こんにちは！以前の記事で、物理学の歴史を揺るがした「マクスウェルの悪魔」についてお話しました。

▼「マクスウェルの悪魔って何だっけ？」という方はこちら［【物理学のミステリー】マクスウェルの悪魔とは？「情報」がエネルギーに変わる魔法の正体］

マクスウェルの悪魔は、「分子の動きを見極めて、エネルギーを使わずに部屋を暖めたり冷やしたりする」という、魔法のような存在でした。しかし、この悪魔は最終的に「ある物理の法則」によって完全に論破されてしまいます。

その法則こそが、今回紹介する「ランダウア―の原理」です。

一見難しそうですが、実は私たちのスマホや、未来のコンピューターの限界にも深く関係している、とても刺激的なテーマです。物理の知識ゼロでも分かるように、噛み砕いて解説します！

1.　ランダウア―の原理とは？「情報を消すと熱がでる」

1961年、物理学者のロルフ・ランダウア―が提唱したこの原理を、一言でいうとこうなります。

「デジタルデータを1ビット消去するとき、どうしても避けることができない、最小限の熱が発生する」

「え？データを消すだけで熱がでるの？」と不思議に思いますよね。私たちは普段、パソコンのゴミ箱を空にしても、スマホの写真を消しても、端末が熱くなったとは感じません。それは、現代のコンピューターが未熟で、ランダウア―の限界よりも遥かに大量の熱を別な理由（電気抵抗）で出しているからです。

しかし、理論上、どんなに完璧な未来のコンピューターを作ったとしても、「情報を消去する」という行為そのものが、絶対に熱を生み出してしまうのです。

2.　なぜ情報を消すと熱がでるの？（部屋の片付けで例えてみた）

なぜ「消去」が熱になるのか、物理の「エントロピー（乱雑さ）」を部屋の片付けに例えて考えてみましょう。

状態Ａ：散らかった部屋（データが1か0か分からない状態）

　机の上に、ペンが右にあるか左にあるか分からない状態です。これが「データが書き込まれている状態」です。

状態Ｂ：きれいに片付いた部屋（データを［0］に初期化した状態）

散らかったペンを、すべて［右側］にきっちり揃えて片付けます。これがデータの「消去（初期化）」です。

ここで考えてみてください。部屋をきれいに片付ける（＝情報を綺麗に揃える）ためには、あなたが動いてエネルギーを使い、汗（熱）をかきますよね？

物理の世界でも全く同じことが起きています。バラバラだった情報（1か0）を、綺麗に一方に揃える（消去して0にする）という作業は、「乱雑だったものを無理やり整える」ということです。その代償として、必ず周囲に「熱」が放出される決まりになっているのです。

ここで前回の記事で紹介した「マクスウェルの悪魔」を思い出してみましょう。

悪魔は、分子の動きをじっと見て、タダで部屋を片付けている（熱の同調を起こしている）ように見えました。「エネルギーを使わずに仕事ができる、永久機関の誕生？」と誰もがおもいました。

しかし、ランダウア―の原理がすべてを解決します。

❶.　悪魔が分子の動きを見極めるとき、悪魔の頭（メモリー）には「分子のデータ」はドンドン溜まります。

❷　.悪魔の頭の容量は無限ないので、次の仕事をするためには、古い記憶を消去しなければなりません。

➌　記憶を消去するとき、ランダウア―の原理によって「熱」が発生します。

結局、悪魔がサボって得たエネルギーよりも、記憶を消すときに出る熱（エネルギーのロス）の方が大きくなってしまうのです。のこうして、マックスウェルの悪魔は完全に論破されました。

4.　私たちの未来とランダウア―の原理

「でも、それってただの物理の理論でしょう？」と思うかもしれません。

実は、これは現代シリコン半導体（CPU）の限界に直結しています。

いま、AIの進化などでコンピューターの計算は爆発的に増えています。スマートフォンのチップもどんどん小さくなっていますが、これ以上小さくして計算を増やすと、「データを書き萎える（消去する）ときの熱」でチップが溶けてしまう限界がいずれやってきます。これが「ランダウア―の限界」です。

4-1.　限界を超える「量子コンピューター」

この限界を突破するために研究されているのが、量子コンピューターや可逆計算という技術です。「情報を消去するから熱が出るなら、情報を一切消去せずに、すべての計算を逆再生できるようにすれば熱が出ないのでは？」という、これまた逆転の発想から生まれた未来の技術です。

まとめ：情報は「形のない熱」である

今回のポイントをまとめます。

ランダウア―の原理：情報を消去するとき、必ず最小限の熱が発生する。

なぜ？：乱雑な状態を1つに綺麗に揃えるには、物理的なエネルギーの代償（熱）が必要だから

悪魔との関係：マクスウェルの悪魔は「記憶を消すときの熱」のせいで、永久機関になれなかった。

「情報」という目に見えないものが、実は「熱」という物理的な実態とガッチリ結びついているなんてロマンがありますよね。

「もしも、電気代がタダになるエアコンがあったら…」なんて妄想をしたことはありませんか？

実は150年以上前、天才物理学者たちが大真面目に「エネルギーを一切使わずに冷暖房を行う方法」を議論していました。その中心にいたのが、科学史上最も有名で、今なお愛され続けるキャラクター、「マクスウェルの悪魔」です。

一見、おとぎ話のようですが、この謎が説き明かされたとき、私たちの誰もが持っている「あるもの」の価値がガラリと変わりました。この記事では、科学の知識がなくても絶対に分かるように、この悪魔の正体と、現代の最新テクノロジーに繋がる驚きの結末をスッキリ解説します！

1.　マクスウェルの悪魔とは？

「マクスウェルの悪魔」とは、1867年に物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルが提唱した、科学史上最も有名な「思考実験（頭の中で行う実験）」です。

彼は、私たちが暮らすこの宇宙の大原則をひっくり返すような、奇妙でおそろしい「ある可能性」を指摘しました。その謎を解き明かすために。まずは悪魔が挑んだ宇宙の絶対ルールから覗いてみましょう。

1-1.　熱力学第二法則とは

この世界のあらゆるものには、「放っておくと、必ずバラバラで乱雑な方向に向かう」という残酷なルールがあります。これを物理的では「熱力学第二法則（エントロピー増大の法則）」と呼びます。

例えば、以下のような現象はすべてこの法則のせいで起こります。

コーヒーとミルク

混ぜると「コーヒー牛乳」になりますが、放っておいて勝手に「コーヒー」と「ミルク」に分かれることはありません。

部屋の片付け

意識して片付けないと勝手に散らかりますが、自動的に元の綺麗な状態に戻ることはありません。

物理学では、この「散らかり具合」のことをエントロピーと呼び、宇宙は「放っておくとエントロピー（散らかり具合）が増える一方である（元には戻らない）」という、一方通行のルールを持っているのです。

1-2.　悪魔の登場

ところがマクスウェルは、「もしも、こんな存在がいたら宇宙のルールを破れるのではないか？」と考えました。それが「小さな悪魔」の登場です。

真ん中に仕切りのある箱を用意し、中に温度が均一な「ぬるい空気」と入れます。この空気の分子を顕微鏡で見ると、実は「ものすごく速く動く分子（熱い）」と「ゆっくりと動く分子（冷たい）」がゴチャゴチャに混ざり合っています（エントロピーが大きい状態です）。

ここに、分子の動きがすべて見通せる優秀な悪魔を配置します。

①見張る：悪魔は仕切りのドアの前に立ち、飛んでくる分子のスピードをじっと観察します。

②選別する：「速い（熱い）分子」が来たらドアを開けて右の部屋へ通し、「遅い（冷たい）分子」が来たらドアを閉めて左の部屋へ残します。

③逆手する：これを繰り返すと、外からの電気などのエネルギーを一切使っていなのに、右側はアツアツの部屋、左側はキンキンの部屋に分かれてしまいます。

「放っておけば混ざるはずのものが、悪魔の力で勝手にきれいに片付いた（エントロピーが減った）」。エネルギーを使わずに冷暖房ができるこの魔法のようなアイディアに、当時の科学界は「宇宙の法則がひっくり返る！」と大パニックになりました。

2.　マクスウェルの悪魔が破れた理由（「忘れる」ことの代償）

「ドアを開け閉めするだけならエネルギーは要らないはず。なぜこれが不可能なのか？」この謎は100年以上解けませんでしたが、20世紀半になって、ようやく悪魔の「弱点」が見つかりました。

結論から言うと、悪魔の正体は「超高性能なコンピュータ（情報処理機）」だったのです。悪魔が分子を右か左に分けるためには、その分子が「速いか・遅いか」というデータを記憶しなければなりません。しかし、次から次へと飛んでくる無数の分子をさばくうちに、悪魔の脳内メモリはいずれ満タンになってしまいます。仕事を続けるには、古いデータを「消去（リセット）」して隙間を作るしかありません。

ここで登場するのが、物理学の重要なルールである「ランダウア―の原理」です。

実は、「記憶した情報を消去するときには、必ず熱が発生する」という決まりがこの世界にはあります。

悪魔がせっせと分子を仕分けて部屋を冷やしても、「データを消去するとき（忘れるとき）にでる熱」のせいで、結局は部屋全体が温まってしまうのです。こうして、悪魔の企みは失敗におわり、宇宙のルール（熱力学第二法則）は守られました。

3.　「情報」は「エネルギー」である

悪魔は失敗しましたが、この議論は現代科学に信じられない大発見をもたらしました。それは、「情報（データ）には、物理的なエネルギーと同じ価値がある」ということです。

私たちが普段、スマホの写真を削除したり、パソコンのゴミを空にしたりする瞬間。目には見えませんが、物理の世界ではデータを消した代償として、わずかに熱が発生しています。

現在、世界中のデータセンターが大量の電力を消費して熱を出しているのも、根本をたどればこの「情報を処理・消去しているから」なのです。さらに驚くべきことに、最近のナノテクノロジーの研究では、このマクスウェルの悪魔を微小な世界で再現し、「データ（情報）を燃料にして動く、極小のエンジン」を作る実験まで成功しています。情報はただの数字の羅列ではなく、リアルなパワーを秘めたエネルギーそのものだったのです。

まとめ：あなたのスマホの中にも宇宙がある

一見、教科書の中だけの退屈なお話に見える物理の法則。しかし「マクスウェルの悪魔」の物語を知ると、私たちが毎日扱っている「デジタルデータ」が、実は宇宙のエネルギーと深く結びついていることが分かります。

次にスマホの不要なデータを削除するときは、「今、情報を消したから宇宙のエントロピーがちょっと動いたぞ」と、小さな悪魔のパタパタする姿を思い出してみてくださいね。

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。