2025年のノーベル物理学賞は、「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」に携わった三氏に与えられました。量子トンネル効果とはなにか、それが巨視的に現れることの意義はなにか、さらにエネルギー量子化が何を意味するのか？これらに関して解説するとともに、現代の量子技術との繋がりについても紹介します。

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過去20年余にわたる極短パルスレーザーの技術革新により、アト秒領域（1アト秒＝10の-18乗秒）の超高速光科学（アト秒科学）が急速に進展し、2023年のノーベル物理学賞がアト秒科学の実験的手法を考案した三氏（Pierre Agostini, Ferenc Krausz, Anne L’Huiller）に授与された。本講義では、ここに至るまでのレーザーの技術革新と超高速光科学の進展を概説し、アト秒科学の最前線を紹介する。

近年、量子コンピューターなどの量子情報技術が急速に発展しており、科学技術に新たなブレークスルーをもたらす可能性が期待されています。その基盤となる量子力学の原理に従うと、古典力学的な直感に反する非局所的な相関であるエンタングルメントを作ることができます。本講義では、2022年のノーベル賞の対象となった「エンタングルした光子によるCHSH不等式の破れの検証と量子情報科学の開拓」について説明します。

地球の気候はどのように決まり、どのように変動しているのか、また将来どうなるのかを考えるには何が必要でしょうか？地球の気候は、大気や海洋、陸面の様々な物理過程が相互に影響を及ぼしながら１つの超複雑系を形作っているため、個々の要素を支配する物理プロセスを理解するとともに、それらの相互作用も考慮する必要があります。2021年のノーベル物理学賞を受賞された眞鍋淑郎先生は、このような複雑系に対して大胆な仮定を入れながらその本質を明らかにする研究を続け、今日の気候変動・変化の予測を実現する土台を構築しました。その一部を含め、気候を物理的に理解することについて考えます。

2020年のノーベル賞は、ブラックホールの存在を理論的及び観測的に証明した業績に対して送られました。何でも吸い込むと思われているブラックホールですが、そこから高速のプラズマがジェット状に噴き出したり、X線で明るく輝く円盤をまとったり、合体する際に重力波を放ったりするなど、激しい高エネルギー現象を伴って観測されています。本講義では、宇宙の夜明けから現在までに至るブラックホールの生成と活動について紹介し、それらを電磁波に限らず、ニュートリノや重力波で探る最先端研究についてお話しします。

重力波は「アインシュタインの100年の宿題」といわれ、理論から100年かかった文字通りの「世紀の大発見」である。4km のアームがわずか 10^-16cm 伸び縮むするというごくわずかな効果をレーザー干渉計で検出に成功した。重力波自身の発見も大きな成果だが、重力波を使った天文学という新たな分野を拓いた。具体的にはブラックホールの連星が合体する例を多数観測、また中性子星の連星の合体により元素合成が起きることも証明した。これらの成果について解説する。

宇宙のはじまりに起こったとされるインフレーションと呼ばれる加速膨張、宇宙の構造形成を支配するダークマター、現宇宙の加速膨張を引き起こしている謎のエネルギーであるダークエネルギー、そして通常の物質から構成される宇宙の標準模型が、ΛCDMモデルである。このΛCDMモデルは、宇宙観測のさまざまなデータを驚くほど高い精度で説明することに成功している（Jim Peebles：2019年ノーベル物理学賞）。本講義では、この宇宙の標準理論について概観したい。

Topology, a mathematical concept describing how resilient shapes are when continuously deformed, has opened up a new age of quantum materials research. Traditionally, the classification of phases and phase transitions is based on Landau’s theory of spontaneous symmetry breaking. This theory beautifully explains a zoo of phenomena, from boiling and freezing of water to exemplary quantum phases such as superconductivity and superfluidity. Nevertheless, a class of “exceptions” —topological phases — reveals the limitations of this framework. A well-known example is the quantum Hall effect (QHE), the discovery of which was awarded the Nobel Prize in Physics in 1985. In the QHE, the transition between electron states with discrete Hall conductance values takes place without breaking symmetry. Further research has shown that topological phases arise from the “shape” of the electron band and are safeguarded by the material’s inherent symmetries, which makes topological phases impressively stable against defects and disorders. By using topology as a new guidebook, a paradigm shift has occurred in designing and classifying quantum phases, leading to the discovery of a new stream of states of matter, such as topological insulators and Weyl and Dirac semimetals. These novel topological states are not only of fundamental interest, but many hold great potential for driving next-generation technologies such as high-speed, energy-efficient data processing systems and quantum computing. The discovery of topological phases was awarded the 2016 Nobel Prize in Physics owing to their key role in redefining the course of physics research. In this lecture, we will explore the basic physics of topological materials and the unique properties that distinguish them from traditional materials. We will also examine how topological properties have transformed previously overlooked antiferromagnets into promising candidates for information processing applications.

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2012年のノーベル物理学賞は「個別の量子系の計測と操作を可能にした画期的な手法の開発」に与えられました。本講義では、まず量子測定に関する基礎理論について説明します。次にこの理論をノーベル賞の対象にもなった共振器QEDの光子非破壊測定に適用し、量子測定理論が実験をどのように精緻に説明するかを理解することを目指します。量子多体系と量子測定に関する最近の発展にも時間が許せば触れる予定です。

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