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トポロジカルな量子論的物質とは？ ― ファン・ジャング

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    [2016年ノーベル物理学賞受賞者は物質が奇妙な
    状態を取り得る未知の世界へのドアを開いた]
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    もし電流が減衰することなく
    永遠に流れ続けるとしたら？
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    もしコンピュータが指数関数的に速く
    正確に作動するとしたら？
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    このようなことが実現したら
    どんな技術が生まれるでしょう？
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    2016年にノーベル物理学賞を受賞した
    ３人の科学者たちの研究のおかげで
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    こういうことを考えられるようになるでしょう
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    デイヴィッド・サウレス
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    ダンカン・ホールデン
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    マイケル・コステリッツが受賞した理由は
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    最も微小なスケールにおける
    微視的な物質でさえも
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    トポロジカルな巨視的性質や相を
    示すことを発見した業績によります
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    これは一体どういう意味でしょう？
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    まず最初に トポロジー(位相幾何学)とは
    数学の一分野のことで
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    物体の基本的な性質に
    注目しています
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    トポロジカルな性質は物体を連続的に
    曲げ伸ばしても変りません
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    物体の性質を変えるには引き裂いたり
    別の物体と合体させる必要があります
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    位相幾何学者は
    ドーナッツとコーヒーカップは同じとみなします
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    どちらも穴が１つあるからです
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    ドーナッツをコーヒーカップに
    変形させても
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    穴は１つのままです
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    トポロジカルな性質は不変です
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    一方 プレッツェルには
    ３つの穴があります
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    ドーナッツを滑らかに連続的に変形し
    プレッツェルにする方法はありません
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    ２つの穴を新たに作るしかありません
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    長年 トポロジーが
    亜原子粒子の振る舞いの記述に
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    役立つのかは
    明らかではありませんでした
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    なぜなら
    電子や光子のような粒子は
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    大きな不確実性を伴う
    奇妙な量子力学の法則に従っているからです
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    大きな不確実性を伴う
    奇妙な量子力学の法則に従っているからです
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    これはコーヒーカップのスケールでは
    見られない振る舞いです
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    しかしノーベル賞の受賞者たちは
    トポロジカルな性質が
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    量子のレベルでも存在することを
    発見しました
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    この発見は物性科学や
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    電子工学、コンピュータサイエンスに
    革命をもたらすかもしれません
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    電子工学、コンピュータサイエンスに
    革命をもたらすかもしれません
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    なぜなら 繊細な量子の世界においても
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    物質の奇妙な相に対し
    驚くべき安定性や
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    注目すべき性質をもたらすからです
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    一例として
    トポロジカルな絶縁体があります
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    電子が薄い層を形成している様子を
    想像してください
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    十分に強い磁場がこれを透過すると
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    個々の電子は閉軌道という
    円周上を回り始めます
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    個々の電子は閉軌道という
    円周上を回り始めます
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    電子はこのループに
    閉じ込められているため
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    電流は流れません
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    しかし 物質の周辺部では
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    軌道が開き 互いに繋がり
    全ての電子が同じ方向を向きます
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    すると電子は１つの軌道から
    隣接する軌道へと跳躍し
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    周辺部を動き回ります
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    つまり物質の周辺部では
    電流が流れるものの
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    中央部では流れないことを意味します
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    ここでトポロジーが関係してきます
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    このような導電性は
    物質の不純物や不完全性といった
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    多少の変化には
    影響を受けません
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    ちょうどコーヒーカップの穴が
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    伸ばしても
    そのままであることと似ています
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    トポロジカルな絶縁体の周辺部は
    電子を完全に伝搬させますが
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    後ろ向きには流れず
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    エネルギーが熱となって
    失われることもなく
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    電流が流れる経路の数を
    制御することさえも可能です
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    将来の電子工学は
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    この完全に効率的な電子ハイウェイを用いて
    構築されるかもしれません
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    亜原子粒子のトポロジカルな性質は
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    量子コンピューターさえも
    一変させるかもしれません
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    量子コンピューターは
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    亜原子粒子が同時に異なる状態を取り
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    キュービットという情報を蓄える
    仕組みを利用しています
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    キュービットは
    古典的なコンピュータに比べ
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    指数関数的に高速に
    解を得ることができます
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    問題は このデータが
    とても繊細なため
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    周囲環境との相互作用によって
    破壊されうることです
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    しかし 奇妙な
    トポロジカルな相においては
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    亜原子粒子は保護されます
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    これは粒子によって作られた
    キュービットが
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    小さな もしくは局所的な擾乱では
    変化しないことを意味します
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    このようなトポロジカルなキュービットは
    より安定した状態となり
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    より正確で より優れた
    量子コンピューターの誕生につながります
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    トポロジーは元々 純粋に抽象的な
    数学の一分野として研究されましたが
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    サウレス、ホールデン、コステリッツの
    先駆的な研究のおかげで
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    今では 自然の謎を解き明かしたり
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    将来の技術革新に
    利用できそうだと分かりました
Title:
トポロジカルな量子論的物質とは？ ― ファン・ジャング
Description:

デイヴィッド・サウレス、ダンカン・ホールデン、マイケル・コステリッツは、最も微小なスケールにおける微視的な物質でさえもトポロジカルな巨視的性質や相を示すことを発見した業績により、2016年にノーベル物理学賞を受賞しました。しかし、これは一体どういう意味なのでしょう？ファン・ジャングはこのとても理解することが難しい科学の理解を手助けします。

講師：ファン・ジャング、監修：アントン・トロフィモフ
＊このビデオの教材: https://ed.ted.com/lessons/what-in-the-world-is-topological-quantum-matter

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Video Language:
English
Team:
closed TED
Project:
TED-Ed
Duration:
05:03

  • Tomoyuki Suzuki

    レビューしてくださる方へ
    冒頭部分の背景の文章も翻訳したため、通常の方法でシートをコピーすると英文とのずれが生じます。
    宜しければこちらのシートをお使いください。
    https://docs.google.com/spreadsheets/d/1bduxkzCg3SM9Mrbm11Nlwtg44kKx1UTkDdsPLvQCaEE/edit?usp=sharing

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