なぜ物質には金属・半導体・絶縁体などが存在するのでしょうか？この問いに答えられる学問が量子力学です。この根幹には、原子や電子は粒子であると同時に波でもあり、逆に光は波であると同時に粒子でもある、すなわち「粒子と波の二重性を持つ」という考え方があります。原子や電子の大きさが無視できなくなってきた近代の材料工学・デバイス技術などにおいては、この二重性に起因する様々な現象が観察されると同時に、これを利用しようとしています。量子性があらわれるスケールの世界を相手に、光と物質との相互関係を明らかにし、さらにその制御技術を開発しようとしているのが、応用物理学科の青木隆朗准教授です。

物質と光、量子性と向き合って

高校生の頃から、自然現象を説明するツールとなる「物理」が好きでしたので、物理工学科を選びました。早稲田でいえば今の所属である応用物理学科が近いと思いますが、純粋な理学や工学だけに割りきれなかったので、どちらも学べる学科に進みました。学部3年生の授業で初めて量子光学という分野を知り面白いと思いましたが、当時は物質、特に半導体の持つ量子性や半導体と光の相互作用に、より強い興味がありました。そのため卒業研究では、連続したエネルギー（波）としての光が半導体の量子性に及ぼす影響を研究する「半導体励起子共鳴における非線形光学応答」をテーマにしました。物質は量子力学、光は古典力学に従うものとして扱いますので、半古典論といわれる分野です。実際にはじめると研究活動は想像以上に奥深く、修士課程の頃には研究の道を歩みたいと思うようになり、博士課程に進学しました。

「物質の量子性」に関しての博士号を取得できる見込みとなった頃には、今度は学部時代に興味をもっていた「光の量子性」について研究したいと思うようになりました。ちょうど同じ時期に、量子光学を専門とする古澤明先生（現、東京大学物理工学科 教授、世界で初めて量子テレポーテーションを実証）が新規に研究室を立ち上げることになり、博士号取得後、助手として着任しました。装置も何もないところから関わらせていただき、3年半が過ぎる頃には光の量子性に関するいくつかの成果を発表するに至りました。

新天地で新しい実験に挑戦

量子光の扱いが分かってくると今度は、作用する「相手」がほしくなってきました。学生時代に扱っていた半導体は、たくさんの原子の集まりであるため理論的に全てを正確に取り扱うことができず、実験結果を説明するために大きな近似をとらなければいけません。近似をとることで現象のおおまかな説明はできますが、物質が本来持っている量子性が隠されてしまいます。近似せずに説明できる「美しい」実験をしたいと思い、キャビティQED※系に関する世界的権威であるカリフォルニア工科大学（Caltech） Jeff Kimble研究室の門をたたきました。キャビティQEDは、数10立方マイクロメートルのごく小さな共振器に閉じ込めて量子化した光（粒）と、運動を止めた原子1個だけの相互作用を観察することができます。（常温では猛スピードで運動している原子の動きを止める技術であるレーザー冷却トラップ法は1997年に、キャビティQEDの実験技術は2012年に、それぞれノーベル物理学賞を受賞している最先端の技術です）

※キャビティQED（Cavity Quantum Electrodynamics；Cavity QED）：QEDは量子電磁力学と訳され、原子や電子などの電荷を持った粒子（群）同士の電磁相互作用を説明する理論。キャビティQEDは、QEDの中でも特に、共振器（Cavity）内に閉じ込めた光（粒）と、そこに投入される原子との相互作用を観察する実験系や理論のことを示す。

キャビティQEDを扱えるようになるだけではなく、新しいことに挑戦したいと思い、（原子の制御技術はかなり進んでいましたので）共振器自身を工夫してみることにしました。というのも、量子光学分野で多く用いられていた共振器は、現象の観察が主目的で、そのためにはどれだけ面倒で難しい作業があっても良いという、最高精度のみを求めた構造をしていたからです。その精度向上も限界に近付いていました。周囲に目を向けてみると、電子デバイス技術を応用したナノフォトニクス技術が発展してきており、Kimble先生と同じCaltechのKerry Vahala先生がトロイド型微小共振器を開発したばかりでした。このトロイド型微小共振器を使って、より精度の高いキャビティQEDを作れないだろうか、と考えました。