながら受讲したのを覚えています。

量子力学の魅力は、理论と応用が深いレベルで响きあうところ。「この世界はどうなっているのか」という本质的な探究が、思いもよらぬ応用の可能性を拓くのが、この分野の醍醐味です。そんな量子の世界を身近に感じてもらえるよう、大阪?関西万博では「量子もつれ光」を体験できる企画展示にも挑戦しています。量子の谜はまだまだ未解明。常识を涂りかえるような発见が、これからも私たちを惊かせてくれるはずです。

竹内教授が代表となり、大阪?関西万博で「光子のふしぎと光量子センシング」展示を出展。一般には初公开の実験装置で、量子もつれのふしぎな现象をリアルに体験できる。

移ろいやすい量子状态を観测?制御する技术

原子を１マイクロケルビンまで急速に冷却するレーザー冷却法の开発は、量子技术の発展に大きく寄与しました。量子は环境の影响を受けやすく、量子もつれなどの特性が现れる「量子状态」はわずかな変化で崩れます。いま注目を集める量子コンピュータは、量子の特性を利用した计算机。长时间にわたる量子状态の保持が必须です。极低温まで冷却すれば、真空中に光で闭じ込めることができ、原子の制御や操作ができるのです。

量子コンピュータは国内でも运用が始まっていますが、高精度化や大规模化には多くの课题が残ります。とくに重要なのが「误り耐性」。状态が不安定になりやすい量子を使う计算には、エラーが付きものです。エラーを直しながら计算を続ける「误り耐性量子コンピュータ」の実现は、进歩の重要な键です。

この突破口となる可能性を秘めるのが、イッテルビウム原子です。私たちはこの原子にいちはやく着目し、イッテルビウムに适したレーザー冷却法を开発。これにより、量子コンピュータの构筑に最适な原子の一つと考えられるまでに研究が进みました。世界最高の性能を示す量子コンピュータへの端绪を开くべく、研究を重ねています。

ほかにも、イッテルビウムを轴に、原子のエネルギーを高精度に测定する「量子计测」でダークマターなどの未知の物质の発见を目指したり、现在のコンピュータでは再现が难しい强く相互作用する粒子の集団のふるまいを、量子の性质を用いたマシンで予测する「量子シミュレーション」の研究も进めています。

浮世离れした量子のふるまいに惹かれて

日常的な感覚?现象とは相容れないふるまいをする量子の不思议に惹かれて40年以上が経ちます。とりわけ量子もつれの现象は、古典物理学の常识である「局所実在论＊」を実験で明确に否定するエキサイティングなもの。理论上だけでなく、実験を通して証明できるのも量子のニクいところです。

しかも、そんな不思议な性质が、身の回りの技术を大きく进歩させる可能性を秘めるのもまた魅力的。追い求めるには数学、物理学、工学など幅広い分野の理解が必要で、道のりは険しい。それゆえに退屈しませんよ（笑）。京大の量子研究の最盛期はこれから。ともに盛り上げる仲间を待っています。

レーザー冷却に使用する装置

キーパーソン、仁科芳雄

私が専门とする科学史は、「科学」というものを自明视せず、时代ごとの社会や技术と分かちがたいその成立を追うことで、人类の歴史を左右してきた「科学」という営みの実态に迫る学问です。なかでも、日本に量子力学が移入され、现代物理学の発展の础が筑かれた20世纪を中心に研究しています。

私が重视する人物が、汤川秀树と朝永振一郎が师と仰いだ仁科芳雄。「クライン＝仁科の式」などの业绩でも知られますが、重要なのはその実践です。量子力学确立期のヨーロッパに留学した仁科は、帰国后、海外の着名な物理学者の招へいや理化学研究所（理研）での后进の育成など、量子力学以降の最新の物理学研究のための土台づくりに奔走しました。

仁科に関する膨大な资料を调査するなかで出会ったのが、「环境が人をつくり、人が环境をつくる」という彼の言叶。戦后は理研の所长や日本学术会议の副会长を务めた仁科の実践は、いわば物理学研究のための「インフラストラクチャー」づくりでした。ノーベル赏受赏者を多数辈出する日本の现代物理学の跃进は、こうした环境の上に花开いたものなのです。

科学史の方法论としての「伝记」

日本の科学史は科学者の思想を重视する倾向があり、学生の顷の私は仁科の実践の重要性に気づいていませんでした。见方が一変したきっかけは、アメリカ留学。留学先の研究室では、人间中心主义を脱し、研究环境や制度、実験装置の役割に着目する方法论が议论されていて、大きな衝撃を受けました。その方法论の一つが、着书『励起れいき』で採用した「伝记」。伟人の物语ではなく、周辺の人物や社会、环境をまるごと记述する方法论を学んだことで、オーガナイザーとしての仁科の重要性が「励起＊」するかのごとく、浮かび上がったのです。

2023年に上梓した『励起　仁科芳雄と日本の现代物理学』（みすず书房）。上巻は1929年に仁科の招へいでハイゼンベルクとディラックが来日したときの写真。下巻は1936年に研究室のメンバーとハイキングしたときのもの。

科学という営みは时代とともに変化するもの。20世纪以降の物理学は、巨额の资金をかけて、集団で研究する巨大科学が主流となり、近年は公司との连携も盛んです。量子力学は、そんな时代に最も期待されている分野。科学史家としては、科学と科学者に対する敬意を保ちつつ、科学技术の危険性など、ときには科学者が嫌がることにも切り込みながら、移り変わる科学の姿を注视したいと思います。

＊励起　原子?分子などが、外部からエネルギーを受けとることで、エネルギーの低い状态から高い状态へと移行すること

黎明期に世界を牵引した京都大学の中性子捕捉疗法

がんの放射线治疗は変革期を迎えています。放射线治疗の主流は、がん细胞に齿线などの光子线を照射して、细胞を死灭させるもの。そして近年、飞跃的に进歩しているのが中性子捕捉疗法です。薬剤を集积させたがん细胞に、原子炉や加速器で発生させた中性子线を照射して量子现象を起こすのです。进歩の键はナノテクノロジー。ナノサイズの微小粒子に薬剤を包み込み、効率的にがん细胞まで届けられるようになったほか、新机能を备えた化合物が次々と生まれています。

京都大学には、中性子捕捉疗法で世界を圧倒的にリードしてきた歴史があります。改良中性子を使ったがん治疗が始まったばかりの1990年代、原子炉実験所（现?复合原子力科学研究所）は早々と脳肿疡、头颈部がんなどの治疗に成功しています。抗がん剤治疗の治疗率が约20%だった时代に、50%以上の効果を叩き出す革新的な成果でした。

独自开発のナノ粒子がもたらす画期的な効果

大学院修了后に渡米してから40年间、分子生物学の视点で顕微镜越しにがんを见つめてきました。始まりは生物学への兴味でしたが、関心は次第に一人ひとりの患者さんへと移ってゆきました。中性子捕捉疗法の第一线を走る京大で、治疗に寄与する研究に参加すべく、帰国を决めました。

独自のナノ粒子を开発し、様々な放射线?量子线と组み合わせることでがんの新たな治疗法を探っています。2019年には、卵巣がんなどの细胞を消灭させることに成功しました。ほかにも、私たちの研究グループでは、従来のようにがん细胞の外から量子线を当てて壊すのではなく、细胞内で量子线を発生させることに成功。ヨウ素元素を含んだナノ粒子をがん细胞に运び、齿线を当てると、ヨウ素から电子が飞び出し、がんの顿狈础を切断するのです。アインシュタインの光电効果を利用したドラマティックな现象で、これからの発展に期待が高まります。

ヨウ素を担持したナノ粒子を取り込ませたがん组织に齿线を照射すると、ヨウ素原子は电子を放出して顿狈础を破壊。がん细胞を死灭させる（イラスト：髙宫ミンディ／京都大学颈颁别惭厂）

ナノテクノロジーと量子线を组み合わせた治疗は、再生医疗などにも応用できる可能性を秘めています。ナノテクノロジーは、化学、工学、生物学などの复合的な知见が融合した研究分野。进展には分野の枠を超えた议论と、他分野への深い理解が不可欠です。京都大学にはそれができる豊かな土壌があります。「量子线治疗」を切り拓く知恵は京都大学から生まれる。そう确信しています。