アハラノフらが提案する量子力学の時間対称形式では、通常の初期状態だけでなく、終状態も併せて指定することによって、系の物理量や時間の（非）可逆性に対してより精密な、興味深い考察が可能になる。とりわけ物理量に関しては、量子論的には同時測定可能ではない互いに非可換な物理量でも、同時に実在するという古典論に近い描像を描くことが可能であり、その実在の値は系を乱さない「弱い測定」を通して検証できるものであることから、物理量の「弱値」と呼ばれる。この「弱値」は、系を乱す従来の「強い測定」で得られる標準的な（固有）値から逸脱した奇妙なものであるが、それだけに高精度の測定や増幅に使えることが指摘され、近年大きな注目を集めている。さらに、「弱値」という新しい概念に基づいて量子力学のパラドックスを再考察することにより、古典的な観点から量子力学の自然像を理解するための新たな視野を拓く可能性があり、概念的な意味でもその活用が期待されている。本セッションでは、まず導入としてなぜこの「弱値」が量子力学において自然な概念であるかを説明し、その上で２人の講演者にそれぞれ「弱値」の測定への応用と物理量としての意義に関する最新の研究について紹介していただく。

　時間対称な量子測定理論を構築するために定義された弱値という考え方は、量子力学の基礎を定量的に解釈できる可能性のあるツールとして発展し続けてきた。また、もう一方でHostenとKwiatによる光のスピンホール効果の実証実験に代表されるように、旧来の技術では不可能かもしれないと思われてきた微小な信号の増幅に関するものとして弱値を利用しようとする研究が昨今、盛んに進められている。本講演では、まず弱値の名前の由来にあった弱測定とは何かを紹介し、実験としてどれくらいの程度のことがなされているのかを簡単にレビューする。そして、弱値増幅の限界が原理的に存在するのかしないのかということに関して議論を行う。

　１９８８年にアハラノフたちによって提唱された弱い量子測定(weak measurement)は、量子系の時間発展を乱すことなく、物理量を得る為の測定プロトコルである。弱い量子測定の結果、測定器はいわゆる弱値 (weak value)と呼ばれる値を指し示す。測定対象系がある始状態と終状態に見出される条件下(pre-postselected system)において、その時間発展途中の時刻で弱い量子測定を行うと、弱値が固有値の範囲を逸脱するような、従来の測定では見られない特異な値を取ることがある。このような特異な弱値は、量子パラドックスの議論において重要な役割を果たすことが知られている。
従来、量子系での物理量を論じるにあたって、古典的な推論は一般的には意味をなさないものと考えられており、それはしばしばパラドックスという形で強調されてきた。一方、このような量子パラドックスに陥るような系に対して弱い量子測定を行うと、弱値が特異な値を取ると同時に、古典的な推論を支持する値を示すことがある。測定器が指し示す値である以上に弱値が物理量としてどのような意義があるのか、また、どのような物理的条件下で特異な弱値が現れるのかという問題は、この分野における重要な研究課題であり、様々な議論がなされてきた。

One year ago, a feature article appeared in Nature (June 15, 2011; vol.474, 272-274), whose title was “The dawn of quantum biology”. What is quantum biology?

Quantum mechanics is a great success of physics in the last century, but our life is not necessarily described by quantum mechanics. Living organisms are too large to maintain any quantum effect in their functional timescales, where coherence is easily destroyed by thermal fluctuation at room temperature. However, the article says “discoveries in recent years suggest that nature knows a few tricks that physicists don't: coherent quantum processes may well be ubiquitous in the natural world.” The research topics are on light-harvesting antenna pigments in photosynthesis, magnetic navigation of birds, and ligand-receptor interaction in olfactory.

Biochemists and biophysicists have already noticed the importance of quantum mechanics for small functional units of life; proteins. For example, our color vision originates form three different proteins having a common chromophore molecule, and the energy difference (absorbing color) can be only described by quantum mechanics. Enzymes catalyze surprisingly efficient chemical reaction, which must use quantum mechanics. Then, how is “quantum biology” new?

More than 10 million billion photons of light strike a leaf each second. Incredibly, almost every red-coloured photon is captured by chlorophyll pigments and initiates steps to plant growth. Last year we reported that marine algae use quantum mechanics in order to optimize photosynthesis [1], a process essential to its survival. These and other insights from the natural world promise to revolutionize our ability to harness the power of the sun. In a recent review [2] we described the principles learned from studies of various natural antenna complexes and suggested how to utilize that knowledge to shape future technologies. We forecast the need to develop ways to direct and regulate excitation energy flow using molecular organizations that facilitate feedback and control―not easy given that the energy is only stored for a billionth of a second. In this presentation I will discuss energy transfer dynamics in optimal synthetic light-harvesting systems and will introduce the idea of molecular ‘light harvesting circuits’. The novelty of these circuits is that the way they work can only be predicted using the laws of quantum mechanics.

[1] Elisabetta Collini, Cathy Y. Wong, Krystyna E. Wilk, Paul M. G. Curmi, Paul Brumer, and Gregory D. Scholes, “Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature”Nature 463, 644--648 (2010).

Photosynthesis provides the energy source for essentially all living things on Earth, and its functionality has been one of the most fascinating mysteries of life. Photosynthetic conversion of the energy of sunlight into its chemical form suitable for cellular processes involves a variety of physicochemical mechanisms. The conversion starts with the absorption of a photon of sunlight by one of the light-harvesting pigments, followed by transfer of electronic excitation energy to the reaction center, where charge separation is initiated. At low light intensities, surprisingly, the quantum efficiency of the transfer is near unity. A longstanding question in photosynthesis has been the following: How does light harvesting deliver such high efficiency in the presence of disordered and fluctuating dissipative environments? Why does not energy get lost? The precise molecular mechanisms of these initial steps of photosynthesis are not yet fully elucidated from the standpoint of atomic, molecular, and optical science.

Recently, the technique of two-dimensional electronic spectroscopy has been applied to explore photosynthetic light harvesting complexes. The observations of long-lived electronic quantum coherence in the complexes (1, 2, 3) stimulated a huge burst of activity among experimentalists and theorists. Much of the interest arose because the finding of electronic quantum coherence in a “warm, wet, and noisy” biological system was considered very surprising. The observation has led to the suggestion that quantum coherence might play a significant role in achieving the remarkable efficiency of photosynthetic light harvesting. At the same time, the observation has raised questions regarding the role of the surrounding protein in protecting the quantum coherence. In order to elucidate the origin of the long-lived electronic quantum coherence and its interplay with the protein environment, we tackled the development of an appropriate theoretical framework and concept (4, 5). As a result, we succeeded in predicting several times longer-lived quantum coherence between electronic excited states of pigments than the conventional theories which are widely used in the literature of photosynthetic light harvesting, does. Furthermore, our results explain the experimental data at 77K and 300K (5, 6).

In this talk, we would like to discuss the present state of understanding of electronic quantum coherence in photosynthetic light harvesting with the aim of shedding light on the physical mechanisms underlying the long-lived coherence and the potential functions such coherence could facilitate (7).

References

(1) G. S. Engel, T. R. Calhoun, et al. Nature 446, 782 (2007).

(2) E. Collini, C. Y. Wong, et al. Nature 463, 644 (2010).

(3) G. Panitchayangkoon, D. Hayes, et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 12766 (2010).

(4) A. Ishizaki and G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 130, 234111 (2009).

(5) A. Ishizaki and G. R. Fleming, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 17255-17260 (2009).

(6) G. S. Schlau-Cohen, A. Ishizaki, Nat. Chem. 4, 389 (2012).

光，電子，標的原子分子という３体の関与する衝突反応過程は，「レーザー場中での，原子分子の電子散乱」という基礎物理の研究対象として長い歴史を有する。ところが，実験における革命的な「道具」の登場を引き金として，実験・理論ともに劇的な進展を最近見せ始めた。高強度レーザーによる高次高調波発生における電子再衝突機構において，レーザー電場中の電子散乱が中心的役割を果たしていることが明らかになったのはその代表例である。
　電子ビームを用いた伝統的な実験にも，全く新しい展開が物理化学の分野から始まっている。本セッションでは，その最先端の実験研究を精力的に進められているお二人の研究者をお招きする。両者とも，「道具」は数keVの「超短パルス電子線源」と「超短パルス高強度レーザー」である。気体分子標的に対する「電子線回折」では，弾性散乱による分子内原子核配置の観測を従来研究対象としてきた。ここにレーザー場を加えれば，１光子のエネルギーを吸収あるいは放出した電子が散乱される現象が知られている。そこで，２つの「道具」を導入することで，この電子の散乱角度分布から分子の幾何構造を超高時間分解能で決定できることが期待されている。
　一方の，通常(e,2e)実験と呼ばれる「電子線コンプトン散乱」では，非弾性散乱電子と電離電子の両方を観測から，標的原子分子の電子運動量分布が観測されてきた。イメージング技術の利用による高効率測定や標的イオンも同時計測する完全実験により配向分子をもその対象とすることが可能になってきた。最近，上述の２つの「道具」を導入することによって，分子内の３次元電子運動量分布の変化を時間分解追跡することを狙った実験が始まった。
　この２つの実験研究では，両者とも同様の道具立てを用いて化学反応の超高速追跡を目指している。高強度レーザー場という条件下で，標的分子も光と強く相互作用したドレスト状態にあることが期待され極めて興味深い。その一方で，その観測対象や測定手法は大きく異なる。本セッションでは，２つの実験の共通性，相違点の整理から現象の本質を抽出する議論を期待するとともに，極めて挑戦的であり困難な要素を乗り越えてゆく実際の実験の紹介から，将来的な展開の可能性を議論したい。

　レーザー場中での電子‐原子散乱過程では、散乱過程を通じてnhwだけ電子のエネルギーが変化する、Laser-Assisted Electron Scattering (LAES) と呼ばれる現象が存在する（n : 整数、hw : 光子エネルギー）。この現象は、原子と電子と光子との間の三体衝突過程であり、“原子と電子”、“電子とレーザー場”、および、“原子とレーザー場”との相互作用によって誘起される。しかし、CO₂ レーザー（I < 10⁹ W/cm² , l = 10.6 µm, Dt > 2 µs）が用いられた従来のLAES観測実験では、原子とレーザー場との相互作用の効果は無視できる程に小さかった。そのため、得られた観測結果は、通常の原子の電子散乱実験で得られる情報と、レーザー場中での自由電子の厳密解のみで説明することが可能で、LAES実験から新たに得られる情報は無かった。**

　最近我々は、高感度のLAES観測装置を開発し、近赤外域の高強度フェムト秒レーザー場（I = 1.8×10¹² W/cm² , l = 795 nm, Dt = 200 fs）におけるLAES過程の観測に初めて成功した[1]。このような実験条件では、原子とレーザー場との相互作用が無視できず、原子が光ドレスト状態を形成し、LAES信号の小角散乱成分に特徴的なピーク構造が現れることが理論研究によって予測されており、高強度レーザー場中でのLAES実験によって、超短寿命状態である強光子場中の光ドレスト状態の直接的な観測が可能になると考えられる。また我々は、超短パルスレーザーによるLAES過程の応用として新たな超高速電子回折法を提案した[1]。提案した手法では、10 fsを切る時間分解能を達成することも可能となる。また、従来の電子回折法と同程度の精度(〜10^-2 Å)で分子の幾何学的構造を決定できるため、化学反応過程において時々刻々変化する分子の構造をこま送りで撮影することが可能になる。本講演では、最近の成果を紹介しつつ、LAES実験の将来展望について議論する。

　波動性と粒子性の二重性という量子論的概念の構築に貢献したコンプトン散乱は、X線特有の現象ではなく、高速電子を衝突のprojectileとして用いても同様に起こる。この電子コンプトン散乱過程で生成する非弾性散乱電子のみでなく電離電子をも同時計測することにより、物質内電子の運動量分布を電子軌道ごとに分けて観測しようとする手法が(e,2e)電子運動量分光である。

　脳の「活動」とは、神経細胞が活動電位の発生・伝導・伝達によって神経回路網を介して情報処理を行う際に様々な時間スケールで随伴する、多種多様な生物物理化学現象の総体である。過去半世紀に亘る技術発展によって、これらのうちの幾つかの要素的な現象の時空間的な出現パタンを検出して「可視化」することが可能になってきた。

　一方で、可視化された脳活動の機能的意義を理解するためには、それが担う精神現象の心理学的・認知科学的な原理を理解し、さらにそれを脳の機能構造との対応関係において解釈するための論理的基盤の確立を待たねばならなかった。

　本セッションでは、まずこれらの技術的および理論的背景や発展の歴史について概観した後に、脳機能画像法を代表する、ＰＥＴ（Positron Emission Tomograpy；陽電子断層撮像法）とｆＭＲＩ（Functional Magnetic Resonance Imaging；機能的磁気共鳴画像法）の第一人者に、その技術的基盤とそれらを用いた最新の知見について解説して頂く。

　疲労は、日常生活における様々なストレスの延長線上にあり、未病の最たるものである。また、疾患においても、感染症・がん・腎疾患・消耗性疾患・慢性疲労症候群の一大症状として全身倦怠感があるが、我々は全身倦怠感に対する系統的な療法を未だ有していない。疲労により作業の能率や運動の効率が下がることは誰もが経験しており、現代高齢少子化社会、泥沼化する経済状況の悪い社会を鑑み、よりよい回復方法や過労予防法を探って行くことは、重要な医学・社会科学的課題である。

　我々は、これまでに、文部科学省科学技術振興調整費や文部科学省21世紀COEプログラムにより、国際疲労研究センター、疲労クリニカルセンター、抗疲労食薬環境空間開発センターの３本柱を形成しつつ、様々な原因による疲労のメカニズム、定量数値化、疲労克服策に関する研究を進めてきた。とくに、疲労の脳科学においては、ポジトロンエミッショントモグラフィー（PET）を用いて、脳神経伝達系の異常や脳内炎症の有無、そして、fMRIや脳磁図（MEG）を用いた統合的脳研究を行ってきた。その成果を実例にして、PET, fMRI, MEGを駆使して行っている研究について紹介する。

　脳機能の局在が科学的に調べられるようになってから未だ２００年を過ぎません。脳に損傷を受けた患者さんの機能障害や脳を切除された動物の機能喪失を調べる等の侵襲的な科学的手法によって、大脳の大まかな機能地図が描かれていました。しかしながらこの３０年程の間に、PET (Positron Emission Tomography; 陽電子断層撮像法) やfMRI (Functional Magentic Resonance Imaging;機能的磁気共鳴画像法)などの非侵襲画像計測法の目覚ましい進歩により,私たちは活動する脳の知覚、認知機能をかつて成し得なかった精度で調べ 可視化することができるようになりました。

　この発表ではまず磁気共鳴画像技術を簡単に紹介し、BOLD (Blood Oxygenation Level-Dependent; 血 液酸素飽和度依存性) 法 と呼ばれるfMRI研究において最も広く用いられる手法の原理を説明します。 BOLD fMRIは局在する神経活動に伴う血流力学的変化を計測する間接的な手法で、ほとんどのfMRI研究は１つあるいは２〜３の点で異なるほぼ等しい２つの条件を意図的に作って行われています。認知差分法でこれら条件間で異なった活動を示す脳の場所を見いだすことによって、条件間で異なる知覚や認知処理に深く関わる脳領域や構造を可視化することができるわけです。

　それから、単純なレチノトピーマッピング研究(ヒト視覚野おける視野表象の研究)の結果を示しfMRI実験が一般にどのように行われるのかということを説明します。さらに、私たちの最近の研究の中から、マザリーズ (母 親語)が乳児をもつ母親の脳で特別に表現されていることを示した研究やプロ棋士による直観的な決断が生み出される脳の部位について調べた研究 を紹介します。

　Andersonが電子の反粒子である陽電子を発見してから約80年、 またChamberlainらが反陽子を発見してから60年弱になる。現在、全ての粒子に反粒子があることが確認されている。ただし、光子、中性π粒子（π⁰）などは自分自身が反粒子である。

　反粒子は対をなす粒子と消滅するが、安定な粒子の反粒子は安定であり、安定な反粒子のみを含む複合粒子も安定である。しかし、粒子と反粒子からなる複合粒子は不安定で対消滅する。その場合でも、対消滅以外の過 程は通常の安定な原子分子過程として扱える。

　反陽子と陽電子の安定な束縛状態である反水素は、1996年にはじめて人工的に生成された。しかしそれは高速状態であり、装置の壁と衝突してすぐに消滅するものであった。反水素はCPT対称性の検証の有力な対象であり、そのためには、精密な実験が可能な超低速状態で得ることが必須である。最近、CERNで実験を続けている2つのグループにが、それぞれ反水素の磁気瓶への捕捉と、反水素ビーム発生装置となりうるカスプトラップ内での反水素合成に成功した。これらは、CPT対称性への重要なステップとして評価されている。

　最初に見いだされた反粒子である陽電子は、β^＋崩壊する放射性同位体を線源として実験室で扱えることもあって、早くから電子との相互作用が調べられ、また応用に用いられてきた。所在のわからない癌の位置を特定するのに有効なPET（陽電子放出断層撮影）への応用はよく知られている。物質科学への最近の応用としては、陽電子プローブマイクロアナライザ（PPMA）による表面下に隠れた格子欠陥分布の可視化や、反射高速陽電子回折（RHEPD）による表面吸着電子の位置の効率よい決定などが挙げられる。電子と陽電子の不安定な束縛状態であるポジトロニウム（Ps）については、2個結合したPs₂分子が生成されて分光実験が始まった。また、陽電子1個と電子2個が束縛したポジトロニウム負イオン（Ps-）も効率よく生成する方法が開発され、レーザー光による光脱離の断面積の測定、および光脱離を用いたエネルギー可変ポジトロニウムビームの生成が報告されている。

　本セッションでは、最近、カスプトラップ内での反水素合成と、ポジトロニウム負イオンの効率よい生成やその応用でめざましい成果を挙げておられるお二人の方にご講演をいただき、討論を通じて、実験技術の詳細や反粒子を用いた物理学の今後の発展などについての理解を深めたい。

　反陽子、反水素は、それぞれ陽子、水素の反粒子/反物質である。いずれも真空中では安定で、条件さえ整えば任意の長い時間にわたって捕まえ、矯めつ眇めつすることができる。従って、原理的に高精度測定が可能で、反水素の分光学的特性を水素原子と詳細に比較することで、最も基本的な対称性―CPT対称性―の厳密なテスト実験を実現することができる。基礎物理学への低エネルギー極限からのアプローチという意味でもユニークで、我々は、自然の囁きを聞く研究と呼んでいる。

　最近、冷反陽子、反水素に関連研究は三つの大きな進展を遂げた。一つは反水素原子の八重極コイルとミラーコイルからなる磁気瓶への捕捉である。磁場差0.7Tの磁気瓶は（反）水素に対して0.5K程度の井戸深さしかなく、"極低温"の反水素が合成されたことになる。大きな磁場勾配のためCPT対称性に関わる高精度の分光実験を実現するのは困難であるが、反水素を目の前で長時間観測できる様になったことは一つのepoch makingな成果といえる。二つ目は、アンチヘルムホルツコイルを用いたカスプトラップによる反水素合成とビーム引出の成功である。カスプトラップは軸対称な磁場構造を持っており、反陽子や陽電子などの荷電粒子 を安定に捕捉・操作・混合することができるとともに、合成された反水素のうち、Low Field Seeking状態にある反水素を選択的に軸に沿って集束して引き出すことができるという特長を持っている。すなわち、スピン偏極した反水素を磁場のない領域へ効率的に引き出し、高分解能マイクロ波分光分が目と鼻の先に迫ってきた。第三の成果は、ペニングトラップ中に閉じ込められた単一陽子のスピンフリップ測定に成功したことである。全く同じ手法が反陽子の磁気モーメント測定に直ちに適用できることから、CPT対称性テストに新たで強力は手段が付け加わったことになる。特に上のマイクロ波分光との組み合わせにより、反陽子の内部構造に関わる情報まで引き出す ことができる。冷反物質研究は新たな段階に入ったと考えられる。

　さらに、反物質（反水素）と物質（地球）の間に働く重力相互作用を直接測定しようと言う実験が開始され、また、新たなプロポーザルも承認された。

　このように、冷反陽子/反水素による反物質研究は、技術開発の段階からいよいよ基礎物理学研究に資する段階に入った。本講演では研究の背景・目的とともに、最近の進展、近未来の計画について簡単に紹介する。

　電子の反粒子である陽電子は、電子と束縛して水素原子様の束縛状態であるポジトロニウムを形成する。さらにもう1つの電子と束縛して、ポジトロニウム負イオンを形成することもある。ポジトロニウム負イオンは最も軽い3体の束縛状態で、水素負イオンよりも弱く束縛した系である。理論計算によれば、電子とポジトロニウムの間の束 縛エネルギーは、水素負イオンの場合の電子−水素原子間の束縛エネルギーの半分より小さい0.33eVで、陽電子−電子間の平均距離は5.5a₀（a₀はボーア半径）である。ポジトロニウム負イオン中の陽電子は2個の電子のうちいずれかと479psの寿命で対消滅する。また、光脱離断面積の理論計算が行われており、その結果によれば、水素負イオンの場合と同様に、励起ポジトロニウム生成閾値よりもやや低いエネルギーで共鳴が起こる。以上のように理論的な研究は活発に行われているにもかかわらず、その生成効率が極めて低いため、実 験はほとんど行われていなかった。わずかに、消滅率の測定が数例行われていたのみである。

　近年、ポジトロニウム負イオンの研究に大きなブレークスルーが起こった。アルカリ金属を蒸着した金属表面に低速陽電子ビームを入射すれば、ポジトロニウム負イオンが従来よりも2桁程度高くなることがわかってきたのである。この手法を利用して生成したポジトロニウム負イオンにレーザー光を照射することによって、電子を光脱離させることが可能となった。また、ポジトロニウム負イオンの光脱離を利用してエネルギー可変ポジトロニウムビームを生成することができるようになっている。ポジトロニウムは電気的に中性であるため自由に加速することができず、ビームとしての利用は、わずかな例を除いて行われてこなかった。ポジトロニウム負イオンを加速した後に光脱離によって電子を脱離させれば、keV領域のエネルギーを有するポジトロニウムビームの生成が可能である。このビームを利用した新たな展開が行われ ることが期待されている。