ＣＲＥＳＴ 量子状態の高度な制御に基づく

革新的量子技術基盤の創出

荒川 泰彦

(東京大学 生産技術研究所教授・光電子融合研究センター長)

本研究領域の目標

量子の孤立系から多体系、巨視的な凝縮体に至るま

で、多彩な量子状態の高度制御を実現することによ

り、未知の物理現象や物質機能･物性の探索、新た

な概念に基づく情報科学の開拓及び新技術シーズ創

出を図る。

基盤的な量子技術･システムの開発により、既存技

術分野（フォトニクス、エレクトロニクス等）の発

展的融合･ブレークスルーを促す。

研究提案のカテゴリ

A) 量子状態制御の物理の探索とその技術展開をはかる(新しい源流の創出) （研究費上限：総額2億円）

B) 将来の社会・産業イノベーションを牽引する量子技術の実装に向けた研究開発(革新的システム機能の創成)

（研究費上限：総額3.5億円）

※ 提案書には、提案課題の説明の冒頭において、（A）（B）いずれを 目指す提案か明記して下さい。 ※ 研究期間５．５年を前提とした提案をお願いします。

本研究領域のスコープ

量子状態の 高度制御

情報科学

ナノ構造・ 材料科学

物性科学

光量子科学

量子ドット

フォトニック 結晶

トポロジカル システム

超伝導体

量子ビット 半導体

オプトメカニクス 量子

フォトクス

量子コミュニケーション

量子計算・シミュレション

量子計測・量子加工 量子センシング

量子スピントロニクス

ポラリトン

量子電気力学

ポーラロン

強相関 コヒーレンス 制御

もつれ状態

フォノン 励起子

原子

スピン

マグノン

プラズモン

イオン

光子

電子

クーパー対

新情報科学

伊藤 公平 慶應義塾大学 理工学部物理情報工学科 教授

香取 秀俊 東京大学 大学院工学系研究科 教授

寒川 哲臣 NTT物性科学基礎研究所 所長

西野 哲朗 電気通信大学 情報理工学研究科 教授

野田 進 京都大学 大学院工学研究科 教授

平山 祥郎 東北大学 大学院理学研究科 教授

藤巻 朗 名古屋大学 大学院工学研究科 教授

古澤 明 東京大学 大学院工学系研究科 教授

山田 真治 日立製作所研究開発グループ基礎研究センタ センタ長

山本 喜久 国立研究開発法人 科学技術振興機構 革新的研究開発

推進プログラム プログラム・マネージャー

領域アドバイザー

領域運営の方針

下記の実現に向けて領域運営を推進。

各研究チームの卓越した成果の創出

研究領域全体としての成果の最大化

領域における研究テーマの適切な配置

研究チーム間の融合・連携・相互理解を促進

想定外の優れた成果の創出を期待

研究領域全体の総研究費の有効活用

ダイナミックな研究費の運用

関連CREST・さきがけプロジェクトと連携

「量子技術」に関わる総合的シンポジウムやスクールの開催

平成２８年度採択課題

グローバル量子ネットワーク

井元 信之 (大阪大学大学院基礎工学研究科 教授)

室温超核偏極と量子符号化による超高感度生体MRI/NMR

北川 勝浩 (大阪大学 大学院基礎工学研究科 教授)

冷却原子の高度制御に基づく革新的光格子量子シミュレーター開発

高橋 義朗 (京都大学 大学院理学研究科 教授)

大強度広帯域周波数もつれ状態の実現と応用

竹内 繁樹 (京都大学 大学院工学研究科 教授)

スピン量子計算の基盤技術開発

樽茶 清悟 (理化学研究所 創発物性科学研究センター 部門長)

超伝導人工原子を使った光子ベースの量子情報処理

蔡 兆申 (東京理科大学 理学部第一部 教授)

量子計算 量子通信 量子計測 新量子 技術

原子･分子

超伝導体

光量子

半導体

高橋 A （冷却原子）

北川A (NMR）

樽茶A (スピン回路）

蔡B （集積回路)

竹内B (量子光OCT）

井元B (量子）

各採択課題の分野配置

量子技術 物理･ 物質基盤

グローバル量子ネットワーク 研究代表 大阪大学基礎工学研究科 井元信之 教授

研究目標：量子中継システムを目指した長距離量子メモリ間の量子情報通信システムの構築 〜光ファイバー通信で繋ぐ長距離原子間量子ネットワーク〜

原子量子メモリ

光子/光ファイバー通信

Bell測定 (光回路/光子検出器)

原子量子メモリ間エンタングルメント

長距離量子メモリ間エンタングルメント

→量子暗号、量子テレポーテーション、量子クラウドコンピューティング。。。

阪大グループ（井元信之）：長距離量子通信システム構築 NTT実験グループ（向井哲哉）：原子量子メモリ実験 NICTグループ（三木茂人）：超伝導光子検出器開発 理論グループ（東大：小芦雅斗、NTT：東浩司、富山大：玉木潔）：原子量子メモリ、量子暗号、量子中継理論

最新の成果と今後の展望 Rb原子単一励起状態の通信波長光子検出による生成

光ファイバー

可視光付近光子 (〜780nm)

通信波長帯 超伝導光子検出器

量子波長変換

通信波長光子

冷却Rb原子、量子波長変換、超伝導光子検出器を用いて、 量子中継の基礎である「通信波長光子検出による１原子励起」を確認 →光ファイバーでの極小損失・遠隔地からも可能に

冷却Rb原子 量子メモリ

今後の展望 通信波長光子とのエンタングルメント生成 冷却原子量子メモリの長寿命化 光ファイバーの長距離化 超伝導光子検出器の高効率化 により 冷却原子量子メモリ間の長距離量子情報通信を目指す。

Rikizo Ikuta, Toshiki Kobayashi, Kenichiro Matsuki, Shigehito Miki, Taro Yamashita, Hirotaka Terai, Takashi Yamamoto, Masato Koashi, Tetsuya Mukai, Nobuyuki Imoto, "Heralded single excitation of atomic ensemble via solid-state-based telecom photon detection",Optica 3, 1279 (2016).

冷却原子の高度制御に基づく革新的光格子量子シミュレーター開発

（H28-H33年度）

高橋義朗（京都大学・大学院理学研究科・教授）

研究の概要

研究体制

研究領域「量子状態の高度な制御に基づく革新的量子技術基盤の創出」 （研究総括：荒川 泰彦、H28年度発足）

光格子中の冷却原子

イッテルビウム原子のエネルギー準位とそれを利用した様々な制御と物理

「量子シミュレーション技術の深化」

「高度な個別量子測定・量子制御技術の開発」

融合 量子状態制御の物理の

新しい源流の創出

研究代表者 高橋義朗（京大理） 研究参加者： 高須洋介（京大理） 新規(研究員/特定教員,H30~) 他（大学院生など）

主たる共同研究者： 段下一平（京大基研） 研究参加者： 山本大輔（青山学院） 藤井啓祐（東大工） 渡辺 優（京大基研） 後藤慎平（京大基研） 他（大学院生など）

“理論グループ” “実験グループ”

光格子中の超低温の原子集団が提供する興味深い強相関量子多体系に着目し、「大規模量子多体系の個別量子測定・制御能

力を備えた量子シミュレーターの基盤技術の創出」を目指します。

量子多体系のグローバルな測定・制御である量子シミュレーション技術を深化させるとともに、個々の原子に対して量子フィード

バック制御などの最先端の量子操作技術を融合させることにより、革新的光格子量子シミュレーターの開発を目指します。

2電子系原子イッテルビウムを対象 この系のユニークな特徴を最大限活用

最新の成果

今後の展望

ファラデー型偏光検出 量子気体顕微鏡の開発

制御された散逸下の 量子多体系の振る舞いの研究

量子多体系の非平衡クエンチ

ダイナミクスの研究

On-site interaction Energy

Kinetic Energy

Total Energy

光格子中の個々の原子の量子フィードバック制御 非破壊領域の量子気体顕微鏡の開発 ２軌道SU(N)原子系による近藤効果の量子シミュレーター開発 新奇なＢＥＣ－ＢＣＳクロスオーバーの研究 量子多体系の非断熱過程での量子優位性の実証

①多重量子ドットによる多ビット化とスピン相関の物理解明

②デコヒーレンスの解明とゲート高忠実度化

③最適な量子回路による誤り訂正回路の開発

④Siへの技術移植と集積回路設計の導入

「スピン量子計算の基盤技術開発」

目標と概要：スピン量子制御を主概念として固体電子系のスピン相関と量子コヒーレンスの物理を探索し、より高度な量子情報処理へ技術を展開する

新展開を導く基盤概念と基盤技術の開発（４課題）

課題

小寺G（東工大） Siへの技術移植

Loss-G（理研）量子情報理論

樽茶G（理研） 量子情報実験

④ ① ② ③

量子模型の構築 量子回路の高度化、集積化

H28年度成果

ベル状態生成・検出の高忠実度化

同位体制御Siにおけるコヒーレンス時間増大

qubit

sensor

T2* = 23.6 μs

28Si量子ドット 制御パルスの最適化による 量子制御忠実度の向上、 デコヒレーンス機構の解明、 量子メモリー時間 T2 > 300μs の達成へ…“Si技術の構築”

Fread > 99.5% （従来値~90％）

S T S T

量子テレポーテーション、 測定ベースのフィードバック制御、 量子エラー訂正等への応用へ …“量子回路の高度化”

CN

OT

Toff

oli

error

U

or(2) (3)

４、５重量子ドットの電子状態制御達成

T2* = 10 ns （GaAs） T2* = 2 μs （自然Si）

今後

大強度 広帯域 周波数もつれ状態の実現と応用

研究代表者 京都大学 竹内繁樹 共同研究者 九州大学 横山士吉、広島大学 ホフマンホルガ、新潟大学 岡寿樹

広帯域周波数量子もつれ光とは、２つの光子が、それぞれ広い周波数帯域（エネルギー）にわたり相関をもって存在する状態です。 本プロジェクトでは、導波路型チャー

プ擬似位相整合素子や窒化シリコンリング共振器を用い、広帯域周波数量子もつれ光を大量に発生する光源を開発します。また、開発した光源により、1μm以下の超高分解能をもつ、量子・古典ハイブリッド光断層撮影システムや、量子もつれ時間分解分光法など、あらたな量子光計測技術の実現を目指します。

同時

計数

[/10s]

Delay cτ/2 [μm]

0.54 μm

分散媒質 なし

分散媒質 1mm厚の 水

量子OCT

超広帯域量子もつれ２光子量子干渉 分解能 0.54μm

古典OCT 2.0

1.5

1.0

0.5

0.0-4 -2 0 2 4

Experiment Theory

Delay cτ/2 [μm]

Norm

aliz

ed i

nte

nsi

ty

1.5 μm

遅延 cτ/2 [μm]

Norm

aliz

ed i

nte

nsi

ty 2.0

1.5

1.0

0.5

0.0-4 -2 0 2 4

Experiment Theory

7.8 μm

同時

計数

[/10s]

0.56 μm

遅延 cτ/2 [μm]

成果： 世界最大の帯域（790-1610nm,193THz)をもつ、

周波数もつれ光子対を実現1。

可視～近赤外の超広帯域もつれ光子対も実現、 量子OCT分解能 0.54μm を達成。

古典OCTの最高分解能0.75μmを上回る結果

超高分解能で分散耐性を初めて実証2

1Tanaka et. al., Opt. Exp., 20, 25228(2012). 2Okano et. al., Scientific Reports 5, 18042 (2015).

今後：

大強度広帯域量子もつれ光源を開発、量子OCTの高速化、ならびに狙った部位を量子OCTで超高感度撮像する「量子・古典ハイブリッドOCTシステム」の実現などを目指

します。

16

室温超偏極 量子鈍感符号化 量子敏感符号化

「3つの量子技術」を駆使して NMR/MRIの感度を1000倍に

1. 初期化 2. デリバリー 3. センシング

室温超核偏極と量子符号化による 超高感度生体MRI/NMR

代表者 北川 勝浩 大阪大学基礎工学研究科 分担者 吉岡 芳親 大阪大学免疫学フロンティア研究センター 分担者 森田 靖 愛知工業大学工学部応用化学科

研究体制

・水溶性試料のトリプレットDNP による高偏極化に成功

小動物用MRI

溶解 + 注射

レーザ

トリプレットDNP 超偏極試料

最新の成果

サンプルの重水素化により 溶解前で偏極率0.8%を達成 （3T、300Kの熱平衡信号の約800倍）

Fig. 1Hスピン偏極のビルドアップ

今後の展望

0 0 5 10 15

0.2

0.4

0.6

0.8

[min]

Pola

riza

tio

n [

%]

・高感度NMR/MRI装置の開発

・量子符号化の理論・実験的研究

・代謝イメージング用センサ分子の合成

・医療、生命科学に資する高感度 NMR/MRIの実験

マイクロ波

超伝導人工原子を使った光子ベースの量子情報処理

チ ー ム 構 成

蔡 兆申 （研究代表 理科大） 超伝導量子回路

ノリ フランコ （理研） 量子情報理論

日高 睦夫 （産総研） 超伝導 LSI（高Q共振器）

寒川 誠二 （東北大） 超伝導 LSI（低欠陥プロセス）

概要：

万能量子計算を構成することが可能な、マイクロ波光子のクラスター量子状態を、超伝導量子回路を用いての生成する。ゲート操作型の量子計算回路に比べ、インフラストラクチャはより簡単となる。

目標：

小型の超伝導クラスター量子状態回路の動作実証実験（10ビット程度）。

エンタングルメント

単光子生成

単光子計測 超伝導

人工原子 （光子源）

超伝導 人工原子

（光子計測）

超伝導共振器

結合器

光子量子ビット

１ 次 元 ア レ ー

結合器

回路方式

最新成果 論文10編 招待講演17件など

50 mc e

トランズモン型（電荷量子ビット） オンデマンド単光子源開発

共振器への光子注入実験

二つの共振器の結合実験

今後の展望（短期目標）

単光子源の効率向上 単光子源と結合した単光子読み出し実現。 超伝導量子回路によるクラスター状態生成のプロトコル作成。

29年度における提案募集

① 量子系の状態制御の高度化による量子情報処理要素技術の実現 ② 革新的量子システム機能の実現によるスケーリング可能な量子情報

処理技術の実現 ③ 量子多体系の制御による新たな量子シミュレーション技術の実現 ④ 光子や電子の高度量子状態制御による量子通信要素技術の実現とシ

ステム実証 ⑤ ナノ技術や新材料技術の開拓による新たな量子融合デバイスの実現 ⑥ 量子効果や量子光学の高度な活用による超高精度計測・センサー技

術の高度量子状態制御による革新的バイオ・医療計測技術の実現 ⑦ 新たな概念に立脚した量子技術の開拓とその応用展開

量子技術の発展に資するテーマを広く募集 既存の量子技術を超えたオリジナリティとビジョンを

有する提案を期待

テーマの例

領域運営

各研究課題の中間評価を通常より１年前倒し、研究開始の２年後に実施

中間評価結果に基づいて、研究領域内、研究チーム内の組み替えを要請する場合有り

必要に応じて研究費の増減を実施

29年度 30年度 31年度 32年度 33年度 34年度

第一回公開シンポジウム

日時：５月２５日（木） １３時から１９時３０分まで（含交流会） 場所：東京大学駒場リサーチキャンパス