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量子論

実現するのは100年後のはずだった...国産量子コンピューター誕生!光量子「重ね合わせ」を利用

初の国産量子コンピューター 無料公開へ

 今年2017年秋9月22日、東京大学の古澤明教授と武田俊太郎助教授は、大規模な汎用量子コンピュータを実現する方法として、1つの量子テレポーテーション回路を無制限に繰り返し利用するループ構造の光回路を用いる方式の発表をした。

 これまで量子コンピュータの大規模化には多くの技術課題があったが、発明した方式は、量子計算の基本単位である量子テレポーテーション回路を1つしか使用しない最小規模の回路構成であり、「究極の大規模量子コンピュータ実現法」だという。

 11月20日、この方式を使った「量子コンピューター」の初の国産機の開発に成功したと国立情報学研究所やNTTなどのチームが発表した。複雑な組み合わせを解く問題でスーパーコンピューターの100倍のスピードを発揮したという。世界中の研究者が利用できるようインターネット上で無料公開するという。


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光で磁石の性質が消える?レーザーで電子スピンの配向を制御できる「スピントロニクス」の可能性

 スピンとは何か?

 粒子の磁気にかかわる量。角運動の一種で、「自転」のイメージでとらえるとわかりやすい。電子だけではなく、さまざまな素粒子や原子核にもスピンは存在している。

 電子のもつ「電子スピン」で説明すると、地球の自転のように高速回転する電子の姿で考えるとわかりやすい。だが、このイメージは電子スピンを考えるのに便利ではあるが、スピンの本当の姿を捉えたものとはいえない。コマなどの回転(自転)と電子などのスピンとの違いについて、結論だけを先に見ておこう。

 コマの場合、はじめの力の入れ具合でいろいろな速度で回転させることができる。つまり角運動量はどんな値でもとることが許されている。また、しだいに回転速度が遅くなるにつれてコマの配向(回転軸の向き)は変化していく。これは摩擦などの影響のせいだが、とにかく重要なのは、コマの角運動量の大きさや配向は自由にとることができる。


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ブラックホールが「ガス流」で成長、ブラックホールが「光の力」で抑制される仕組みを解明!

 成長するブラックホール

 宇宙では謎の現象があちこちで起きている。その中でもブラックホールの存在は謎そのものだ。極めて高密度かつ大質量で、強い重力のために物質だけでなく光さえ脱出することができない。

 2012年11月、宇宙観測史上最大かもしれない超大質量ブラックホールを2億2000万光年離れた小さな銀河「NGC 1277」の中心部に発見したことを、米天文学者らが発表した。質量は太陽の170億倍で、銀河の7分の1を占めるという。

 なぜそんな巨大なブラックホールが存在するのであろうか?

 ブラックホールは周りの天体を飲み込み、時にはブラックホール同士が合体して巨大なブラックホールは形成されていく。


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「量子コンピューター」実現へ、光量子の光ループ方式を発明!量子アニーリング方式に対抗

 量子コンピューターのしくみ

 量子コンピューターといえば、量子力学の原理を情報処理に応用するコンピュータで、極微細な素粒子の世界で見られる状態の重ね合わせを利用して、超並列的に計算を実行するコンピュータである。

 原子の内部構造のような極めて微細なスケールの世界は、物体に働く古典力学とは原理の異なる量子力学が支配している。素粒子の状態を表す属性は、複数の状態が同時に実現している「重ね合わせ」という状態にある。これを「量子ビット」(qubit:quantum bit)と呼ばれる情報の表現として利用することにより、並列的な計算を実現するというのが量子コンピュータの基本的な原理である。

 従来の計算機は1ビットにつき、0か1のいずれかの値しか持ち得ないのに対して、量子コンピューターでは量子ビット (qubit; quantum bit) により、1ビットにつき任意の割合で重ね合わせて保持することが可能である。 n量子ビットあれば、2のn乗の状態を同時に計算できる。理論上、現在の最速スーパーコンピュータで数千年かかっても解けないような計算でも、例えば数十秒といった短い時間でこなすことができる。


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ニュートンもびっくり!量子力学の世界では等速直線運動せず!慣性の法則が破れている?

 慣性の法則と量子力学

 慣性の法則(Inertia)といえば、外から力が作用しなければ、静止している物体は静止を続け、運動する物体は等速度運動を続けるという法則。ニュートンの運動の法則の1つで,運動の第一法則ともいう。運動の現状をそのまま保持しようとする物体の性質を慣性という。

 量子力学(Quantum mechanics)は、一般相対性理論と同じく現代物理学の根幹を成す理論として知られ、主として分子や原子、あるいはそれを構成する電子など、微視的な物理現象を記述する。 量子力学自身は前述のミクロな系における力学を記述する理論だが、取り扱う系をそうしたミクロな系の集まりとして解析することによって、ニュートン力学に代表される古典論では説明が困難であった巨視的な現象についても記述することができる。


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「電気抵抗は太さに反比例する」と逆の理論発見!電子の「超バリスティック流動」とは何か?

 「ICBM」大陸間弾道ミサイル

 北朝鮮の開発した大陸間弾道ミサイル。英語では「ICBM」つまり intercontinental ballistic missile の略語が使われている。

 「ICBM」の「B」は「ballistic」・バリスティックを意味する。これは「弾道」と訳されている。

 物理学の世界でもバリスティックという言葉が使われている。それは「バリスティック流動」という言葉で、これは直訳すれば「弾道流動」ということになるが「非常によく流れる」という意味である。


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超伝導の常識を覆すレアアース(CeCu2Si2)発見!BCS理論や磁気的ゆらぎに関係しない第3の超伝導

 超伝導の起きる理由「BCS理論」と「磁気的ゆらぎ」

 超伝導(superconductivity)とは、特定の金属や化合物などの物質を非常に低い温度へ冷却したときに、電気抵抗が急激にゼロになる現象。1911年、オランダの物理学者ヘイケ・カメルリング・オンネスにより発見された。

 超伝導が起きる理由としては、BCS理論がある。BCS理論では電子-格子相互作用を介して電子同士がフォノンを仮想的に交換(或いはフォノンを介して運動量を交換)することによって、電子同士に引力が働くと考える。この引力によって生じる電子対(スピンは互いに逆向き、かつ対の全運動量がゼロ)をクーパー対(クーパーペア)と言う。

 ところが、従来の超伝導体では、このBCS理論によって超伝導が引き起こされることが確立しているが、銅酸化物超伝導体や鉄系超伝導体などでは従来の発現機構では説明がつかず、これらの非従来型超伝導の発現機構の解明は、物性物理学における大きな課題の一つとなっている。


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真空は真の空ではなかった?未発見の量子効果「真空の複屈折」を中性子星の周りで初観測!ハイゼンベルグが予言

 真空は本当に何もない状態か?

 真空とは何だろうか?古典論において、真空は「何も無い状態」である。しかし、本当に何もない状態があるのだろうか?量子論における真空は、決して「何もない」状態ではない。例えば常に電子と陽電子の仮想粒子としての対生成や対消滅が起きている。

 また、最近ではヒッグス粒子がこの世界を一様に覆っているため「質量」が存在することが証明されたが、そう考えると、真空中でもヒッグス粒子は存在する。 ポール・ディラックは、真空を負エネルギーを持つ電子がぎっしりと詰まった状態(ディラックの海)と考えていたが、後の物理学者により、この概念(空孔理論)は拡張、解釈の見直しが行われている。

 今回、強力な磁場を持つ超高密度天体である中性子星の観測から、80年前に予測された量子効果「真空複屈折」の証拠となる現象が初めて観測的に示されたとする研究成果が発表された。


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ついに光から物質ができちゃった?光子と人工原子から成る安定な分子状態を発見!量子技術分野に応用可能

光子は力を媒介とするゲージ粒子

 光の粒子「光子」。光の実体を「粒」とする粒子説と「波」とする波動説の論争は、干渉実験などで波動説が優位に立ったが、1905年、A.アインシュタインは、光を受けた物質が電子を出す光電効果を、光を1粒、2粒と数える光量子の考え方で説明した。量子力学は「光は粒子であり、波である」とみる。1粒のエネルギーは、振動数ν(ニュー)の光でhν(hはプランク定数)。質量はゼロ。スピンは1。

 光子はまた、力を媒介する基本粒子(ゲージ粒子)としての性質がある。例えば物質に力を加えると物質内の電子が移動する。それが元に戻ろうとするときに光子を生じる。核分裂反応や核融合反応では、粒子と粒子がぶつかり合い、新しい元素が多量に生じる。この時、電子の位置が激しく遷移するので光子も多量に発生する。これが太陽エネルギーの源である。

 これまで、物質から光子を取り出すことはできたが、光子から物質を造ることには成功していなかった。今回、国立研究開発法人情報通信研究機構(NICT)は、日本電信電話株式会社(NTT)、カタール環境エネルギー研究所(QEERI)と共同で、超伝導人工原子とマイクロ波光子の相互作用の強さを系統的に変え分光実験を行った結果、人工原子に光子がまとわり付いた分子のような新しい最低エネルギー状態(基底状態)が存在することを発見した。


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宇宙に存在する不思議な天体「99.99%がダークマターでできた銀河」発見!ダークマターの正体は?

宇宙は不思議で満ちている

 宇宙は不思議で満ち溢れている。まず、宇宙に果てがあるのかないのか、宇宙はどのような構造になっているのか分かっていない。

 宇宙には謎の天体や謎の現象がたくさんある。太陽が燃えている現象「核融合」。理屈は分かっているのだが、地球上ではなかなか再現できない。これができればエネルギー問題は解決するかもしれない。

 超新星爆発や、ブラックホール、本当にそんな質量になるのか?と思ってしまう白色矮星や中性子星、そして重力レンズ効果、ニュートリノや重力波が観測されたのも宇宙だ。


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「反物質」が消えた謎に迫る手がかり発見か?ニュートリノと反ニュートリノ に「CP対称性の破れ」

 反物質とは何だろう?

 反物質とは、質量とスピンが全く同じで、構成する素粒子の電荷などが全く逆の性質を持つ反粒子によって組成される物質。例えば電子はマイナスの電荷を持つが、反電子(陽電子)はプラスの電荷を持つ。中性子と反中性子は電荷を持たないが、中性子はクォーク、反中性子は反クォークから構成されている。

 反物質は、ダン・ブラウンの小説「天使と悪魔」で、ごく微量でも大規模な爆発を起こす爆弾の材料として登場する。反物質と物質が衝突すると対消滅を起こし、質量が大量のエネルギーとなって放出される。例えば、1gの質量は約 9×10000000000000(90兆)J(ジュール) のエネルギーに相当する。ただし 発生するニュートリノが一部のエネルギーを持ち去るため、実際に反物質の対消滅で発生するエネルギーは、これより少なくなるといわれる。

 反物質についての一番の謎は、宇宙が誕生したときの「ビッグバン」でできた「物質」と反対の性質をもつ「反物質」が、なぜ「反物質」の方だけ、ほとんど消えてしまったかがわからないということである。


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世界初!白色矮星のパルサー発見!白色矮星が赤色矮星を「攻撃」する奇妙な連星

奇妙な連星を発見

 連星(binary star)というと、2つの恒星が両者の重心の周りを軌道運動している天体である。通常は明るい方の星を主星、暗い方を伴星と呼ぶ。また、3つ以上の星が互いに重力的に束縛されて軌道運動している系もある。

 夜空に輝いている星のうち約25%、生まれたばかりの星については半分以上が連星だといわれている。つまり、宇宙にある恒星は、誕生の時点では半分以上、成熟した時点でも4分の1くらいが連星系をなしているという。最近は連星の中でも惑星が存在することが明らかになっている。2つの恒星がペアを成す連星の周囲を公転する惑星を「周連星惑星」という。

 今回、また変わった連星が発見された。それは白色矮星と赤色矮星の連星で、光速に近い電子のビームを白色矮星が相棒の赤色矮星に向けて放ち、まるでむちで攻撃しているかのような様子が明らかになった。「さそり座AR星」という。どんな連星だろうか?


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自然界の第5の力、発見か?「ダークフォトン」を探す実験で、異常な放射性崩壊を発見!

 4つの力とは何か?

 自然界にたくさんある力はすべて、4種類の力のいずれかに分類することができる。その4つの力とは「重力」「電磁力」「弱い力」「強い力」である。それぞれの力には、その力を媒介する(伝える)粒子があり、それをゲージ粒子という。

 4つの力を説明していくと、まず「重力」は、あらゆる粒子に働く力である。日頃、私たちも重力の影響を受けているが、この力は、他の3つの力に比べて非常に弱いものだ。ニュートンの発見した「万有引力の法則」は、この重力の法則である。重力のゲージ粒子は、重力子(グラビトン)とされるが、これは未知の素粒子である。

 次に「電磁力」は、電気をおびた粒子に対して働く力である。原子同士を結んで分子をつくったり、原子核と電子を結びつけて原子をつくったりする。 マクスウェルの電磁気学は、この力を理論化したものだ。電磁力のゲージ粒子は、光子(フォトン)である。


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銅酸化物高温超伝導体のメカニズムを発見! 隠れ電子のつくる「複合フェルミオンペア」

 超電導とCBS理論

 超電導といえば、物質を低温に冷やすと電気抵抗が0になる現象である。1911年、カマリン・オンネスによって発見された、その後多くの研究者の注目を浴び、数多くの実験的、理論的研究がなされた。しかしながら、実験面では多くの成果が得られた半面、理論的な面での解明は遅々として進まなかった。

 1950年には超伝導体の同位体で転移温度が異なることが発見された。これに着目したJ.バーディーン(当時、ベル研究所、のちにイリノイ大学教授)は、直感的にフォノン(抵抗の微視的単位)に超伝導の原因があるとし、研究を進めた。

 1956年バーディーンがイリノイに招聘したL.クーパーが、フォノンを媒介とする電子対ではエネルギーが下がることを発見した。続いて、J.バーディーン教授の大学院生であったJ.シュリーファーが超伝導状態を表す波動関数を導いて、解明の土台を築いた。


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グーグルとNASAが「量子コンピュータ」をすでに開発していた!想定外のシステム「量子アニーリング」

 量子コンピュータがすでに完成?

 今年の初め、ネットに驚くべきニュースが流れた。その一つが「重力波が発見されたかもしれない」というものだった。もう一つは「グーグルとNASAが量子人工知能を開発」したというものである。

 カナダのD-Waveという会社がつくった量子コンピュータで、その速さは、既存のパソコンの1億倍の速度があるという。D-Waveは、グーグルとNASA、ロッキード・マーティン社などが共同して設立した会社である。

 量子コンピューターといえば、既存のパソコンと違う計算方法を使って計算速度を速めるため、「未来のコンピューター」として期待されてきた。


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理研、陽子内部の「グルーオン」の向きを精密測定!素粒子「グルーオン」とは何か?

 注目される素粒子物理学

 梶田隆章氏が「ニュートリノ」に質量があることを発見してノーベル賞を受賞してから、素粒子の世界が注目されている。そういえば2013年のノーベル物理学賞も「ヒッグス粒子」の発見であった。

 物理学において素粒子(elementary particle)とは、物質を構成する最小の単位のことである。つまり、素粒子とは「物質を細分化していって、最後にたどりつく究極の粒子」のことである。

 かつては原子を「アトム」つまり究極の物質と考えていた。 だが原子は原子核と電子で構成され、さらに原子核は陽子と中性子に分けられる。


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スピンを操作して、質量のないディラック電子に質量を与えることに成功!

 注目される素粒子物理学

 梶田隆章氏が「ニュートリノ」に質量があることを発見してノーベル賞を受賞してから、素粒子の世界が注目されている。そういえば2013年のノーベル物理学賞も「ヒッグス粒子」の発見であった。

 最近、日本で初めて造ったことが認められた「113番目の元素」もそうだ、この元素は加速器を使い、原子番号30番の亜鉛と83番のビスマスの原子核をぶつける方法でつくられた。しかし、せっかくつくった元素も、放射線を出してすぐに崩壊してしまう。

 素粒子の世界では、不思議なことがたくさん起こる。これらを、昨年亡くなった南部陽一郎氏は「自発的対称性の破れ」という理論で説明した。


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これは驚いた!猛毒硫化水素が、-70℃で超伝導に!高温超電導物質の最高記録を更新

 硫化水素の不思議

 硫化水素(hydrogen sulfide)というと化学式 H2S をもつ硫黄と水素の無機化合物。無色の気体で、腐卵臭を持つ。目、皮膚、粘膜を刺激し、空気中にわずか 0.1~0.2 %存在するだけで、ヒトは即死する有毒な気体である。

 悪臭防止法に基づく特定悪臭物質のひとつになっている。噴火口や硫黄泉などの臭いが「硫黄の臭い」と形容される場合があるが、硫黄は無臭であり、これは硫化水素の臭いをさしている。また硫化水素は独特の臭気があるが嗅覚を麻痺させる作用もあり、高濃度で匂いを感じなくなる。従って濃度が致死量を超えていても嗅覚で知覚できないケースもある。知らずに近づいた登山者やスキー客・温泉客が死亡する例も見受けられる。

 しかし、意外なことに最近は硫化水素の健康作用が報告されている。硫化水素は腎臓で作られ、血管の掃除、炎症の軽減、高血圧の緩和など体内のいろんな部分で様々な重要な役割を果たす。硫化水素には、抗酸化作用もあり、老化や加齢疾患に対抗するための非常に有効な武器となるという。


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ダークマターの正体は中間子か?新理論で南部・湯川粒子と酷似するSIMP粒子

 ダークマター(暗黒物質)の正体に新説

 宇宙の80%を占める存在、ダークマターの正体は謎である。

 ダークマターの正体については、ブラックホールや惑星などの天体説、ニュートリノ、ニュートラリーノ、アキシオン、ミラーマター、グラビティーノなど様々な粒子説があげられている。 今回、東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙機構(Kavli IPMU)の研究チームが新しい説を提唱した。それはSIMPという粒子。

 これまで、ダークマター同士は互いをすり抜け反応しないと考えられていたが、SIMP粒子は、パイ中間子が相互作用するのと同種の強い相互作用をする。


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素粒子理論の巨人、南部陽一郎さん逝く ひも理論、量子色力学、自発的対称性の破れなど

 「物質の根源」生涯追う 素粒子理論リード

 20世紀の素粒子理論をリードし、「物理学の予言者」と呼ばれた米シカゴ大名誉教授の南部陽一郎さんが7月5日に死去した。「モノにはなぜ質量があるのか」――。物質の根源を問うテーマを、生涯追い続けた。

 「質量の起源」を解き明かすため、1960年代初めに「自発的対称性の破れ」というアイデアを提唱。素粒子理論の世界にとどまらず、ほかの物理にも大きな影響を及ぼした。

 ノーベル賞を受賞したのは2008年、87歳のときだった。同時受賞した京都産業大教授の益川敏英さんは受賞後の会見で「これまでずっと仰ぎ見ながら研究してきた南部先生と一緒に受賞できるのは、最大の喜びです」と声を震わせ、涙をぬぐった。


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