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Juntendō Igaku/Juntendo igaku

Quantumtheory : The Fabric of the Subatomic World and the Universe

弥太郎 堀川

Published Jan 1, 2010• 0 citations
Publisher

Abstract

現在開講されている順天堂大学の物理の授業の紹介をして, そこで用いている教材を使い, 粒子の運動と電磁波の運動について復習する. 20世紀が始まる前にできあがったこれらの運動の理論は, 20世紀になってつくられた量子論と対比して古典論という. 古典論は, 高温の物体が発する光の強度, 原子の安定性, 原子から出る光のスペクトルなどを説明できず量子論が生まれた. こうして生まれた量子論と古典論との違いを典型的に示す, 干渉実験と合成系のもつれの状態におけるベルの不等式の破れについて説明する. 実験技術の進歩により, 光だけでなく電子や分子の干渉実験が行われ, もつれによる不等式の破れも量子論の予言と一致することが実験で確かめられた. 環境によるデコーヒーレンスと整合的な履歴の概念を用いて原子の世界も目に見える世界も一貫して量子論の枠組みで理解できると考えられるようになり, 量子論の基本的な原理を利用する応用技術が研究されるようになった. このような量子論の新展開である量子情報科学について, 量子論の重ねあわせの原理や量子もつれを直接検証するテクノロジーであるともいえる, 量子コンピューターと量子鍵配送を例にとり簡単な紹介をする.

DOI
10.14789/pjmj.56.228

Related papers

システム生物学における量子科学技術の役割

洋一 高草木, Yoichi Takakusagi

「量子科学」と聞いて何を思い浮かべるでしょうか？ ・シュレーディンガーや, 難解な方程式, 電子軌道図 ・放射線・エックス線などの電磁波や, 光レーザー・半導体 ・初の国産機登場で話題となっている量子コンピューター ・苦手意識と憂鬱感 などなど 近年の技術革新により,「量子の目」で生命を俯瞰することをめざした, 量子生命科学「Quantum Life Science」という新たな分野が幕を開けようとしています。国の戦略目標および研究開発目標として具体的に定められ, 現在その基礎研究が推進されています。量子センシング, 量子イメージング, 量子ドット, 量子素子, 量子情報処理・通信など, 量子 (Quantum) と名のついた最先端技術が次々に登場しつつあります。 磁場, 温度, 光, 電磁波などの外的環境要因による反応を, 生物個体局所あるいは全体として時間的, 空間的そして定量的に捉え, その静的・動的変化や応答を一つのシステムとして理解しようとするのが, システム生物学の大きな目標の一つです。前述の外的要因はいずれも量子の関係する物理量であり, これらによって生じる影響もまた, 量子技術によって観測されうる生体応答です。例えば, 渡り鳥の方角認知や細胞内の温度局在, 植物の光回復, 人間の思考の流動性など, 多くの生命活動に量子が関係し, それらを説明できると推測されています。これらを解明するための体系・手段として, 今まさに量子科学への大きな関心が寄せられています。 一方で, 量子技術を基盤とした新たな診断治療技術の臨床試験や産業応用も進展しつつあり, 量子科学の概念や関連技術の重要性は, 今後もますます高まっていくと予想されます。 本特別セミナーでは, ①量子生命科学の概略, ②代表的な量子科学技術, ③システムとしての生物と量子科学技術の接点を, 具体例を挙げながら説明し, システム生物学における量子科学技術の役割について触れたいと思います。また, 既存の概念や分野に捕らわれない柔軟性の大切さやこれらを修得するための秘訣についても, 演者の経験を踏まえつつお話しします。 多くの皆様のお越しをお待ちしております。

•Dec 15, 2017•0 citations

Quantum Ontology and Epistemic Boundaries: Deciphering the Paradoxes and Interpretations of Subatomic Reality

Adnan Hussain

Modern scientists describe the universe in terms of two basic partial theories: firstly, the general theory of relativity proposed by Albert Einstein, and secondly, the theory of quantum mechanics. This theory introduces an immense reality and simultaneously creates complex questions for the world of physics. Quantum mechanics is an incompletable knowledge however scientists are finding the basic theories from this theory. They propose complex mathematical expressions from quantum mechanics to prove the basic law of atoms. Quantum mechanics is the entire knowledge of subatomic particles such as electrons, protons, and neutrons. Quantum mechanics reveals that what we see is just a part of a deeper reality. Then we can grasp from this theory that the material world is not the completed reality; there are other things beyond human physical senses. The concept of quantum mechanics describes particles that can exist in multiple states. The concept of quantum mechanics is directly proportional to contemporary world technologies. The super specialty of this theory is that scientists cannot be explained universe without quantum mechanics. The uncertainty principle of Heisenberg in quantum mechanics suggests that there are limits to what we can know about a particle state of an atom. Humans cannot yet find out what it looks like and how we can imagine the existence of subatomic particles in an atom. That was an unseen dynamite for humans' perspective observation of the material world.

International Scientific Journal of Engineering and Management•May 29, 2025•0 citations

The Underlying Simplicity at the Subatomic Domain Can Describe the Diverse and Complex Universe - Where Matter and Energy are the Flipped Side of the Same Coin

The Quantum theory deals with the microscopic structure of the Universe that describes the finer details of nature at the subatomic domain.To a physicist, quantum mechanics is one of the three great pillars supporting our intuition of evocative, bewildering and fascinating natural World as we continuously struggle with the inescapable strangeness of the subatomic domain as if something strange is always afoot.It is well accepted fact that quantum mechanics is a physical theory that describes the way things behave at subatomic level which is quite dazzling in its precision and explanatory power.A test of quantum electrodynamics, the oldest and best understood of the modern quantum theory that involves measuring the way an electron behaves in the vicinity of a magnetic force. Many of the technological and social changes that have revolutionized our lives have actually risen out of the fundamental theoretical research carried out with only motivation to understand the World in a better way than ever. For example, the invention of transistor actually came with the fundamental theoretical research on the Uncertainty Principle which states that the uncertainty of the position of a particle times the uncertainty of its velocity is always a constant. If we double the certainty of the position of the particle, we have to make half the certainty of its velocity and vice versa. Quantum theory is perhaps the prime example of the infinitely esoteric in the sense that it describes a World in which a particle really can be in several places at once and it moves from one place to another by exploring the entire Universe simultaneously-the theory of simultaneity. The diverse and complex Universe is actually made of a few tiny particles according to the rules of quantum theory which is so simple that can be summarized on the back of an envelope. The more we understand about the elemental nature of the Universe, the simpler it looks. We have already discovered that everything in the diverse and complex Universe is nothing but the different assemblies of atoms, and the wide variety of atoms are constructed using the three building blocks at the sub-atomic domain i.e. subatomic particles: protons, neutrons and electrons. We have also discovered that protons and neutrons ate made up of combination of three entities called quarks. And that is where things stop as far as recent discovery is concerned. But the recent progress in particle physics inspiring the quest for the ultimate unified theory of physics that can describe everything in the Universe in one go. The discovery of Boson particle certainty will revolutionaries the Newton's mass concept and gravity into whole new looks. To an optimistic point of view, we must hope the best out of the progress in physics.

International Journal of Science and Research (IJSR)•Feb 5, 2016•0 citations

量子コンピュータの基礎と物理との接点(第62回物性若手夏の学校 講義)

啓祐 藤井

にある物理に関する新たな知見を得るための強力な実験的手段となるであろう．また，量子物質設計や量子化学 計算などのように潜在的に「量子」の言語で定義された問題を解く上で量子コンピュータが役に立つことは言うま でもなく，今後，機械学習などの一見量子とは関係のない分野においても量子コンピュータがその実現の困難性を 引いても余りあるような貢献をする可能性もある． 一方，情報や計算といった概念は，通常の物理系学部の学生はあまり触れてこなかったと思う．よって，一通り 慣れてしまうまでは，議論の展開が殺伐としていて(それが良いところでもあるのだが)物理とのつながりが感 じにくく思われるかもしれない．最近では，小さいサイズではあるが万能性がある真の量子コンピュータ(IBM quantum experience)がウェブ上で公開されており，誰でも(今のところ)無料で利用することができる．この テキストに書かれていることを自分でサーバー上の量子コンピュータを使って確認してみるのもよいであろう． 今回は，量子デバイスの物理には踏み込む余裕はないが，量子コンピュータの理論は，それを支える量子デバイ スの物理や実験技術の蓄積に支えられている(従来のコンピュータが固体物理学や半導体技術の蓄積によって支 えられているように) ．量子コンピュータを実現するためには，超伝導量子ビットに代表されるような量子情報デ バイスの物理をよりよく理解し，それを制御するための技術も重要な鍵となってくる．実験に興味がある意欲的 な学生は，量子情報デバイスの物理にも挑戦してもらいたい． 《講義ノート》 物性研究・電子版 Vol. 6, No. 4, 064217(2017年11月号) * 1 内積とは，線型空間の任意の２つの元 |ψ⟩ と |ϕ⟩ と複素数 (|ψ⟩, |ϕ⟩) ∈ C に対応させたものである． * 2 完備性とは，コーシー列 ∥|ψ⟩n -|ϕ⟩m∥ → 0 が空間の元 |ψ⟩ に収束する ∥|ψ⟩n -

•Nov 1, 2017•0 citations

超放射、超蛍光をめぐる研究の最前線：趣旨説明

良一 羽島, Hajima Ryoichi

超放射、超蛍光は、励起された多数の原子や分子が基底状態に戻るときに協働して強い光を放出する現象である。1954年の R. Dicke による超放射の理論的な予測以来、多くの実験で気体原子、分子からの超放射、超蛍光の現象が確認されてきた。近年では、気体からの超放射に加えて、量子ドットやナノ結晶といった固体からの超放射、加速器で作られる電子ビームからの超放射の実験が進んでいる。さらに、超放射相転移（熱平衡下での電磁場と電磁気分極の相転移）の研究、ニュートリノ研究に超放射の原理を応用する試みが行われ、脳の微小器官における超放射が議論されるなど、超放射、超蛍光の研究が広がっている。ここでは、超放射、超蛍光について分野を横断したシンポジウムを開催することで、新たな研究のアイデアを拓く一助とする。

•Mar 18, 2022•0 citations

Cosmic Casino The Realm of the Quantum

Tom Yulsman

For understanding the universe writ large-the fabric of spacetime, the nature of gravity, and the overall shape of the cosmos-Einstein’s general theory of relativity is what you need. It is the fundamental science of the monumentally huge. But for understanding what the universe contains-molecules, atoms, subatomic particles, photons-you need quantum mechanics, the fundamental science of the infinitesimally tiny.

Origins•Dec 6, 2002•0 citations
現在開講されている順天堂大学の物理の授業の紹介をして, そこで用いている教材を使い, 粒子の運動と電磁波の運動について復習する. 20世紀が始まる前にできあがったこれらの運動の理論は, 20世紀になってつくられた量子論と対比して古典論という. 古典論は, 高温の物体が発する光の強度, 原子の安定性, 原子から出る光のスペクトルなどを説明できず量子論が生まれた. こうして生まれた量子論と古典論との違いを典型的に示す, 干渉実験と合成系のもつれの状態におけるベルの不等式の破れについて説明する. 実験技術の進歩により, 光だけでなく電子や分子の干渉実験が行われ, もつれによる不等式の破れも量子論の予言と一致することが実験で確かめられた. 環境によるデコーヒーレンスと整合的な履歴の概念を用いて原子の世界も目に見える世界も一貫して量子論の枠組みで理解できると考えられるようになり, 量子論の基本的な原理を利用する応用技術が研究されるようになった. このような量子論の新展開である量子情報科学について, 量子論の重ねあわせの原理や量子もつれを直接検証するテクノロジーであるともいえる, 量子コンピューターと量子鍵配送を例にとり簡単な紹介をする.
「量子科学」と聞いて何を思い浮かべるでしょうか？ ・シュレーディンガーや, 難解な方程式, 電子軌道図 ・放射線・エックス線などの電磁波や, 光レーザー・半導体 ・初の国産機登場で話題となっている量子コンピューター ・苦手意識と憂鬱感 などなど 近年の技術革新により,「量子の目」で生命を俯瞰することをめざした, 量子生命科学「Quantum Life Science」という新たな分野が幕を開けようとしています。国の戦略目標および研究開発目標として具体的に定められ, 現在その基礎研究が推進されています。量子センシング, 量子イメージング, 量子ドット, 量子素子, 量子情報処理・通信など, 量子 (Quantum) と名のついた最先端技術が次々に登場しつつあります。 磁場, 温度, 光, 電磁波などの外的環境要因による反応を, 生物個体局所あるいは全体として時間的, 空間的そして定量的に捉え, その静的・動的変化や応答を一つのシステムとして理解しようとするのが, システム生物学の大きな目標の一つです。前述の外的要因はいずれも量子の関係する物理量であり, これらによって生じる影響もまた, 量子技術によって観測されうる生体応答です。例えば, 渡り鳥の方角認知や細胞内の温度局在, 植物の光回復, 人間の思考の流動性など, 多くの生命活動に量子が関係し, それらを説明できると推測されています。これらを解明するための体系・手段として, 今まさに量子科学への大きな関心が寄せられています。 一方で, 量子技術を基盤とした新たな診断治療技術の臨床試験や産業応用も進展しつつあり, 量子科学の概念や関連技術の重要性は, 今後もますます高まっていくと予想されます。 本特別セミナーでは, ①量子生命科学の概略, ②代表的な量子科学技術, ③システムとしての生物と量子科学技術の接点を, 具体例を挙げながら説明し, システム生物学における量子科学技術の役割について触れたいと思います。また, 既存の概念や分野に捕らわれない柔軟性の大切さやこれらを修得するための秘訣についても, 演者の経験を踏まえつつお話しします。 多くの皆様のお越しをお待ちしております。
Modern scientists describe the universe in terms of two basic partial theories: firstly, the general theory of relativity proposed by Albert Einstein, and secondly, the theory of quantum mechanics. This theory introduces an immense reality and simultaneously creates complex questions for the world of physics. Quantum mechanics is an incompletable knowledge however scientists are finding the basic theories from this theory. They propose complex mathematical expressions from quantum mechanics to prove the basic law of atoms. Quantum mechanics is the entire knowledge of subatomic particles such as electrons, protons, and neutrons. Quantum mechanics reveals that what we see is just a part of a deeper reality. Then we can grasp from this theory that the material world is not the completed reality; there are other things beyond human physical senses. The concept of quantum mechanics describes particles that can exist in multiple states. The concept of quantum mechanics is directly proportional to contemporary world technologies. The super specialty of this theory is that scientists cannot be explained universe without quantum mechanics. The uncertainty principle of Heisenberg in quantum mechanics suggests that there are limits to what we can know about a particle state of an atom. Humans cannot yet find out what it looks like and how we can imagine the existence of subatomic particles in an atom. That was an unseen dynamite for humans' perspective observation of the material world.
The Quantum theory deals with the microscopic structure of the Universe that describes the finer details of nature at the subatomic domain.To a physicist, quantum mechanics is one of the three great pillars supporting our intuition of evocative, bewildering and fascinating natural World as we continuously struggle with the inescapable strangeness of the subatomic domain as if something strange is always afoot.It is well accepted fact that quantum mechanics is a physical theory that describes the way things behave at subatomic level which is quite dazzling in its precision and explanatory power.A test of quantum electrodynamics, the oldest and best understood of the modern quantum theory that involves measuring the way an electron behaves in the vicinity of a magnetic force. Many of the technological and social changes that have revolutionized our lives have actually risen out of the fundamental theoretical research carried out with only motivation to understand the World in a better way than ever. For example, the invention of transistor actually came with the fundamental theoretical research on the Uncertainty Principle which states that the uncertainty of the position of a particle times the uncertainty of its velocity is always a constant. If we double the certainty of the position of the particle, we have to make half the certainty of its velocity and vice versa. Quantum theory is perhaps the prime example of the infinitely esoteric in the sense that it describes a World in which a particle really can be in several places at once and it moves from one place to another by exploring the entire Universe simultaneously-the theory of simultaneity. The diverse and complex Universe is actually made of a few tiny particles according to the rules of quantum theory which is so simple that can be summarized on the back of an envelope. The more we understand about the elemental nature of the Universe, the simpler it looks. We have already discovered that everything in the diverse and complex Universe is nothing but the different assemblies of atoms, and the wide variety of atoms are constructed using the three building blocks at the sub-atomic domain i.e. subatomic particles: protons, neutrons and electrons. We have also discovered that protons and neutrons ate made up of combination of three entities called quarks. And that is where things stop as far as recent discovery is concerned. But the recent progress in particle physics inspiring the quest for the ultimate unified theory of physics that can describe everything in the Universe in one go. The discovery of Boson particle certainty will revolutionaries the Newton's mass concept and gravity into whole new looks. To an optimistic point of view, we must hope the best out of the progress in physics.
にある物理に関する新たな知見を得るための強力な実験的手段となるであろう．また，量子物質設計や量子化学 計算などのように潜在的に「量子」の言語で定義された問題を解く上で量子コンピュータが役に立つことは言うま でもなく，今後，機械学習などの一見量子とは関係のない分野においても量子コンピュータがその実現の困難性を 引いても余りあるような貢献をする可能性もある． 一方，情報や計算といった概念は，通常の物理系学部の学生はあまり触れてこなかったと思う．よって，一通り 慣れてしまうまでは，議論の展開が殺伐としていて(それが良いところでもあるのだが)物理とのつながりが感 じにくく思われるかもしれない．最近では，小さいサイズではあるが万能性がある真の量子コンピュータ(IBM quantum experience)がウェブ上で公開されており，誰でも(今のところ)無料で利用することができる．この テキストに書かれていることを自分でサーバー上の量子コンピュータを使って確認してみるのもよいであろう． 今回は，量子デバイスの物理には踏み込む余裕はないが，量子コンピュータの理論は，それを支える量子デバイ スの物理や実験技術の蓄積に支えられている(従来のコンピュータが固体物理学や半導体技術の蓄積によって支 えられているように) ．量子コンピュータを実現するためには，超伝導量子ビットに代表されるような量子情報デ バイスの物理をよりよく理解し，それを制御するための技術も重要な鍵となってくる．実験に興味がある意欲的 な学生は，量子情報デバイスの物理にも挑戦してもらいたい． 《講義ノート》 物性研究・電子版 Vol. 6, No. 4, 064217(2017年11月号) * 1 内積とは，線型空間の任意の２つの元 |ψ⟩ と |ϕ⟩ と複素数 (|ψ⟩, |ϕ⟩) ∈ C に対応させたものである． * 2 完備性とは，コーシー列 ∥|ψ⟩n -|ϕ⟩m∥ → 0 が空間の元 |ψ⟩ に収束する ∥|ψ⟩n -
超放射、超蛍光は、励起された多数の原子や分子が基底状態に戻るときに協働して強い光を放出する現象である。1954年の R. Dicke による超放射の理論的な予測以来、多くの実験で気体原子、分子からの超放射、超蛍光の現象が確認されてきた。近年では、気体からの超放射に加えて、量子ドットやナノ結晶といった固体からの超放射、加速器で作られる電子ビームからの超放射の実験が進んでいる。さらに、超放射相転移（熱平衡下での電磁場と電磁気分極の相転移）の研究、ニュートリノ研究に超放射の原理を応用する試みが行われ、脳の微小器官における超放射が議論されるなど、超放射、超蛍光の研究が広がっている。ここでは、超放射、超蛍光について分野を横断したシンポジウムを開催することで、新たな研究のアイデアを拓く一助とする。