原子を利用して光を制御すれば、量子力学の世界が見えてくる！

原子を冷却して、光を操る

室温では、気体原子は数百m/s程度、音速くらいの速さで飛び回り、いろいろな波長の光を吸っています。しかし、絶対零度近くまで冷却すると、原子はほぼ静止状態になり、特定の波長の光のみを吸うようになるため、その波長の光を当てれば原子内部の電子の軌道を制御することができます。
逆に言えば、冷却された原子では、電子がエネルギーの高い軌道から低い軌道に移りエネルギーを失うときに吐き出される光の波長が指定されるということになり、このことを利用すれば原子から特定の波長の光を取り出すことができます。

光の粒子が利用できると生まれる新しい技術

原子を用いた光の操作は、光の粒、一粒一粒を取り出す技術の開発につながります。この光の粒を「光子（こうし）」と言い、一粒単位で自在に取り出せるようになると、量子計測や量子コンピュータ、量子暗号通信の技術を実現するのに役立ちます。
例えば量子暗号通信において、光子の一粒一粒に情報をのせて通信するとします。すると、誰かが光子を盗み取って内容を見た後、ひそかにまた元に戻すことはできません。なぜなら、状態が確定していない光子にのせて運んでいた情報は、誰かが見た瞬間に光子の状態が確定することで変化してしまうからです。つまり、量子通信では、情報を盗み見た瞬間にその事実が記録されてしまうのです。

何もないところに何かある！　量子力学の世界

量子力学の世界ではほかにも、古典力学では考えられない不思議な現象が見られます。その一つに、光子が0個の場合でも、光子1/2個分のエネルギーが存在するということがあります。つまり、何もないはずの空間にエネルギーが存在しているのです。そこで、反射率の高い鏡と鏡を向かい合わせて光がその間で往復してほとんど漏れ出さない空間（光共振器）をつくると、光子を取り除いても、まるで光がそこにあるかのような現象が観察できます。こういった量子力学の不思議さをうまく使えれば、今まで難しいとされていたさまざまな技術が実現可能になるかもしれません。

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電気通信大学情報理工学域 III類（理工系）物理工学プログラム准教授丹治はるか先生

興味が湧いてきたら、この学問がオススメ！

光科学、物理工学、応用物理学

メッセージ

実は私は、高校生のときには物理学にそれほどは興味がありませんでした。しかし、大学に入って量子力学の不思議な世界を知った途端、どんどん興味を引かれていきました。
今あなたが興味のあるものは、すでに知っている身近な世界のものがほとんどだと思います。しかし大学には、物理や英語、数学といった科目で形成される高校での勉強のイメージとは違った、多様な学問の世界が広がっています。ですから、いろいろなところにアンテナを張って、いろいろなものを見聞きすることで、本当に興味の持てる面白いものを見つけていってください。

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電気通信大学は、東京にある理工系国立大学で、「工学」と「理学」のうち、特に情報分野および理工分野を核とした教育研究を行っています。先端科学技術を支える全分野、例えば、情報、通信、電子、知能機械、ロボティクス、光科学、物理、量子、化学、物質、生命などの分野を網羅しています。社会で活躍する人材の育成をめざし、ものづくりに意欲を燃やす学生の期待に応える教育環境を提供します。