Vol.09　竹内 繁樹

高校卒業後は、京都大学理学部へ進学。話の弾む同級生に囲まれて、再び幸せな日々が始まった。

「学生同士が自分たちで選んだ関心のある教科書を、担当を決めて一緒に読んでいく、「自主ゼミ」という活動があります。500ページ近くある、『場の古典論』という一般相対性理論の有名な教科書を、自主ゼミですることになりました。すごく有名な本ですが、あれを１回生ばかりで読もうというのはちょっと無謀な話で……」

無謀ではあったが、とにかく読んだ。

「哲学から自然科学までいろいろなテーマの自主ゼミをするサークルに入っていました。同じサークルの４回生の先輩がチューター（指導や助言をする人）になってくださって、文章や式の１行ごとに、みんなで、ああやこうや苦心して読みました。『場の古典論』で格闘した後は、みんなでカードゲーム。とにかく楽しい思い出しか残っていません」と笑う竹内先生。

「大学２回生のときの町田茂先生の量子力学の講義では、その頃出版されたばかりのJ・J・サクライという方が書いた『現代の量子力学』で教えていただきました。非常にすばらしい講義でした。半期の最後の講義が終わった後、町田先生をご招待して、みんなで飲みに行ったように覚えています（笑）」

高校生の頃から量子論に興味をもっていたというくらいだから、大学でこの分野を本格的に学べるとなった先生の興奮ぶりが想像できる。教える側と教えられる側が量子論の不思議な世界に魅せられて意気投合する様子が目に見えるようだ。

竹内先生の話は続く。

「同じ頃、＜量子もつれ＞という概念に深く出会うことがありました。『量子力学論争』（フランコ・セレリ著、櫻山義夫訳、共立出版）という本が出版されたばかりで、その本には＜EPRのパラドックス＞とか＜ベルの不等式＞とか、まさに量子もつれの王道を行くような内容がまとめられていたんですね」

最初に、量子もつれの不思議な性質について検証実験が行われたのが1970年代。それを受けて、さらに実験が進展し、その先端で議論が過熱し始めた。

当時の量子論の先端の知見がまとめられた『量子力学論争』を同級生同士の自主ゼミで読むことで、竹内先生はさらに量子の世界に深く関わるようになっていった。

幸せな学部生活を経て、修士へ進学。当然、量子論に関わる研究に進んだのかと思いきや…。

「物理全般に興味はありましたが、大学に入学したころから相対性理論に興味があったので、最初は宇宙論の研究室を志望していたんです。物理の王道といえば素粒子論か相対性理論という時代でした」

ところが、竹内先生をはるかにしのぐ学生が宇宙論の研究室を志望するのを見て「自分は無理」と潔くあきらめ、大学院では当時話題を集めていた高温超伝導の研究室を志望することになる。

幸い希望の研究室に入った後で与えられたテーマが、実は高温超伝導とは少し異なる、「分子数層の非常に薄い有機薄膜に、超音波を入射するとどうなるか」というもの。

その内容はーー

きれいな水の上に石鹸を１滴落とすと、石鹸の分子がスーッと水の上に広がって、石鹸分子が１層だけの膜ができる。髪の毛の直径の10万分の1、コロナウイルスの直径の100分の1くらいの薄さの膜だ。それをガラスにきれいに移し取ると、ガラスの上に分子１層だけという膜ができる。これを繰り返すと、いろいろな分子が層状に重なった膜になる。

こうしてできた膜の分子の層に超音波が入射されるとどうなるかーーというものだった。

「そんな薄い分子の層を音波で見るとなると、普通のスピーカーから出る音波では無理なんです。スピーカーから出る音の波長というのは短くてもせいぜい数cmで、そんなに短くないんですね。分子の層の厚みと同じくらいのきわめて短い波長をもった超音波を出そうと思うと、極めて特殊な、超音波発生器が必要になります」

この超音波発生器の開発が、実は量子デバイスの研究そのものだった。

宇宙論の研究を諦め、代わりに高温超伝導の研究室に入ると、超音波のテーマが与えられ、それを追求する上で量子デバイスの研究が必要になった。いろいろな経緯を経て、以前から興味を育んでいた量子の研究の世界に踏み入れることになった。

修士課程の修了近く、就職活動の段になって志したのは、「量子デバイスの研究をさせて頂ける会社」。数社を回った結果、縁あって三菱電機に就職することになった。

量子デバイスの研究を志して入社した三菱電機で、竹内先生は＜流動基礎研究部＞という部に配属される。そこではすでに３～４の研究グループが各々のテーマに取り組んでいた。

ところが…。

「部長がおもしろい方で、企業における基礎研究について深く考えていらっしゃいました。たぶん私が『量子デバイスをやりたい』と希望していたこともあったと思うのですが、どの研究グループにも直接には属さず、部長直属になったんですね」

新入社員で部長直属。ある意味、特別待遇だが、戸惑いも大きかったとのこと。そして新入社員として与えられたテーマが２つ。「量子に関する研究テーマを自分で見つけて提案すること。」そしてなぜか「研修期間の１年間、米の研究をすること。」なお米の研究については、内容に制約はなく「米に関していれば、どんなことでも、どんなやり方でもいい」と言われた。

どんなことにも抵抗なく興味を示す竹内先生のこと、「なぜ自分がお米の研究？」と思いつつも、量子とは縁遠く見える「米」の研究にも好奇心旺盛に取り組んでいった。

「やるからには会社や社会のためになる研究をと考えてテーマを探しました。炊飯器で米を炊こうとすると30分ぐらいかかりますよね。だけど、米１粒というのは長さでいうと１cmないぐらい、幅でいうと数ミリぐらいじゃないですか。あれを糊化させるのになんで30分かかるんだろうと。不思議じゃないですか？」と竹内先生。

不思議に思った先生は文献を調べた。

「かなり一生懸命、調べましたよ。過去の研究の中には、炊飯器でお米を炊いているのを途中で止めて、どんなふうに米の芯が残っているかを調べたものもありました。でも、炊飯を止めて調べるまでの間に、何が起こっているか分かったものじゃありません」

「そのような研究では、米粒のなかで、実際なにが起こっているか分からない」と、竹内先生は思ったという。

「で、どうすればいいだろうと思って考える中で、NMR（核磁気共鳴）^※1のイメージングを使うと、炊飯をしながら非破壊で米の中の様子が観察できるかもしれないと思いついたのです」

ただしNMRのイメージングは、当時はまだ新しい技術で、やっと医療で使われ始めたばかり。しかも観察対象は数ミリの米粒だから、人間の体を見るのとはわけが違う。

※1：NMR​（核磁気共鳴）とは、強力な磁場の中にある物質中の原子核が電磁波と相互作用する現象。これを利用することで、物質の分子構造や原子間のつながり方を調べることができる。

「調べてみると、当時日本で2台だけ、非常に小さいものを見られる最先端のNMRイメージング装置があるということがわかりました。その1台を所有する大学の先生に、このテーマに興味をもっていただくことができ、共同研究契約を結び、使わせていただけることになりました」

NMRのイメージング装置は当時でも数億円以上。その高価な装置の中で、1粒だけ米を炊く治具を作った。

「どうやって米を炊くかというのも難しくて、レーザとかいろいろ検討した結果、セラミックヒーターで加熱した空気を送り込みながら、試験管の中の米、一粒を炊飯するという装置を作りました。それをNMRの中に入れて、どういうふうに炊飯が進んでいくかというのを分析するために、特殊な磁場を照射していく専用のパルスシーケンスも、その大学の先生と共に作りました」

当初研修期間の1年の予定だったが、研究が本格化したこともあり、量子コンピュータに関する研究と平行して、のべ3年間にわたった。ところが、ここでもまた量子の研究との予想もしない接点がうまれる。

「NMRのパルスシーケンスやイメージングの原理が、まさに量子コンピュータの制御や測定そのものなんですね。だからお米の研究が、振り返ると、じつは量子コンピュータの研究にもなっていたのです」と竹内先生は笑う。

竹内先生が「新入社員で部長直属」になったとき、米の研究に加えてもう1つのテーマが与えられていた。それは「量子に関して君が次にやる研究テーマを自分で探しなさい。会社に貢献して、先端的であり、他社が絶対にやっていないものを」というものだった。

米の研究をしながら竹内先生は新しい研究テーマを探し始める。

「ちょうどそのころ、量子コンピュータで計算が速く行える可能性をはじめて論じた理論の論文に、幸いにも出会いました。最初、その論文を見たときはそれほどおもしろいと思えなかったのです。量子力学の式を使うと、論文に書いているようになるのは分かるけれど、逆に言うとそうなるのは当たり前のようにも感じられました。また設定した問題もあまりに特殊で、どう役立つのかも分からない、というのが率直な感想でした」

しかし、会社の先輩から、東京で量子コンピュータに関する講演があるらしいという情報を教えてもらった竹内先生。その講演で、量子コンピュータが、いまのス－パーコンピュータでも解くことができないような問題を問題を解く可能性があるとの最新情報に接することができた。最初おもしろさをあまり感じていなかった量子コンピュータが、俄然興味関心の対象となった。

実は、その量子コンピュータの論文を読んだときに、どういうふうにすれば実験的なデモンストレーションができるかという構想はすでに竹内先生の頭の中にあったそうだ。「実験家なので、理論で書かれている数式を、一旦具体的な実験装置に置き換えないと、うまく自分自身で理解できないところがあったのです。」

講演をきっかけに、「まだ実現されていない量子コンピュータを、実際に実験でやってみたら面白いんじゃないか」と思い始め、強烈に取り組みたい気持ちが高まってきた。

やりたいと思ったら止まらないタイプの竹内先生。部長に対し、「会社に貢献して、先端的であり、他社が絶対にやっていない」テーマとして、「量子コンピュータの実験」を具申する。しかし実験には、新入社員の取り組む基礎研究としては、とてつもない金額の資金が必要だった。

会社の中では難しいと思われた量子コンピュータの実験。ところが、部長から、1つだけやれる道が示された。それが新技術事業団（現JST、国立研究開発法人 科学技術振興機構）の「さきがけ研究」という制度に採択されること。しかし、その競争倍率は大きく、採択率はとても小さなものだった。

ここで竹内先生に再び幸運が降り注ぐ。先にさきがけ研究に採択されていた会社の先輩からのアドバイスなども幸いし、初めての挑戦で採択を勝ち取った。

量子論や量子もつれといった不思議な現象が実は私たちの身の回りにあふれている、そのことを実際に体験できる展示が、2025年開催の大阪・関西万博で一般公開される。題して「エンタングル・モーメント」。エンタングルとは＜量子もつれ＞のことだ。

「量子もつれ光と聞くと『怖い光じゃないか』とか『真空のパイプの中しか伝わらないのじゃないか、強大な加速器を使わないと発生できないんじゃないか』とか誤解している人がたくさんいると思います。この展示でそうじゃないことを見せたいですね」と竹内先生。

「量子もつれ光を実際に見たことがあるという人は、量子技術の研究者でも一部しかいないと思います。それはちょっともったいないので、皆さんに見ていただきたいというのが展示の動機です」という。

展示はCGとか動画とかではなく、実際の実験装置を持ち込んで、量子もつれ光をリアルに発生させる。それだけでなく、光子と光子を半透鏡を介して「ぶつけた」時におこる、不思議な現象も実演する。

「光子と光子をぶつけると、量子力学では、その物理のプロセス間の干渉というのが起こるんですね。これは、単なる光の波の干渉とはまったく異なります。SFでよく＜並行宇宙＞とか＜時空が干渉する＞とか言いますが、それが量子力学では本当に起こります」

SFの世界で語られていることが、この宇宙で実際に起こっている。それは一体どういうことなのか。竹内先生の説明は続く。

「例えば京都から浜松に行くときには、新幹線でも行けますし、近鉄に乗って、名鉄に乗って、豊橋あたりで乗り換えてということでも行けるじゃないですか。二つの物理過程がありますよね。普通はこの二つの過程は別のものだと考えます。だけど、量子力学ではその二つが干渉して、お互いに打ち消しあったり、強めあったりするということが起こるのです」

二つの物理過程が打ち消しあったり、強め合ったりする結果、目的地の浜松に到着することもあれば、到着しないときもある。倍速で目的地に着くことさえある、という世界。一般人の常識では想像が追い付かない。

「でも、それが量子力学の世界では起こっています。だから万博で実演します」と竹内先生は楽しそうに笑って言った。