カテゴリー: 物理

この間、ある方と量子コンピュータの話になったのですが、本や記事の説明があまりに専門的で分かりづらいと聞きました。

ネット、新聞やテレビでも昨今よく見る量子コンピュータですが、一般の人、特に文系といわれている人たちにわかりやすい説明がほとんどないのが現状でしょう。

そこで、今日は量子コンピュータが普通のコンピュータと何が違うのか、実現できると何がすごいのかを、わかりやすく説明できればと思います。

普通のコンピュータというのは、ノートパソコンのほか、スマートフォン、タブレット、家電製品のコントロールパネルなど大小考慮すると様々なところに使われています。

いわゆるデジタルといわれている部分です。デジタルというのは、０や１などの組み合わせで信号や操作をするシステムです。０１であれば電気のオン・オフで操作できるので、機械側からすると扱いやすくなります。

コンピュータというのは、そういうものの大きな集まりと考えるとよいと思います。

では、そういうシステムを作るのにどうするかというと、まず、ある程度の電子の集まりを扱える素子を用意します。これが、有名な半導体です。

いくつかの半導体をくっつけると、トランジスタやダイオードという「切り替え」に使われる回路の素子ができます。

それと他の回路、抵抗などを使って、０１を入力・出力できる回路を作ります。これをゲートといます。

そのゲートを多数用意してそれらを組み合わせることによってコンピュータができるのです。（現実はもっと複雑ですが、簡単に言うとこんな感じです）

結構、道のりが長いとお気づきになったのではと思いますが、これが普通のコンピュータです。

量子コンピュータというのは、その半導体、トランジスタやダイオード、ゲートなどの「中間管理職」を使わずに、電子などの量子的な性質を直接使ってデジタルのシステムを作ろうというものです。

つまり、流通経路がほぼ直なので、計算がひじょうに早くなるというのが量子コンピュータの仕組みなのです。

実際どうやってつくるの？となりますが、理論的には、電子などの物理的な性質を組み合わせてデジタル的なものを計算に利用する感じです。

現在もいろいろ進展しています。技術的にいろいろ大変なところもありますが、新たなものとして人類に何らかの成果は提供されることと思います。（１００％どうこうなるとは言えませんが）

大人のための家庭教師

2021年の物理学賞が発表されました。今回は複雑系への研究と貢献に対してですが、眞鍋淑郎氏、Klaus Hasselmann氏とGiorgio Parisi氏に授与されました。

以下、アメリカの雑誌、Physics Todayの記事をを参考にさせていただいて、こちらの独自目線も含めて解説します。

眞鍋氏は、太陽からの輻射、地球大気の対流、蒸気の潜熱などのパラメータが絡み合って実現する初期の天候モデルを発展させました。それによって1967年の炭酸ガスと地球表面温度の上昇を導き出しました。

それから約10年後、Hasselmann氏は、確率過程の天候モデルを作り、天気のゆらぎをノイズとしてとらえ、離散的な現象が天候に影響を与えることを示しました。

一方で、Parisi氏は、いわゆる「スピングラス問題」といってどのように磁気スピンが周りのエネルギー状態や幾何学的な状況によって、そのパターンが決まってくるかを研究していました。スピンとは磁気を帯びている物質の基本的な単位と思っていただけるとよいと思います。この研究結果が数学、生物、神経科学や機械学習の分野にも影響を与えました。

複雑系というのは、定式化することが難しいことで有名です。ただ単に、いろんなことが絡み合っているからというだけでなく、予測可能なモデルが作れるかが重要な点です。

そもそも物理科学における気象予報の始まりは、天文観測からですが近年では、ローレンツという物理学者が対流などを考慮したミクロなモデル、すなわち雲の動きを予測する方程式がはじまりでした。

しかしながら、それをコンピュータで解いてみてわかったのは、そもそも3日より先の天気は予測できないというものでした。

気象なども含めて地球全体の現象を予測するのは至難のワザなのですが、より使いやすく、より理論的な考察に富んだモデルによって長期的な予測ができるというのは、画期的なことになります。

先ほど言った通り、複雑系を逐次、正確に追うことは不可能ですが、確率的に予測できて長期的に十分、使用に耐えうるのであれば、人類の生活においても様々な点で貢献することになります。

また、地球上にあるものすべてが複雑系の要素を含んでいます。原子や分子などの構造、生物、動物、人間も含めて大なり小なり複雑系です。

逆にその複雑さを解明することによって、いろいろなものにある基礎的な原理が分かり、そこから人類に貢献できるようなものが生み出されるというものも興味深いところですね。

編集後記
日本国内では今回のノーベル賞に関して、温暖化や気象のことしか話していませんが、物理学に長く従事してきた者からすると「複雑系・非線形系」の研究者全体に対しての評価とみています。この分野が発見また発展してきたのは20世紀の中盤から後半にかけてです。複雑系は簡単に結果が出るわけでもなく分析手法も多数あったのですが、大きな進展というよりは、長い間かけて少しずつ発展してきた分野です。うがった見方ですが、今回は、この3人をもって、今まで従事してきた方々すべてを表彰したと思っています。

物理学と聞いて、何を思い浮かべるでしょうか？恐らくノーベル賞が一番有名でしょう。ニュートンやアインシュタインなどの名前を思い浮かべる人も多いかもしれません。または、太陽系、銀河など宇宙の成り立ちと物理学を結び付ける人も多いと思います。

そもそも、物理学とは何でしょうか。自然界で繰り広げられている、物同士の運動をどのように記述するか、から始まった学問です。その事実の積み上げにより、理論的な枠組みが作られ、そこから、いろいろな工学的応用もされています。

小さなものでは、コンピュータに使われている半導体の振る舞い方から、大きなものでは、宇宙の成り立ちや、星の運動も物理学に当たります。

ある意味、構造や力学的な見方において、極めて基礎的な科学の分野でもあります。ですから、物理学の見方を利用して、化学結合や化学反応を分析したり、生物的な現象などの解析などにも使われています。

一方で、応用数学の側面もあって、数学と科学の緊密な関係を科学の側で貢献しているのも物理学と言っても過言ではないでしょう。

したがって、アメリカの大学では、自然科学を専攻する学生すべてが物理学を必須科目として取らなければいけません。科学的考え方を習得する目的でもあります。

ところで、日本ではどうでしょうか。教育のカリキュラムを見る限り、物理の重要性をわかっている人たちが少ないような気がします。

以前、ネットで高校の教師が、「物理学を取る学生が減ってきている」などとコメントしていました。結局、教える方も教わる方も、難しい科目なので、避ける傾向にあるのでしょう。

難易度の一方で、日本の教育全体が、「受験」中心であって、いかに点数を取って合格するかが目的になってしまっているというのも見て取れます。何のために学ぶのかの目的がおかしな方向に行っています。

しかし、身の回りを見れば、物理学と関係のないものを探す方が難しいのです。当然、コンピュータや多くの電化製品は、物理学の応用です。外に出れば、風、音、空、虹なども物理学の理論で一貫してそれらの現象の説明が可能です。

カーナビに使われているGPSも、アインシュタインの相対性理論なしでは実現しませんでした。医療施設にある、レントゲン、MRI、PET、ファイバースコープなども物理学の応用です。

残念ながら、学校では、物理学という学問とその歴史に貢献してきた人間のドラマと、彼、彼女らが実現してきたこと、その背後にある哲学など全部取り除いてしまっています。

教育が正しく行われなければ、多くの人たちをダメにしてしまいます。信念や自主性など無くして、目先のことだけ考えることを薦めるような教育であっていいのでしょうか？

ついつい、考えてしまう今日この頃です。

大人のための家庭教師

ブラックホールというと、かつてはSFのようなもので、理論的には存在可能であっても実際にあるのかどうか、長い間議論されてきたものです。

間接的に観測としては、非常に強いX線を白鳥座のあたりで検出されて、恐らくブラックホールではと言われていたものもありました。今回は、世界各国の観測地からのデータを集結して、ブラックホールの画像を撮ったというのは、素晴らしい進歩でもあるでしょう。

当然、「これが何の役に立つのか？」という質問も出てくるでしょうが、科学の進歩は、すぐには役に立ちませんが、将来長きにわたって役に立っていくものです。

今日、テレビで、「ブラックホールに光が引っ張られるって何？」、「光が重力によって引っ張られるの?」という質問があって、そこには物理学者がいなくて、誰も答えられませんでした。そこで、少し簡単にですが、素人にもわかるように説明してみましょう。

そもそもは、重力から脱出する、とはどういうことでしょうか。地球を考えてみて、飛行機では、地球の重力圏からは逃れられません。でも、ロケットは地球の外に出ていけます。理由は、それだけのスピードを出せるからです。この速度を第2宇宙速度と言い、約１１．２ｋｍ/sです。時速では、４０３００ｋｍ/hになります。

言葉を変えると、その速度があれば、地球の重力に打ち勝てるということです。ところで、重力はどのように決まるのでしょうか？この力は、物体の質量と半径によって決まります。質量には単純に比例しますが、半径には2乗に反比例するので、同じ質量で半径が小さければ小さいほど重力が大きくなります。

では、光のスピードを持ってしても脱出できないほどの重力をもつ天体の質量と半径は、どのようになるでしょうか？とりあえず、ここでは、質量を一定にして、半径がどれだけ縮むと重力が光を「捕まえる」のかを考えてみましょう。

例えば、太陽を考えてみましょう。太陽の半径は６９５５１０ｋｍです。実は、これが３ｋｍまで縮むと、光の速さでも重力にあらがうことができなくなります。これが、いわゆるブラックホールになります。

もちろん、太陽がそこまで縮むのは不可能ですが、他の天体で条件がそろえば、光でも抜け出せない重力になるのです。面白いですよね。

大人のための家庭教師