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未来ICT研究群

♥ 先端開発センター - 量子ICT、グリーンICT、深紫外光ICT

♥ フロンティア創造総合研究室

テラヘルツエレクトロニクス、テラヘルツフォトニクス、 巨視的量子物理、
ナノ機能集積、低次元物質機能融合、超伝導、 生体物性、生物情報、記憶神経生物学、行動神経生物学

 
  

Research

研究紹介

未来の情報通信技術の基礎となる新概念の創出と新たな道筋を開拓するために情報通信基盤技術の研究開発を進めていきます。現行のICTシステムの延長線ではない先端的な技術の確立に向かって、革新的機能や原理の応用によって情報通信の性能と機能の向上を目指すナノICT、量子ICT、超高周波ICTの研究開発、および生体機能の活用による情報通信パラダイムの創出を目指すバイオICTの研究開発を進めます。

先端開発センター

  • 量子ICT先端開発センター


  • センター長 武岡 正裕

  • 将来にわたり盗聴・解読の危険性がない量子鍵配送による安全なネットワーク、さらに利用用途にあわせ伝送効率と安全性のバランスを自在に設定可能な空間量子光伝送などを実現する量子光ネットワーク技術の研究開発を行っています。また、量子光ネットワークの発展を支える基盤として、光や物質の量子力学的性質を自在に制御する光量子制御、光と人工原子をつなぐ量子インターフェース、さらに次世代の計測・センシングを実現する量子計測標準などの基礎研究開発に取り組んでいます。 将来的にはこれらを量子ノード技術として統合し、新しい機能を持つネットワークノードの実現を目指します。新理論構築、原理実証実験、そしてテストベッド上での運用試験まで一気通貫して取り組み、基礎科学の開拓と産業界への技術移転の両面で社会に貢献していきます。

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先端開発センター

  • グリーンICTデバイス先端開発センター

  • 酸化ガリウムトランジスタ、ダイオードを作製したチップ


  • センター長 東脇 正高

  • グリーンICTデバイス先端開発センターでは、地球上のあらゆる場所で快適に情報通信技術を活用できる社会や、省エネルギー・低環境負荷社会の実現に向けて、酸化物・窒化物を中心とする新半導体材料の開拓に取り組み、その優れた材料特性を活かした新機能電子デバイスの研究開発を行っています。 現在、我々が世界に先駆けて見出した、酸化ガリウム(Ga2O3)という新半導体材料を用いたトランジスタ、ダイオードの研究開発に注力しています。Ga2O3デバイスは、その優れた物性から、電力変換時のエネルギー損失量低減による大規模省エネ効果をもたらす革新的パワーデバイスとして期待されます。更に、高周波無線通信デバイス、高温・放射線下などの極限環境における信号処理・通信デバイスなどへの応用も見込まれます。 このように高いポテンシャルを有するGa2O3デバイスを、近い将来日本発の新半導体産業へと育てるべく、我々は、企業・大学との産学官連携体制を構築し、一連の研究開発に精力的に取り組んでいます。

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先端開発センター

  • 深紫外光ICTデバイス先端開発センター

  • センター長 井上 振一郎

  • 深紫外光ICTデバイス先端開発センターでは、情報通信に利用可能な光周波数資源の飛躍的な拡大と、既存の可視・赤外光技術の枠組みを超えたソーラーブラインド光通信などの革新的光ICT機能の創出を目指し、深紫外光ICTデバイスの研究開発を行っています。またそれらの取組とリンクし、深紫外光の利活用による安心・安全で持続可能な社会の実現、アフターコロナ社会で求められる深紫外光応用技術の社会展開に向けて、低環境負荷かつ小型・高性能な深紫外半導体発光ダイオード(DUV-LED)を実現するためのナノ光構造技術や半導体デバイス技術、その実用化技術等に関する開発を進めています。深紫外LEDの世界最高出力を大幅に更新する光出力520mW超(波長265nm帯)の実証に成功しており、さらなる高性能化、高度化に向けて取り組んでいます。このように従来性能限界を打破する深紫外光デバイスの実現に挑戦することで、情報通信から環境、安全衛生、医療に至るまで、幅広い分野において画期的な技術革新をもたらすことを目指しています。

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フロンティア創造総合研究室

  • テラヘルツエレクトロニクスプロジェクト

  • GaN系HEMTの断面写真

  • プロジェクト主幹 笠松 章史
  • テラヘルツ波を利用した100Gbps(ギガビット/秒)級の無線通信システムを実現することを目指し、テラヘルツ帯に適用可能な半導体素子などのデバイスを開発するとともに、デバイスや材料のテラヘルツ帯での特性を評価する技術を研究開発しています。半導体デバイスとしては、現時点で最も高い周波数での動作が期待されるインジウム・リン(InP)系、高耐圧・耐熱・耐放射線性に優れ高出力が期待される窒化ガリウム(GaN)系、量産性に優れたシリコン技術との親和性が高いシリコン・ゲルマニウム(SiGe)系など、さまざまな物質を材料とした高電子移動度トランジスタ(HEMT)の開発に取り組んでいます。 さらに、インジウム・アンチモン(InSb)系、グラフェンなどの新規材料の可能性も模索しています。また、シリコン集積回路でテラヘルツ波を送受信するための技術の開発を行っており、300GHz帯で32値変調を用いて100Gbps伝送の原理検証に成功し、さらに高性能化を目指しています。

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フロンティア創造総合研究室

  • テラヘルツフォトニクスプロジェクト

  • マルチGHz光周波数コム

  • プロジェクト主幹 関根 徳彦
  • 本プロジェクトでは、ミリ波およびテラヘルツ波など超高周波領域の周波数帯を利用した100Gbps級の無線通信システムや高精度の計測システムを将来実現する際に重要となる、信号源や検出器などに関する基盤技術の研究開発を行うことを目的としています。特に、テラヘルツ帯の大容量無線通信や広帯域計測に利用可能な狭線幅かつ高安定な光源技術(およびこれによるテラヘルツ波発生)に着目しています。本研究開発により、

    ・ テラヘルツ波を正しく扱う超高速信号の実時間処理の限界へ

    ・ テラヘルツ波を上手に使う高度変調可能な高速大容量通信へ

    ・ テラヘルツ波を正しく測るスプリアス領域までの高精度広帯域スペクトル計測へ

       

    のように、テラヘルツ技術の社会実装の実現に貢献します。

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フロンティア創造総合研究室

  • 巨視的量子物理プロジェクト

  • プロジェクト主幹 仙場 浩一

  • 物質と光の相互作用を光子1個レベルで精密に測定・制御する研究を行っています。物質としては、半導体微細加工技術を用いて作製されたアルミニウム製の超伝導人工原子(flux-qubit)などの巨視的量子系を使います。その理由は、原子を使った場合と比べ、相互作用が何桁も強い状況を作ることができ、量子1個レベルで物質と光の相互作用を観測・制御し易くなるためです。 最近の研究では、超伝導人工原子とLC共振回路の零点振動電流が究極的に強く相互作用するように設計した試料(左図)において、マイクロ波領域の光子と人工原子から成る安定な分子状態が存在する事を発見しました(右図)。このような物質と光に係る未知の量子現象を光子1個レベルで解き明かすことにより、未来のICTに役立つ「新原理・新現象」の開拓を目指します。

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フロンティア創造総合研究室

  • ナノ機能集積プロジェクト

  • プロジェクト主幹 大友 明

  • 光通信システムの高度化や短距離データ通信への適用に向けて、超高速で低消費電力、小型の光制御デバイスが求められています。当プロジェクトでは、高い光制御機能を有する有機材料と高屈折率の無機材料を用いたナノ光構造を組み合わせることで、光制御素子の高機能化や集積化を目指します。また、素子の高機能化や材料レベルでの新機能発現のため、有機無機界面や構造を原子・分子レベルで制御する基盤技術の研究開発を行います。
    有機分子は、ナノスケールの単分子内に束縛されたπ電子と光電場との共鳴相互作用により高い非線形光学機能を発現します。特に大きな電気光学(EO)効果を示す有機EOポリマーは、光通信システムに不可欠な光変調器をはじめとする光制御デバイスの高速化、低消費電力化を実現する新規材料として期待されています。
    一方で、成熟した半導体微細加工技術を用いたシリコン光集積回路の開発が進んでいます。有機EOポリマーとシリコンナノ構造などとのハイブリッド技術を基盤に、超高速で低消費電力の超小型光変調器やそれを集積化した光フェーズドアレイなどの光制御素子、THz(テラヘルツ)発生・検出器などの開発に取り組んでいます。

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フロンティア創造総合研究室

  • 低次元物質機能融合プロジェクト

  • プロジェクト主幹 田中 秀吉

  • 生物由来の膜タンパク質や原子薄膜、界面など低次元物質構造の特異性や機能性を応用して、センサや光ICTデバイスの基本構造に展開するための研究開発を進めています。例えば、高度好塩菌から得られる光受容膜タンパク質は動物の視物質に類似した機能を有しており、この生物特有の機能性と最新の微細加工・パターニング技術や遺伝子組み換え技術などを駆使することによって、素子レベルにて演算機能を有するバイオミメティックな視覚情報処理デバイスが実現できます。 一方、代表的な原子薄膜であるグラフェンやカルコゲナイドといった2次元物質は特有の電子構造による高い電子移動度を示し、極めて高速かつ広帯域な優れた性能を有するデバイス部材としての応用が期待されています。
    ナノ構造やナノ界面の構築と制御、評価技術などの高度化を通じて、これらの優れた物質機能をデバイス要素として利活用する基盤技術を開拓し、今後のIoT社会においてネットワークに無数につながる高機能な情報処理組み込み型センサや超小型かつ高効率な光ICTデバイスの実現に貢献します。

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  • 超伝導デバイスプロジェクト

  • プロジェクト主幹 寺井 弘高

  • 電気抵抗ゼロという超伝導現象を使って、究極の感度を持つ光子検出器やテラヘルツ検出器、超低電力で動作可能な集積回路などの研究開発を行っています。我々の研究開発の特色は、現在広く用いられているニオブ(Nb)という超伝導体よりもさらに超伝導転移温度が高い窒化ニオブ(NbN)を用いてデバイス開発を行っている点にあり、より高い温度、より高い周波数での動作が可能となります。
    超伝導を利用した機器は冷却が必要なため、汎用的な製品として我々の目に触れる機会はあまりありませんが、我々のNbN薄膜を使った高感度、低雑音な検出器は、南米チリに日米欧の協力で建設されたアルマ電波望遠鏡や、完全秘匿通信を可能とする次世代の通信システムとして期待されている量子暗号通信システムなどでもすでに利用されています。
    今後は、我々の超伝導デバイス技術の新たな応用分野を開拓しつつ、幅広く他分野との研究連携を推進していくことで、超伝導デバイスの優れた性能を広く世の中の役に立て、イノベーションの創出に貢献していきます。

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フロンティア創造総合研究室

  • 生体物性プロジェクト

  • プロジェクト主幹 小嶋 寛明

  • 生体物性プロジェクトでは、生体分子とそれらによって構成されるシステムの振る舞いを多彩なアプローチによって計測・制御・解析し、生体の優れた機能発現メカニズムの理解を深めることを通じて、未来の情報通信技術に貢献することを目指しています。研究対象として生体分子レベルから細胞ネットワークレベルに至る各階層とそれらのつながりを設定し、以下の研究プロジェクトを進めています。

    1.細胞・分子センシングメカニズム研究:化学物質を受容する生体機能と機械学習の手法を組み合わせ、生物の化学感覚に則した情報認識メカニズムを再構成することを目指しています。

    2.生体分子マシン研究:生物分子マシンであるタンパク質分子の構造と機能の解析や、人為的な設計によってタンパク質分子に新たな機能を創出する取り組みを行い、分子マシンの設計原理獲得を目指しています。

    3.生体分子システム研究:生体分子が自律的に離合集散することで形成される大規模な構造の自己組織化メカニズムに関する研究に取り組んでいます。

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フロンティア創造総合研究室

  • 生物情報プロジェクト

  • プロジェクト主幹 近重 裕次

  • 細胞の情報処理と通信能力を利用した新たなICTパラダイムの創出を目指しています。

    ○細胞を観察する:バイオイメージング技術の開発
    細胞内の情報の流れを計測するために、生きた細胞で目的分子の挙動を高精細に画像化できる蛍光顕微鏡技術の開発を行っています。この技術は、細 胞の情報処理能力を利活用する上で不可欠の基盤技術となっています。

    ○細胞を操作する:細胞機能の人工的構築と制御
    細胞内に人工構造物を構築し、それを使って細胞機能を自在に制御する技術の開発を進めています。機能的な人工オルガネラを細胞内に構築すること で、各種センサーや薬剤スクリーニング、有用物質生産を可能にする人工細胞の創製を目指しています。

    ○細胞を模倣する:細胞情報システムの解明と応用
    細胞の遺伝情報システムは、35億年の進化によって錬成された自然知の集積です。環境変化に応答する遺伝情報システムの動作原理や分子機構を明ら かにし、細胞の自然知に倣った新たなICTの創出を目指しています。

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フロンティア創造総合研究室

  • 記憶神経学プロジェクト

  • プロジェクト主幹 吉原 基二郎

  • 記憶神経生物学プロジェクトは、ショウジョウバエを使って、記憶の基本原理を確立しようとしています。ショウジョウバエは遺伝学によって脳内の単一細胞レベルの解析を縦横無尽に行うことができるモデル動物です。情報通信の世界では、電子回路の"メモリー"は当たり前のものになっていますが、生物の脳の"記憶"のしくみは、実は全くわかっていません。それは、脳の中で記憶ができるところを見た人が誰もいないからなのです。当プロジェクトでは、食べる行動を指令するフィーディング・ニューロン上で記憶ができる様子を直接観察することで、記憶がどのようにして形成されるか、独自の仮説を検証しながらその分子細胞メカニズムを明らかにします。さらに、記憶ができる様子が明らかになれば、それを模倣することで可塑的に変化するデバイスをつくり、それがつながった回路を形成することもできるはずです。そうして、脳の情報処理と同じように働く「人工」の「知能」を作ることも試みています。

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フロンティア創造総合研究室

  • 行動神経生物学プロジェクト

  • プロジェクト主幹 山元 大輔

  • 動物が自然体でさまざまな困難を乗り越え、未来に向けて進化を続ける秘密は、巧みに築かれた本能の神経回路の中に隠されています。その原理を解き明かして、人類の未来に貢献することが、我々行動神経生物学プロジェクトに課せられた使命と心得ています。

    生物は、逆境の中にあっても生命の存続を維持・継承する堅牢さを持つ一方で、環境の変化に応じて柔軟な反応を示すという二面性を持っています。刺激に対して軟硬両面の対応能力を兼ね備えているのは生物の大きな特徴であり、これこそ、情報処理の要である脳のなせる技です。その背後にある未知の原理を探り、情報通信技術のシーズとすることを本プロジェクトの目標としています。

    そこで本プロジェクトでは、遺伝子改変が自由自在に行えるうえ、神経細胞を個別に同定してそれを活性化したり不活性化する操作が簡単にできるモデル生物、キイロショウジョウバエを用いて、求愛行動の神経回路の全容究明を進め、臨機応変な“くどき上手”の雄バエの秘密を解き明かそうとしています。また、厳しい冬を乗り切り、春の繁殖を準備する為の休眠がどのようにして確実に制御されるのか、脳の仕組みの解明に取り組んでいます。

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