【理研＆理科大】1光子で2原子を同時興奮させる現象を観測成功

光の粒子1つで2つの原子を同時に励起する――まるで手品のような量子現象が、ついに実験で確かめられました。

日本の東京理科大学（TUS）および理化学研究所（RIKEN）らの研究チームは、超伝導量子回路を使った実験によって「1個の光子が2個の人工原子を同時に励起する」というユニークな量子現象の観測に成功しました。

これは通常の光学では考えられない全く新しい現象で、従来のように1光子を2光子に変換する（ダウンコンバート）過程を経ることなく、1つの光子が直接2つの原子を励起できることを示しています。

この成果により、量子力学の理解が深まるだけでなく、光と物質の相互作用を利用した新たな量子技術への応用にも道が開けると期待されています。

果たして、光と物質の間ではどのような現象が起きたのでしょうか？

研究内容の詳細は2025年6月17日に『Nature Communications』にて発表されました。

なぜ“1光子2原子”は不可能と思われてきたのか

まず本文に入る前に「超伝導量子回路」というワクワクする単語について簡単に解説したいと思います。

超伝導と量子と回路という3つの言葉が組み合わさった存在はどのようなものなのでしょうか？

超伝導量子回路とは何か？

超伝導量子回路とは、「−270 ℃の氷点下で摩擦ゼロになった電子を使い、研究者が好きなように“手作り原子”を描ける魔法のプリント基板」です。金属をここまで冷やすと電気抵抗が完全に消え、細い切れ目を入れた小さな回路では、電流が右回りと左回りの両方を同時に取る――いわば“二股かけた電子の道”が許されます。この二通り＋同時進行の状態の組み合わせが量子ビットで、自然界の原子が持つ「休んでいる状態」と「興奮している状態」の２段階スイッチを人工的に再現したものと考えてください。さらに、配線の幅や小さなコンデンサーを少し調整するだけで、このスイッチの位置や他のビットとの結びつきの強さをダイヤル式に細かく変えられるため、理論家が紙に描いた数式を“そのまま実物のチップに写し取れる”――これが超伝導量子回路の真髄です。Google や IBM が量子コンピューターの心臓にこの技術を採用するのも納得で、研究者にとっては“レゴブロック感覚”で量子の世界を組み直せる最高の遊び場になっています。今回のチームはその自由度をフル活用し、本来なら自然界でめったに起きない「光の粒１つで原子２つを同時に点火する」という離れ業を、特注回路という舞台装置で見事に引き出しました。