2025年のノーベル物理学賞は、量子力学と電気回路の境界を切り開いた画期的な研究をした3名に授与されました。

受賞理由は「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量子化の発見」

一見すると難しそうですが、実は現代の量子コンピュータの基礎をつくった、とても重要な研究です。

この記事では、

• 受賞の理由の意味
• 実験の内容
• 受賞者の紹介
• 今後の応用（量子コンピュータなど）

を高校生でもわかるように解説します。

1.受賞理由『巨視的量子トンネル効果とエネルギー量子化』とは？

以下では、「受賞理由：巨視的量子トンネル効果とエネルギー量子化を、高校生にも理解できるように、しかし本質は正確にまとめて解説します。

1-1.量子のトンネル効果とは

量子の世界では、粒子が本来越えられないはずのエネルギーの壁をすり抜けることがあります。

これを量子トンネルと呼びます。

通常は電子などの極小の粒子でしか観測できません。

1-2.巨視的量子トンネルとは？

今回の研究がすごいのは、

手のひらサイズの電気回路全体が量子トンネルをおこしたという点です。

つまり、電子1個ではなく、

電流という巨視的な量が壁をすり抜けた

ということ。

これは量子力学が『どこまで大きな物質に適用できるか？』という長年の問いに答える成果でした。

1-3.エネルギ―量子化とは？

超電導回路を極低温に冷やすと、

回路のエネルギーが原子のように飛び飛びの値しか取れないことがわかりました。

これは、

『電気回路が人工原子のように振る舞う』

という驚くべき発見です。

2.実験内容：どうやって量子現象を電気回路で観測したのか？

研究者たちは1980年代に、以下のような実験を行いました。

2-1.超電導ジョセフソン接合を使った回路を作成

ジョセフソン接合とは、超電導体—絶縁体—超電導体という構造を持つ特殊な素子。絶縁体があるのに電流が流れるのは、“クーパー対がトンネル効果で絶縁体を通り抜ける”ためです。

2-2.回路を超低温（数ｍK）まで冷却まで冷却

（1ｍK（ミリケルビン）＝1/1000K（ケルビン））

極低温にすると、回路全体が1つの量子状態として振る舞います。

2-3.マイクロ波を照射してエネルギー順位を測定

すると、

特定の周波数でのみ吸収が起きる

➡エネルギーが量子化されている証拠。

2-4.電流の向きが突然切り替わる現象を観測

本来ならエネルギー障壁を越えないと変わらないはずの電流の向きが、外部エネルギーなしで突然反転。

これは、

『回路全体の量子状態がトンネルした』

ことを意味します。

3.受賞者の３名の研究者紹介

彼らの研究は、量子コンピュータや量子暗号、量子センサーなど、次世代量子技術の基礎を築いたと評価されていいます。

ジョン・クラーク（John Clarke）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

カリフォルニア大学バークレー校名誉教授

• 超電導量子干渉（SQUID）の研究で世界的に知られる物理学者。
• 1980年代、若き日のデヴォレ、マルティニスとともに、電気回路が量子力学的に振る舞うことを実験的に証明した中心人物。
• 巨視的量子トンネル効果を示す実験を主導し、量子現象が「原子レベル」だけでなく「人間が扱えるサイズの回路」でも起きることを示した。

ミシェル・H・デヴォレ（Michel H. Devoret）

イェール大学　名誉教授/カリフォルニアバーバラ校　教授

• 量子電子工学（quantum electronics）の第一人者。
• クラーク研究室でポスドクとして研究し、巨視的量子トンネル効果の実証に大きく貢献。
• その後も超電導量子ビット（transman qubit）の開発など、量子コンピュータの実用化に直結する研究を牽引。

ジョン・M・マルティニス（John M.Martinis）

カリフォルニア大学サンタバーバラ校　名誉教授

• クラーク研究室で博士課程学生として研究を開始し、巨視的量子トンネル効果の実験に参加。
• 超電導量子ビットの開発で世界的に知られ、Googleの量子超越実験（2019）を率いたことでも有名。
• 受賞理由となった研究では、電気回路におけるエネルギー順位の量子化を明確に示し、量子コンピューターの基礎を築いた。

4.今後の応用：量子コンピュータの基盤技術に

今回の研究は、超電導量子コンピュータの原理そのものを作ったといわれています。

4-1.超電導量子ビット(qubit）

• エネルギー量子化➡0と1の量子状態を作れる
• 巨視的量子トンネル➡状態遷移の仕組みになる

4-2.量子センサー（SQUID）の高性能化

超高感度の磁場センサーとして医療・地質調査に応用。

4-3.量子通信・量子暗号

量子状態を扱う技術の基礎として発展。

4-4.量子シミュレーション

化学・材料開発の革新につながる。

まとめ：2025年ノーベル物理学賞は量子技術の未来を切り開いた

• 電気回路で量子現象を実証した歴史的研究
• 巨視的量子トンネルとエネルギー―量子化を観測
• 受賞者3名は量子回路研究のパイオニア
• 量子コンピュータの基礎技術として極めて重要

この研究がなければ、今の量子コンピュータ開発は存在しなかったと言っても過言ではありません。