測定技術を刷新する「量子赤外分光」

光は「光子」という量子の集まり。その不思議な性質を利用する測定技術が「光（ひかり）量子センシング」です。私が注力するのが、2016年に初めて報告された「量子赤外分光」。赤外線は物質の成分や分子構造の鑑定などに利用されますが、その生成には通常、高温の発熱体が必要になり、検出にも問題があります。量子赤外分光では、可視の光子と赤外の光子からなる「量子もつれ光」を利用して、可視域の光源と検出器による赤外分光を実現。2017年に学会発表を聞いた私は、測定装置の小型化・高性能化の道を拓くこの技術に、「これはほんものの新技術だ！」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進めていた私は、この技術をさらに発展できると確信。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、企業の協力も得ながら、従来の測定技術の限界を超えた計測デバイスの開発に挑んでいます。将来的には、スマホほどの小型デバイスで、大気や土壌などの環境調査や薬品の成分分析を可能にし、幅広い分野の測定技術を大きく前進できると考えています。

量子が秘める可能性は未知数

中高生の頃から相対性理論や量子の不思議に惹かれていた私にとって、湯川秀樹博士や朝永振一郎博士をはじめ、著名な物理学者を数多く輩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、量子力学の授業を受けたのは2回生の頃。大学院レベルの教科書を使用した授業でしたが、わくわくしながら受講したのを覚えています。

量子力学の魅力は、理論と応用が深いレベルで響きあうところ。「この世界はどうなっているのか」という本質的な探究が、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。量子の謎はまだまだ未解明。常識を塗りかえるような発見が、これからも私たちを驚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。一般には初公開の実験装置で、量子もつれのふしぎな現象をリアルに体験できる。

移ろいやすい量子状態を観測・制御する技術

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開発は、量子技術の発展に大きく寄与しました。量子は環境の影響を受けやすく、量子もつれなどの特性が現れる「量子状態」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計算機。長時間にわたる量子状態の保持が必須です。極低温まで冷却すれば、真空中に光で閉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運用が始まっていますが、高精度化や大規模化には多くの課題が残ります。とくに重要なのが「誤り耐性」。状態が不安定になりやすい量子を使う計算には、エラーが付きものです。エラーを直しながら計算を続ける「誤り耐性量子コンピュータ」の実現は、進歩の重要な鍵です。

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、イッテルビウムに適したレーザー冷却法を開発。これにより、量子コンピュータの構築に最適な原子の一つと考えられるまでに研究が進みました。世界最高の性能を示す量子コンピュータへの端緒を開くべく、研究を重ねています。

ほかにも、イッテルビウムを軸に、原子のエネルギーを高精度に測定する「量子計測」でダークマターなどの未知の物質の発見を目指したり、現在のコンピュータでは再現が難しい強く相互作用する粒子の集団のふるまいを、量子の性質を用いたマシンで予測する「量子シミュレーション」の研究も進めています。

浮世離れした量子のふるまいに惹かれて

日常的な感覚・現象とは相容れないふるまいをする量子の不思議に惹かれて40年以上が経ちます。とりわけ量子もつれの現象は、古典物理学の常識である「局所実在論＊」を実験で明確に否定するエキサイティングなもの。理論上だけでなく、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、そんな不思議な性質が、身の回りの技術を大きく進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間を待っています。

レーザー冷却に使用する装置

キーパーソン、仁科芳雄

私が専門とする科学史は、「科学」というものを自明視せず、時代ごとの社会や技術と分かちがたいその成立を追うことで、人類の歴史を左右してきた「科学」という営みの実態に迫る学問です。なかでも、日本に量子力学が移入され、現代物理学の発展の礎が築かれた20世紀を中心に研究しています。

私が重視する人物が、湯川秀樹と朝永振一郎が師と仰いだ仁科芳雄。「クライン＝仁科の式」などの業績でも知られますが、重要なのはその実践です。量子力学確立期のヨーロッパに留学した仁科は、帰国後、海外の著名な物理学者の招へいや理化学研究所（理研）での後進の育成など、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資料を調査するなかで出会ったのが、「環境が人をつくり、人が環境をつくる」という彼の言葉。戦後は理研の所長や日本学術会議の副会長を務めた仁科の実践は、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。ノーベル賞受賞者を多数輩出する日本の現代物理学の躍進は、こうした環境の上に花開いたものなのです。

科学史の方法論としての「伝記」

日本の科学史は科学者の思想を重視する傾向があり、学生の頃の私は仁科の実践の重要性に気づいていませんでした。見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、人間中心主義を脱し、研究環境や制度、実験装置の役割に着目する方法論が議論されていて、大きな衝撃を受けました。その方法論の一つが、著書『励起れいき』で採用した「伝記」。偉人の物語ではなく、周辺の人物や社会、環境をまるごと記述する方法論を学んだことで、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　仁科芳雄と日本の現代物理学』（みすず書房）。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。

科学という営みは時代とともに変化するもの。20世紀以降の物理学は、巨額の資金をかけて、集団で研究する巨大科学が主流となり、近年は企業との連携も盛んです。量子力学は、そんな時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、科学技術の危険性など、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視したいと思います。

＊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態から高い状態へと移行すること

黎明期に世界を牽引した京都大学の中性子捕捉療法

がんの放射線治療は変革期を迎えています。放射線治療の主流は、がん細胞にX線などの光子線を照射して、細胞を死滅させるもの。そして近年、飛躍的に進歩しているのが中性子捕捉療法です。薬剤を集積させたがん細胞に、原子炉や加速器で発生させた中性子線を照射して量子現象を起こすのです。進歩の鍵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、効率的にがん細胞まで届けられるようになったほか、新機能を備えた化合物が次々と生まれています。

京都大学には、中性子捕捉療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療が始まったばかりの1990年代、原子炉実験所（現・複合原子力科学研究所）は早々と脳腫瘍、頭頸部がんなどの治療に成功しています。抗がん剤治療の治療率が約20%だった時代に、50%以上の効果を叩き出す革新的な成果でした。

独自開発のナノ粒子がもたらす画期的な効果

大学院修了後に渡米してから40年間、分子生物学の視点で顕微鏡越しにがんを見つめてきました。始まりは生物学への興味でしたが、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。中性子捕捉療法の第一線を走る京大で、治療に寄与する研究に参加すべく、帰国を決めました。

独自のナノ粒子を開発し、様々な放射線・量子線と組み合わせることでがんの新たな治療法を探っています。2019年には、卵巣がんなどの細胞を消滅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、従来のようにがん細胞の外から量子線を当てて壊すのではなく、細胞内で量子線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細胞に運び、X線を当てると、ヨウ素から電子が飛び出し、がんのDNAを切断するのです。アインシュタインの光電効果を利用したドラマティックな現象で、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組織にX線を照射すると、ヨウ素原子は電子を放出してDNAを破壊。がん細胞を死滅させる（イラスト：髙宮ミンディ／京都大学iCeMS）

ナノテクノロジーと量子線を組み合わせた治療は、再生医療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、生物学などの複合的な知見が融合した研究分野。進展には分野の枠を超えた議論と、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。「量子線治療」を切り拓く知恵は京都大学から生まれる。そう確信しています。