磁場、重力、加速度、時間、温度。
私たちの身の回りでは、さまざまな物理量がセンサーによって測定されています。
スマートフォンの加速度センサー、自動車の磁気センサー、工場の温度センサーなど、現代社会は多くのセンサーによって支えられています。
そんなセンシング技術の中で注目されているのが、**「量子センシング（Quantum Sensing）」**です。
量子センシングでは、原子や電子、光子などが持つ量子力学的な性質を利用して、磁場や重力、加速度、時間、電磁波などを高精度に測定します。
一言で表すなら、
量子コンピュータが「量子を使って計算する技術」なら、量子センシングは「量子を使って測る技術」です。
この記事では、量子センシングの仕組みから代表的な量子センサー、応用分野、大学で学ぶ内容まで、理系大学生や高校生にも分かりやすく解説します。
量子センシングとは
量子センシングとは、量子系や量子力学的な性質・現象を利用して、物理量を測定する技術です。
例えば、次のようなものを測定できます。
- 磁場
- 電場・電磁波
- 重力
- 加速度
- 回転
- 時間・周波数
- 温度
- 光
一般的なセンサーでも、温度による電気抵抗の変化や、物体の変形による電気信号の変化など、さまざまな物理現象を利用しています。
量子センサーの特徴は、原子のエネルギー準位や電子のスピン、量子重ね合わせ、量子干渉などを積極的に測定へ利用することです。
例えば電子のスピンは磁場の影響を受けます。
そこで、
磁場が変化する
↓
電子の量子状態が変化する
↓
量子状態の変化を読み取る
↓
磁場の大きさを求める
という方法で磁場を測定できます。
つまり量子センサーは、**「量子状態を非常に精密な物差しとして利用するセンサー」**と考えると分かりやすいでしょう。
量子センシングは新しい技術なのか
「量子センシング」という言葉から、最近登場した最先端技術をイメージするかもしれません。
しかし、量子現象を利用したセンサー自体は以前から存在しています。
代表例が、
原子時計
や
SQUID（超伝導量子干渉計）
です。
原子時計は原子の量子的なエネルギー準位を利用して高精度に時間を測ります。
SQUIDは超伝導と量子干渉を利用して、非常に小さな磁場を測定します。
そのため量子センシングは、突然生まれた一つの新技術というより、
以前から存在する量子計測技術に加えて、新しい量子制御技術や材料、デバイスによるセンサーが発展している研究分野
と考えるのが適切です。
近年では、ダイヤモンドNVセンター、原子干渉計、リュードベリ原子などを利用した新しい量子センサーの研究も進められています。
なぜ量子センシングは高感度なのか
量子センシングが注目される理由の一つが、小さな物理量の変化を高感度・高精度に測定できる可能性です。
量子状態は周囲の環境によって変化します。
一見すると不安定で扱いにくい性質ですが、センシングではこの「環境に敏感」という性質を利用できます。
例えば電子のスピンは、周囲の磁場によって状態が変化します。
わずかな磁場
↓
スピンの状態がわずかに変化
↓
変化をレーザーやマイクロ波などで読み取る
↓
磁場を求める
という仕組みです。
また、原子が持つエネルギー準位などは自然界で決まっています。
同じ種類の原子であれば基本的な性質が共通しているため、非常に安定した測定基準を作りやすいことも量子センサーの重要な特徴です。
ただし、
「量子センサーなら必ず従来型センサーより高性能」
というわけではありません。
測定対象やコスト、装置の大きさ、使用環境によっては、従来型センサーの方が適している場合もあります。
量子センシングで使われる4つの重要な性質
量子センシングを理解するうえで、特に重要なのが次の4つです。
1．エネルギー準位
原子や電子は、どんなエネルギーでも自由に取れるわけではなく、決められたエネルギー状態を持ちます。
これをエネルギー準位と呼びます。
原子があるエネルギー準位から別の準位へ移るときの周波数を精密な基準として利用しているのが、原子時計です。
2．スピン
電子や原子核などは、スピンと呼ばれる量子的な性質を持っています。
スピンは磁場と相互作用するため、磁場が変化するとスピンの状態も変化します。
この変化を利用すれば、磁場センサーを作ることができます。
ダイヤモンドNVセンターや原子磁力計などで重要な性質です。
3．量子重ね合わせ
量子力学では、量子系が複数の状態を組み合わせた重ね合わせ状態を取ることがあります。
この状態に外部から磁場や重力などが作用すると、それぞれの状態の間にわずかな違いが生じます。
その違いを精密に読み取ることで、外部環境を測定できます。
4．量子干渉
電子や原子などの量子には、粒子だけでなく波としての性質もあります。
そのため複数の量子状態を重ね合わせると、波と同じように強め合ったり弱め合ったりします。
これが量子干渉です。
外部の重力や加速度によって生じる小さな位相差を量子干渉によって読み取ることで、高精度な測定が可能になります。
原子干渉計などで利用される重要な原理です。
量子センシングの基本的な仕組み
量子センサーにはさまざまな種類がありますが、基本的な考え方は共通しています。
量子状態を準備する
↓
測りたい物理量と相互作用させる
↓
量子状態が変化する
↓
レーザーやマイクロ波などで状態を読み取る
↓
磁場や重力などの物理量へ変換する
という流れです。
つまり、
「測りたいものを直接見る」のではなく、「その影響を受けた量子状態を見る」
のが量子センシングの基本的な考え方です。
代表的な量子センサー
量子センシングには、一つの決まった方式があるわけではありません。
測定したい物理量に応じて、さまざまな量子系が利用されています。
原子時計
量子センサーの代表例が原子時計です。
原子時計では、原子のエネルギー準位間の遷移に対応する非常に安定した周波数を利用して時間を測定します。
水晶振動子を利用した一般的な時計よりも高い精度を実現できるため、
通信、測位、標準時、科学研究
などで重要な役割を果たしています。
さらに非常に高精度な原子時計や光時計では、重力によって時間の進み方がわずかに変化する効果を検出できるため、時計そのものを重力センサーとして利用する研究も進められています。
原子干渉計
**原子干渉計（Atom Interferometer）**は、原子が持つ波としての性質を利用する量子センサーです。
原子の物質波を分け、それぞれに異なる経路を進ませた後、再び重ね合わせます。
その途中で重力や加速度を受けると、2つの経路の間にわずかな位相差が生じます。
この差を量子干渉によって読み取ることで、
重力・加速度・回転
などを精密に測定できます。
原子干渉計は、
地下構造の調査、地球物理、慣性航法、基礎物理実験
などへの応用が研究されています。
ダイヤモンドNVセンター
現在の量子センシング研究で特に注目されている方式の一つが、ダイヤモンドNVセンターです。
NVは「Nitrogen-Vacancy」の略です。
ダイヤモンドは通常、炭素原子によって構成されています。
その中で、
炭素原子の一つが窒素原子に置き換わり、その隣の炭素原子が欠けている状態
をNVセンターと呼びます。
NVセンターには電子スピンが存在し、その量子状態は周囲の磁場などによって変化します。
さらに、
レーザー
＋
マイクロ波
＋
蛍光測定
を組み合わせることで、その量子状態を読み出すことができます。
この性質を利用して、
磁場、温度、電場などの計測
が研究されています。
また非常に小さな領域を測定できるため、
ナノ材料、半導体、磁性材料、生体試料
などの局所計測への応用も期待されています。
原子磁力計
原子のスピンを利用して磁場を測定するのが原子磁力計です。
例えばルビジウムやセシウムなどの原子にレーザーを照射してスピン状態を整え、その状態が磁場によってどのように変化したかを測定します。
非常に弱い磁場を検出できるため、生体が発生する磁場を測る用途にも研究されています。
代表例が**脳磁図（MEG）**です。
脳の神経活動によって生じる磁場は非常に小さいため、高感度な磁気センサーが必要になります。
近年では、光ポンピング磁力計を頭部の近くに配置するウェアラブル型の脳磁計測なども研究されています。
SQUID
SQUID（Superconducting Quantum Interference Device）は、日本語で超伝導量子干渉計と呼ばれる磁気センサーです。
超伝導と量子干渉を利用することで、非常に小さな磁場を検出できます。
SQUIDは、
脳磁図、心磁図、材料評価、基礎物理実験
などに利用されています。
一方、超伝導状態を作るために極低温環境が必要になることがあり、装置の大型化や冷却設備が課題になります。
リュードベリ原子センサー
近年研究が進んでいるのが、**リュードベリ原子（Rydberg Atom）**を利用した量子センサーです。
リュードベリ原子とは、電子が非常に高いエネルギー状態まで励起された原子です。
この状態の原子は外部の電磁場に対して敏感になります。
そのため、
マイクロ波や高周波電磁場の測定
への応用が研究されています。
無線通信や電波計測などとの関係が深く、電気電子工学から量子技術へ進みたい人にとっても興味深い研究分野です。
量子センサーでは何を測れる？
代表的な量子センサーを整理すると次のようになります。
| 測定対象 | 主な量子センサー |
|---|---|
| 磁場 | NVセンター、原子磁力計、SQUID |
| 重力 | 原子干渉計、超高精度原子時計 |
| 加速度 | 原子干渉計 |
| 回転 | 原子干渉計、量子ジャイロ |
| 時間・周波数 | 原子時計、光時計 |
| 電磁波 | リュードベリ原子センサー |
| 温度 | NVセンターなど |
| 光・粒子 | 単一光子・超伝導検出器など |
このように量子センシングとは、一種類のセンサーではなく、量子力学を利用したさまざまな計測技術の総称です。
量子センシングは何に使われる？
量子センシングの研究対象は、基礎物理から医療、インフラまで非常に幅広くなっています。
医療・生体計測
人間の脳や心臓では、神経や筋肉の電気活動に伴って非常に小さな磁場が発生しています。
高感度な量子磁気センサーを使えば、この磁場を測定できます。
そのため、
脳磁図・心磁図・神経活動の計測
などへの応用研究が行われています。
原子磁力計やNVセンターは、量子センシングを医療・生体分野へ応用する代表的な研究対象です。
GPSに依存しないナビゲーション
現在の航空機、船舶、自動車などでは衛星測位が重要な役割を果たしています。
しかし、地下や建物内部など衛星からの電波が届きにくい場所では利用が難しくなります。
そこで研究されているのが、原子干渉計などを利用した高精度な慣性センシングです。
加速度や回転を高精度に測定し続けることで、自分がどのように移動したかを推定します。
量子センサーによる慣性航法は、将来のナビゲーション技術の候補の一つとして研究されています。
地下構造・インフラ調査
地下に空洞や密度の異なる物質があると、その場所の重力がわずかに変化します。
量子重力センサーによってこの差を測定できれば、
地下空洞、トンネル、地質構造、地下資源
などを調査できる可能性があります。
原子干渉計は、地球物理や土木・インフラ分野への応用も研究されている技術です。
半導体・材料評価
半導体デバイスの微細化が進むと、デバイス内部の電流や磁場を局所的に測定することが難しくなります。
NVセンターなどを利用した量子磁気センサーでは、非常に小さな領域の磁場を測定できます。
そのため、
半導体、磁性材料、超伝導材料、スピントロニクス、量子材料
などの研究・評価への応用も期待されています。
つまり量子センシングは、新しい製品のためのセンサーだけでなく、新しい材料やデバイスを調べる測定装置としても重要です。
基礎物理
極めて高精度な量子センサーは、まだ観測されていない物理現象を探すためにも使われます。
例えば、
暗黒物質、基本対称性、重力、基本定数
などを調べる研究です。
つまり、
「新しい量子センサーを作る研究」と「量子センサーを使って新しい物理を探す研究」
の両方があります。
量子センシングと量子コンピュータの違い
どちらも量子力学を利用しますが、目的が異なります。
| 量子センシング | 量子コンピュータ | |
|---|---|---|
| 主な目的 | 測定 | 計算 |
| 量子の利用方法 | 外部環境による量子状態の変化を測る | 量子状態を使って情報処理する |
| 代表例 | 原子時計、NVセンター、原子干渉計 | 超伝導量子ビット、イオントラップ方式など |
| 主な用途 | 磁場・重力・時間などの計測 | 特定の計算問題への応用 |
簡単に言えば、
量子コンピュータ＝量子で計算する
量子センシング＝量子で測る
という違いです。
ただし、量子状態を作る・操作する・読み出すといった基盤技術には共通点があります。
量子センシングの課題
量子センサーには高い可能性がありますが、実用化に向けてはさまざまな課題があります。
量子状態が壊れやすい
量子状態は、熱、振動、磁場など周囲の環境から影響を受けます。
量子状態が環境との相互作用によって失われていく現象をデコヒーレンスと呼びます。
センサーとしては外部環境への敏感さを利用したい一方で、不要な環境変化の影響は抑えなければなりません。
このバランスが量子センシングの難しいところです。
ノイズとの区別
高感度なセンサーは、測りたい信号だけでなくノイズにも敏感です。
例えば、
地磁気、振動、温度変化、電磁ノイズ
などの影響を受けます。
そのためセンサー本体だけでなく、信号処理、ノイズ除去、制御技術も非常に重要になります。
小型化
量子センサーによっては、
レーザー、真空装置、光学系、マイクロ波回路、冷却装置
などが必要になります。
研究室では高い性能を実現できても、実際の製品へ搭載するには装置の小型化が必要です。
そのため現在は、量子センサーの小型化・集積化・チップ化も重要な研究テーマとなっています。
コストと使いやすさ
量子センサーが実社会で普及するためには、性能だけでは不十分です。
価格、消費電力、耐久性、装置サイズ、校正、操作性なども重要になります。
つまり研究では、
「どれだけ高感度か」だけでなく「実際に使えるか」
も重要な評価項目になります。
大学ではどんな研究をする？
量子センシングは、一つの専門分野だけで完結する研究ではありません。
研究室によってアプローチが大きく異なります。
量子物理・原子物理系では、原子や電子の量子状態そのものを研究します。
光学・フォトニクス系では、レーザーを使った量子状態の制御や読み出しを研究します。
電気電子系では、高周波回路、電子回路、半導体デバイス、センサーシステムなどを研究します。
材料系では、ダイヤモンドNVセンターや超伝導材料、量子材料など、センサーを構成する材料そのものを研究します。
さらに実際にセンサーを動かすためには、
信号処理・制御・プログラミング
も必要になります。
そのため量子センシングは、
量子力学 × 光学 × 電気電子 × 材料 × 情報処理
が交わる学際的な研究分野です。
量子センシングを学ぶなら何学科？
量子センシングに興味がある場合、特に関連が深いのは、
物理学科・応用物理学科・電気電子工学科
です。
物理・応用物理系では、量子力学、原子物理、光学、固体物理などを深く学びます。
電気電子系では、電磁気学、電子回路、半導体、電子デバイス、信号処理、高周波工学などから量子センシングへ進むことができます。
材料系から、ダイヤモンドや超伝導体、量子材料の研究を通して量子センシングへ進むルートもあります。
研究室を探すときは「量子センシング」だけでなく、
量子計測、量子センサー、NVセンター、ダイヤモンド量子センサー、原子干渉計、原子磁力計、光時計、量子光学
などのキーワードでも検索すると、関連研究を見つけやすくなります。
量子センシングはどんな人に向いている？
量子センシングは、
「量子力学を、実際に動くセンサーや装置へ応用したい」
という人に特に面白い研究分野です。
量子力学や電磁気学が好きな人はもちろん、レーザー、電子回路、半導体、材料、センサー、計測などに興味がある人にも向いています。
また、量子センシング研究では実験装置を組み、信号を測定し、データを解析することが多いため、
「理論だけでなく、実際に手を動かして測定する研究がしたい」
という人とも相性の良い分野です。
まとめ
量子センシングとは、原子・電子・光子などが持つ量子力学的な性質を利用して、さまざまな物理量を測定する技術です。
代表的な量子センサーとして、
原子時計、原子干渉計、ダイヤモンドNVセンター、原子磁力計、SQUID、リュードベリ原子センサー
などがあります。
これらを利用することで、
磁場・重力・加速度・時間・電磁波・温度
などを高精度に測定する研究が進められています。
さらに応用先も、
医療 × ナビゲーション × 地下探査 × 半導体・材料評価 × 基礎物理
と非常に幅広いことが特徴です。
量子コンピュータが、
「量子を使って計算する技術」
であるのに対して、量子センシングは、
「量子を使って測る技術」
と考えると分かりやすいでしょう。
量子技術というと量子コンピュータが注目されがちですが、原子時計やSQUIDのように、量子力学を利用した計測技術はすでに社会や科学研究を支えています。
さらに現在は、NVセンターや原子干渉計、原子磁力計、リュードベリ原子などを利用し、これまで測ることが難しかった微小な変化を捉える研究が進められています。
「今まで見えなかったものを、量子力学を使って測る。」
それが量子センシングの大きな魅力です。
参考文献・参考資料
- C. L. Degen, F. Reinhard, P. Cappellaro, “Quantum sensing,” Reviews of Modern Physics, 2017.
- National Institute of Standards and Technology（NIST）, “Quantum Sensing Explained.”
- K. Bongs et al., “Taking atom interferometric quantum sensors from the laboratory to real-world applications,” Nature Reviews Physics, 2019.
- “Quantum sensors for biomedical applications,” Nature Reviews Physics, 2023.
- D. Budker, J. Shaffer, J. Kitching, “Atom-Based Quantum Sensing of Electromagnetic Fields,” Optica, 2025.
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