CREST (VII)

JST 과학기술진흥기구

연락처 : 科学技術振興機構　産学官連携ネットワーク部

〒102-0076　東京都千代田区五番町７　K’s五番町

Ｔｅｌ: 03-3238-7682　

Ｆax : 03-3238-5373

http://www.jst.go.jp/kisoken/crest/press/index.html

□ 목적

사회 경제적 요구의 실현을 위한 전략 목표에 대해 설정된 임팩트 큰 혁신 시즈를 창출하기

위한 팀형 연구입니다. 전략 창조 사업 중 전체 규모로는 최대이고 하나의 영역에 강력한

연구 군단이 함께하여 국가 정책 실현을 위한 연구를 추진합니다. 국가의 과학 기술 정책과

사회적 · 경제적 요구를 근거로 사회적 충격의 큰 목표(전략 목표)를 국가(문부과학성)가 설

정합니다. 전략 목표는 미래의 연구성과를 국민에게 환원하는 모습을 보여주는 것입니다.

□ 보도 발표 (2017년도)

http://www.jst.go.jp/kisoken/crest/press/index.html

[과제1] 음전하를 가진 수소의 새로운 성질을 발견 ~ 압축하기 쉽고, 금속 원자 사이의

상호 작용을 차단 ~

[과제2] 그라데이션 변화하는 조광 유리의 개발에 성공

[과제3] 스핀이 편중 된 초전도 상태의 검증에 성공 ~ 토폴로지 컬 초전도의 실현을 향해

서 ~

[과제4] 와세다 대학, 지역 특성을 도시 규모로 파악한 배전 계통 모델을 국내외에 공개

도쿄 전력 PG · 중 데코 관전가 운용하는 실제 배전선 데이터를 기반 모델 구축

[과제5] 풍력 발전의 대량 도입 하에서도 전력의 안정 공급을 실현하는 플러그인형 제어

기술 개발

[과제6] 토폴로지 변화에 따른 거대 자기 저항 효과를 발견 ~ 비 소산 전류 스위칭 원리

를 확립 ~

[과제7] 경제적 불평등과 우울증 경향을 연결하는 편도체와 해마의 기능을 해명 ~ 두뇌

활동 패턴에서 1 년 후 우울증 경향을 예측 ~

[과제8] "웨일 자성체"를 세계 최초로 발견 ~ 웨일 입자로 구동하는 차세대 양자 디바이

스 실현에 길 ~

[과제9] 불량 미토콘드리아 표적을 제거하는 구조를 해명 ~ 파킨슨 병의 치료제 개발에 기

대 ~

[과제10] 궁극의 대규모 광양자 컴퓨터 실현 방법을 발명 ~ 1 개의 양자 텔레포테이션 회

로를 반복 이용 ~

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[과제1] 음전하를 가진 수소의 새로운 성질을 발견 ~ 압축하기 쉽고, 금속 원자 사이의

상호 작용을 차단 ~

□ 배경 :

수소는 전자가 1 개로 구성된 주기율표에서 최초로 등장하는 가장 간단한 원소입니다. 산화

물 등의 무기 물질에서 수소에서 전자가 하나 손실, 적극적으로 청구 양성자 (H + )로 존재

합니다. 한편, 전자를 하나 받았다 음전하의 수소 이온은 히도리도 (H - )라고 합니다. 최

근 들어, 히도리도 산화물에서 안정하게 존재하는 합성 기술이 개발되어 왔습니다. 그 결과

새로운 물질이 속속 보고되고 있어 획기적인 고체 연료 전지 및 촉매 등 미래의 수소 사회

의 기반이 되는 재료의 후보로 기대를 모으고 있습니다. 그러나 현재는 히도리도 관한 기본

적인 성질조차 거의 알고 있지 않기 때문에, 그것을 포함한 재료의 기능 예측에는 한계가

있었습니다.

□ 내용 :

히도리도를 포함 페롭 스카이 트 형이라고 결정 구조를 갖는 산화물 SrVO 2 H (Sr : 스트

론튬, V : 바나듐, O : 산소, H : 수소)에 압력을 넣고 히도리도에 특유의 새로운 두 성질을

발견했습니다. 첫 번째 특징은 히도리도가 매우 부드럽고 압축하기 쉬운 것입니다. 대기압

하에서 거의 같은 크기의 산소 이온을 테니스 공이라고하면 히도리도 연식 공처럼 약 두 배

나 줄어들기 쉬운 것이 밝혀졌다.

그림 1. 히도리도 (H - )와 산소 이온 (O 2- )의 모식도. 고압

하에서는 히도리도가 두 배 압축된다.

다가올 수소 사회를 향해 히도리도를 포함하는 화합물, 특히 히도리도를 포함하는 산화물이

최근 속속 보고되어 오고 있습니다. 최근 히도리도를 포함하는 산화물을 새로운 전지 재료

로 이용하려는 시도 등 실용적인 관점에서도 연구가 진행되어오고 있습니다. 이번에 얻어진

결과는 히도리도를 이용하여 두꺼운 큰 세퍼레이터를 사용하지 않아도 원자 수준에서 전자

상태의 차원 성을 제어 할 수 있음을 보여줍니다. 전자 상태는 물질의 기능에 직결하기 때

문에 전자 상태를 자유 자재로 제어 할 고급 기능을 가진 자기 · 전자 재료를 얻는데 있어

서 필수 불가결 한 요소입니다. 이번에 얻어진 새로운 전략을 사용하여 향후 히도리도를 포

함한 다양한 재료가 개발 될 것으로 기대됩니다.

그림 2. SrVO 2 H의 금속 (V) 사이의 상호 작용

□ 연구문의처

교토 대학 대학원 공학 연구과 물질 에너지 화학 전공 교수 (카게 야마 히로시)

Tel : 075-383-2506 Fax : 075-383-2510 

E-mail :

[과제2] 그라데이션 변화하는 조광 유리의 개발에 성공

□ 배경 :

태양의 효율적인 차단은 사람들의 거주 공간과 이동 공간에서 에어컨의 에너지 절약에 유효

하다고 생각합니다. 예로부터 일본에서는 차양이 있는 집에 살고 고도가 높은 여름의 태양

을 차단하고 고도가 낮은 겨울 태양은 실내에 도입 궁리를 하고 왔습니다. 한편, 전기 등을

통해 투과되는 빛의 양을 조절할 수 있는 조광 유리는 그 때 햇빛의 강도에 따라 창문의 차

광도를 조정할 수 있기 때문에 처마 설치할 수없는 창문 (예를 들어, 빌딩 나 비행기)에 사

용이 기대됩니다.

그림 1. 차광 상태 (왼쪽)에서 투명 (오른쪽)에 그라데이션 변화하는 조광

유리 (크기 : 20 × 20cm)

차광 가능한 조광 유리로는 전기 변색 (EC) 방식, SPD (Suspended Particle Device) 방식,

가스 크로믹 방식 등을 들 수 있습니다. 그 중에서도 세계적으로 가장 활발하게 연구가 진

행되고 있는 것은 EC 방식입니다. 이것은 전기로 색이 변하는 물질 (일렉트로 크로믹 (EC)

물질)을 이용한 조광 유리이며, 차광시 색상과 색상 변화의 속도는 사용 EC 재료에 따라

크게 달라집니다. 물질의 산화 상태가 장치에서 유지되는 한, 외부 전력없이 차광 상태가

계속되기 때문에 저전력입니다. 실용화 예로는 보잉 787의 창문이 있습니다. 또한, 차광 기

능이 없는 조광 유리로는 액정을 이용한 장치가 있습니다. 이것은 젖빛 유리 상태와 투명

상태가 바뀌므로, 회의실 파티션 등 주로 개인 정보를 보호 할 목적으로 사용됩니다.

그림 2. 차광 관한 보호소의 효과

차광을 목적으로 한 조광 유리 종래의 문제점 중 하나는 집의 처마와 달리 창문 일면이 차

광되므로 차광 된 창밖의 경치는 보이지 않습니다. 만약 차광되는 부분과 그 면적을 자유롭

게 바꿀 수 있는 조광 유리라면 집의 처마처럼 차광과 전망을 양립 할 수 있다고 생각합니

다.

□ 내용 :

이번 색상 변화의 응답성이 뛰어난 유기 / 금속 하이브리드 폴리머를 EC 재료로 사용함으

로써, 3V의 전압을 인가하여 투명도 및 암막 부분이 그라데이션 변화하는 조광 유리 제작에

성공합니다. 그라데이션 변화의 중간에 전력 공급을 중지하면 그라디언트의 상태를 유지할

수 있습니다. 전지를 연결 한 측면에서 색상 변화하므로, 다양한 차광 상태를 만들 수 있습

니다.

그림 3. 이번 사용한 유기 / 금속 하이브리드 폴리머과 일렉트로 크로믹 변화

이번 유기 / 금속 하이브리드 폴리머 빠른 색상 변화 특성을 살린 그라데이션 변화하는 조

광 유리 제작에 성공했습니다. 이번 기술을 활용하여 자동 산세이도 (자동 차광) 기능을 자

동차 앞 유리에 부여하고 운전의 안전성을 강화하고, 고층 빌딩의 창문에 도입하여 차광에

의한 공조의 에너지 절약과 전망 의 양립을 달성하기위한 편안하고 안전한 생활에 공헌을

목표로 합니다. 따라서 향후 내열성 및 내광성의 성능 향상과 얼룩의 수정 등의 추가 개발

을 통해 높은 기능성과 안정성을 겸비한 조광 유리 제작을 달성 할 계획이다.

그림 4. 장치 구조와 전압인가했을 때의 색깔 변화의 모식도

그림 5. 투명 전극의 구조 (구분 된 투명 전극끼리 얇은 투명 전극으로 연결됩니다)

□ 연구문의처

• 물질 · 재료 연구기구 기능성 재료 연구 거점 전자 기능 고분자 그룹 (히구치 마사요시) 

Tel : 029-860-4744 Fax : 029-860-4721 

E-mail : 

URL : http : //www.nims .go.jp / fmg / index.html

• 와세다 대학 나노 라이프 창 새로운 연구기구 연구원 교수 (오하시 히로유키)

Tel : 03-5286-8341 

E-mail :

• 타마 미술 대학 미술 학부 생산 디자인학과 제품 디자인 연구소 교수 (하마다 요시하루) 

Tel : 042-679-5624 

E-mail :  

• 타마 미술 대학 정보 디자인학과 미디어 예술 과정 연구실 교수 (쿠보타 아키히로) 

Tel : 042-679-5634 

E-mail :

[과제3] 스핀이 편중 된 초전도 상태의 검증에 성공 ~ 토폴로지 컬 초전도의 실현을 향해

서 ~

□ 배경 :

"토폴로지컬 절연체"는 물질 중의 전자 상태의 토폴로지 (위상 수학)을 반영하여 내부 에너

지 갭을 가진 절연체이면서 표면에 전기를 통하는 금속이 되는 특수한 물질이 활발히 연구

되고 있습니다. 이 토폴로지컬 절연체에서 물질 내부에 초전도 갭을 가지면서 표면과 가장

자리(에지)는 토폴로지컬로 보호된 금속 상태를 나타내는 물질이 이론적으로 제안된 "토폴

로지컬 초전도체"라 명명되어 있습니다. 토폴로지컬 절연체의 표면 상태는 전자로 구성되는

반면, 토폴로지컬 초전도체의 가장자리에 마요라나 페르미온이 나타날 것으로 예견하고 있

습니다. 마요라나 페르미온은 양자 컴퓨터에서 양자 비트로 이용이 제안되고 있다. 기존의

양자 비트는 전자파의 자극 등에 의해 0과 1의 상태 변화를 일으켜 양자 논리 연산을 수행

합니다. 이 경우 환경에서 온도와 전자 노이즈의 영향에 의해 의도하지 않은 상태 변화도

쉽게 일어나기 때문에 많은 양자 비트를 연동시켜 필요한 계산 시간 만 움직이는 것이 어렵

고, 실용적인 양자 컴퓨터의 실현 100 년 이상 걸릴 것으로 예상되고 있습니다. 한편 마요

라나 페르미온을 가진 양자 비트는 입자를 교환하는 순서를 결정하는 것만으로 0과 1의 상

태 변화를 계획대로 할 수 있기 때문에 원리 적으로는 오류를 발생시키지 양자 컴퓨터를 만

들라고 있습니다. 따라서 마요라나 페르미온의 실험적 관측을 수많은 연구자들이 목표로 하

고 있지만, 현재는 토폴로지 컬 초전도가 보고 된 예가 적고, 마요라나 페르미온의 존재를

둘러싼 논쟁이 계속되고 있습니다.

□ 내용 :

전자 파 간섭 무늬와 초전도 갭 동시에 관측 할 수 있는 STM / STS라는 기술은 향후 토폴

로지컬 초전도의 완전히 검증, 심지어 마요라나 페르미온의 직접 관찰을 위한 강력한 무기

가 될 것으로 기대합니다.

그림 1. 스핀 편극 한 β-PdBi 2 표면 상태에

기인하는 전자 간섭 무늬

토폴로지컬 초전도 자체의 증거를 얻기 위해서는 향후 0.4K보다 낮은 온도에서 더 높은 에

너지 분해능의 측정을 수행해야합니다. 또한 마요라나 페르미온은 자기장 형성되는 소용돌

이 실심에 존재하는 것을 기대할 수 그 때 독특한 스핀 모양을 만듭니다. 전자 파 간섭 무

늬에서 스핀 편극에 대한 정보를 얻을 수 있지만, 스핀의 모양 자체의 정보는 얻을 수 없습

니다. 현재 스핀의 공간 분포를 직접 파악할 수 있는 STM을 개발하고 있으며, 조만간 마요

라나 페르미온의 직접 관측 할 예정입니다.

그림 2. β-PdBi 2 표면에서 관찰 된

초전도 갭

□ 연구문의처

• 이화학 연구소 응급 물성 과학 연구 센터 응급 물성 측정 연구팀 (이와 타니 가쓰야, 하

나구리 테츠오)

Tel : 048-467-1327 Fax : 048-462-4656

E-mail : (이와 타니), (花栗)

• 도쿄 공업 대학 과학 기술 창성 연구원 프론티어 재료 연구소 교수 (사사가와 타카오)

Tel / Fax : 045-924-5366

E-mail :

[과제4] 와세다 대학, 지역 특성을 도시 규모로 파악한 배전 계통 모델을 국내외에 공개

도쿄 전력 PG · 중 데코 관전가 운용하는 실제 배전선 데이터를 기반 모델 구축

□ 배경 :

최근 태양광 발전 등의 분산 형 전원의 보급과 디맨드 리스폰스를 포함한 수요 조절 등 수

용가의 에너지 소비 행태가 급변하고 있다. 미래의 에너지 수급 구조 전체를 전망, 그 공급

인프라에 미치는 영향을 고려하는 것이 또한 공급 측면과 전력 시스템의 말단인 수요를 연

계한 에너지 관리 시스템 (EMS)을 평가 · 검토하는 것이 중요하다.

현재 일본 국내외에서 유통 라인 단위의 평가 모델은 존재하지만 면적당 세부적인 부하 분

포 정보를 가지며 배전 계통 정보를 포함한 표준 모델은 본 연구 그룹이 아는 한 존재하지

않는다. 그러므로, 대학, 연구 기관은 지금까지 자신의 배전 계통 모델 개발 기술을 평가하

고 있었다. 그러나 개발 기술을 공정하고 정량적으로 비교 평가하기 위해 실제 데이터를 기

반으로 다용도 배전 계통 모델을 구축 · 공개하고 누구나 사용할 수 있는 환경을 정돈 할

필요가 있다.

□ 내용 :

도쿄 전력 PG 중부 전력, 간사이 전력이 운용하는 실제 유통 라인 데이터를 바탕으로 대상

배전 계통의 지역성이나 부하의 특성을 모의하는, 지리 정보를 갖는 배전 계통 모델 구축

방법을 개발했다. 구체적으로는 실제 배전선 정보를 바탕으로 별도 취득한 일반 가정, 빌딩

등에서 실측된 전력 소비 데이터에서 각 수용가의 건물 용도 전력 소비 곡선을 추정하고 실

제 지역을 모의하는 듯 한 배전선 선정 방법 · 지리 정보 부여 방법을 개발했다. 구축한 모

델의 4 가지 특징을 다음에 적는다.

• 실제 배전 계통을 모의 : 각 전력 회사가 제공하는 실제 유통 라인 데이터 (설비 부하 등)

을 바탕으로 실태에 입각 한 배전 계통 모델 구축

• 변전소 단위로 배전 계통 모델링 : 기존의 유통 라인 단위 모델에 대해 배전용 변전소 단

위의 시스템 모델을 구축함으로써 도시를 대상으로 한 광범위한 해석이 가능

• 전력 수요 특성의 모의 : 수요의 부하는 BEMS 측정 정보, NEDO 군마현 오타지역 입증,

일반 가정의 측정 정보 등을 바탕으로 추정 - 실재하는 도시의 건물 (편의점, 빌딩 등)의

전력 수요 특성을 고려하여 모델을 구축

• 지역 정보 추가 : 배전 계통에 가상으로 지리 정보 (위도, 경도)를 부여함으로써 구름의

이동에 따른 일사 정보 변화와 전력 부하가 되는 전기 자동차의 이동 등을 상정한 해석이

가능

실제 데이터를 기반으로 구축된 포괄적인 도시 규모의 배전 계통 모델은 배전 설비 정보뿐

만 아니라 상세한 지리 정보를 구비하고 있으며, EMS를 정량적으로 평가하기 위한 범용적

인 계산 시뮬레이션 플랫폼으로 역할을 한다. 위의 특징을 측면으로 파악한 모델을 국내외

에 공개함으로써 대학이나 연구 기관이 실태에 입각한 대규모 (도시 규모) 시뮬레이션을 동

일 조건으로 할 수 있게 된다.

향후과제는 구축한 모델에서 인구 감소에 따른 수요 구성의 변화 및 에너지 절약 기기 보급

에 의한 전력 수요 감소를 시간축으로 어떻게 표현할지, 또한 예측이 어려운 전기 자동차의

이동과 충방전을 어떻게 모델화되었는지 등이 앞으로의 과제이다. 또한 모델 계통의 규모가

크고, 보다 상세하게 모의할 정도로 계산이 복잡하기 때문에 계산 속도의 고속화 등이 향후

고려 사항으로 생각한다.

[과제5] 풍력 발전의 대량 도입 하에서도 전력의 안정 공급을 실현하는 플러그인형 제어

기술 개발

• 포인트 1 : 풍력 발전이 대량으로 도입되면 전력의 안정 공급이 어려워지지만, 전력 시스

템 전체에 대한 지식과 정보를 필요로 하지 않고, 안정 공급의 신뢰도를 향상

시키는 제어 기술은 지금까지 없었다.

• 포인트 2 : 이번에 개발 한 제어 알고리즘은 풍력 발전기 단체에 관한 지식이나 정보만으

로 설계 및 적용이 가능한 플러그인 형이다.

• 포인트 3 : 풍력 발전이 대량 도입된 상황에서의 전력 안정 공급의 실현을 위한 새로운

기술로 기대된다.

□ 배경 :

미국과 유럽을 중심으로 전력 시스템에 풍력 발전의 도입이 활발히 진행되고 있으며, 우리

나라에서도 풍력 발전의 도입량은 앞으로도 증가 할 것으로 전망되고 있습니다. 그러나 풍

력 발전의 도입량이 증가함에 따라 전력 시스템의 계통 안정도가 저하되는 것으로 알려져

있습니다. 계통 안정도가 저하하면 낙뢰 등을 계기로 정전 등의 중대한 결함이 발생 될 가

능성이 높아져 전력의 안정 공급의 신뢰성이 저하되어 버립니다. 따라서 계통 안정도 향상

에 필요한 풍력 발전기 제어 기술 개발은 향후 풍력 발전의 대량 도입을 위해 매우 중요합

니다.

계통 안정도를 높이기 위해 전통적인 방법의 하나로 화력 발전기와 풍력 발전기 일반적으로

비치되어있는 PI 제어기 등의 매개 변수 조정으로 알려져 있습니다. 여기서 컨트롤은 발전

기 내부의 전류 및 전력 계통과의 접속점의 전압 등을 측정함으로써 발전기 내부의 회전자

전압을 적절한 값으로 수정하기 위한 제어 알고리즘과 그것을 탑재한 기기를 말합니다. 그

러나 기존의 파라미터 조정 지표는 지금까지의 전력 시스템의 운용 실적에서 경험적으로 작

성된 것이며, 풍력 발전이 대량 도입된 미래의 전력 시스템에 대한 계통 안정도를 향상시킬

수 있는 보장은 없습니다.

그림 1. 풍력 발전 도입량에 대한 계통 안정도의 변화

이러한 매개 변수 조정 이외의 방법으로 전력 시스템 전체의 수리적인 모델을 얻을 수 있다

는 것을 전제로 기존의 제어 이론을 적용하여 새로운 제어 알고리즘을 구축 할 생각입니다.

그러나 현실의 전력 시스템은 매우 복잡하고 대규모이기 때문에 전력 시스템 전체의 수학적

모델을 구축하는 것 자체가 큰 문제입니다. 또한 이 방법은 새로운 설비가 증설되는 등 전

력 시스템의 부분적인 변화에 대해서도 그 자세한 정보를 반영하여 제어 알고리즘을 재설계

해야 됩니다. 따라서 전력 자유화에 따라 더욱 복잡해지는 미래의 전력 시스템에 적합하다

고는 말할 수 없습니다.

이러한 배경에서 새롭게 도입하는 풍력 발전기에 관한 수학적 모델에 기초하여 제어 알고리

즘을 설계하고 적용하는 것만으로 안정적인 전력 안정 공급이 전력 시스템 전체에서 실현

가능한 플러그인형 제어 기술의 개발이 요구되고 있었습니다. 이것은 여러 독립적인 사업자

가 기존의 전력 시스템의 계통 안정성 저하를 우려하는 일없이 자신의 발전기를 자유롭게

도입 · 교체 · 철거하기 위해 필수적인 기술입니다.

□ 내용 :

풍력 발전기 (또는 풍력 발전기 군)에 대해 상술한 플러그인형 제어 알고리즘 설계 기술을

세계 최초로 개발했습니다. 결과는 다음의 2 가지로 정리합니다.

1) 개장 제어 이론에 기반 플러그인 형 제어 알고리즘 설계

본 연구에서는 이시 자키 조교들에 의해 제안 된 개장 제어 이론을 활용하여 풍력 발전기에

대한 제어 알고리즘을 적용함으로써 시스템 안정성을 향상하는 새로운 플러그인 형 제어 기

술을 개발했습니다. 제안하는 제어 기술의 개요를 그림 2 에 나타냅니다.

그림 2. 제안하는 제어 기술

개장 제어 이론 및 제어 할 시스템 (여기에서는 전력 시스템 전체)가 매우 많은 서브 시스

템 (화력 발전기, 풍력 발전기, 전력 소비자 군 등)으로 구성되어 있었다고 해도, 개별 서브

시스템 (독립 사업자의 풍력 발전기 군)에 적용되는 플러그인 형식의 제어 알고리즘이 서로

악영향을 미치는 일없이 전체 시스템의 제어 성능이 향상되는 것으로 나타났다 새로운 개념

의 제어 이론입니다. 각 발전기에 적용되는 제어 알고리즘은 일반적인 풍력 발전기의 제어

알고리즘 이외에 주목하는 풍력 발전기의 수학적 모델 만에서 구축 가능한 수치 시뮬레이터

가 내재하는 특징적인 기구를 가지고 이 기구가 여러 제어 알고리즘 간섭에 의한 악영향을

방지합니다. 따라서 개별 제어 알고리즘의 파라미터 조정 등도 계통 안정성 저하를 우려하

는 일없이, 사업자마다 독립적으로 할 수 있습니다.

2) 실제 데이터를 기반으로 상세한 시뮬레이션 실험의 실시

1)에서 제안한 제어 기술의 유효성을 검증하기 위해 IEEE68 버스 시스템이라는 전력 시스

템의 수치 시뮬레이터에 풍력 발전기를 연결하여 상세한 시뮬레이션 실험을 실시했습니다.

낙뢰 등의 사고로 인한 교란이 발생했을 때 모든 발전기의 주파수 60 헤르츠에서 벗어나

시간 변동을 보여줍니다. 이 결과에서 제어를 하지 않은 경우(붉은 점선)는 주파수의 변동

이 지속되고 있는 반면, 제안하는 플러그인형 제어 알고리즘을 풍력 발전기에 적용함으로써

신속하게 교란의 영향이 제거, 계통 안정도가 향상되고 있는 것을 알 수 있습니다.

2 개의 풍력 발전기가 다른 사업자에 의해 도 된 상황을 상정하여 제안된 방법에 따라 개

별적으로 제어 알고리즘을 적용한 경우의 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 이 결과에서 풍력

발전기 1 부근에서 교란이 발생했을 때 사업자 1의 제어 알고리즘에 의해 교란의 영향을

신속하게 제거되는 것을 알 수 있습니다. 한편, 사업자 2의 제어 알고리즘은 풍력 발전기 1

부근의 교란에 대해서는 작동하지 않는 것을 알 수 있습니다. 그 이유는 언급한 제어 알고

리즘에 내재하는 수치 시뮬레이터기구가 각각의 교란이 자신의 관리 발전기 부근에 생긴 것

인지 여부를 제대로 확인하고 제어 동작을 하고 있기 때문입니다 . 마찬가지로 풍력 발전기

2 부근에서 교란이 발생한 경우에는 사업자 2의 제어 알고리즘만 작동합니다. 이러한 결과

는 여러 운영자가 독립적으로 설계한 제어 알고리즘이 동시에 적용되어 있었다고 해도, 그

들은 서로 영향을 주지 않고 전력 시스템 전체의 계통 안정도가 향상되는 것을 보여줍니다.

향후 풍력 발전 외에도 태양 광 발전과 축전지를 포함한 보다 복잡한 상황에서의 전력 시스

템 시뮬레이터를 이용한 시뮬레이션 실험을 실시하여 실제 전력 시스템에의 적용을 목표로

합니다.

그림 3. 두의 풍력 발전기가 도입 된 상황의 시뮬레이션 결과

□ 연구 문의처

도쿄 공업 대학 공학원 시스템 제어계 교수 (이무 준이치)

〒152-8552 도쿄도 메 구로구 오 오카야마 2-12-1 W8-1

Tel / Fax : 03-5734-3635

E-mail :  

URL : http : //www.cyb.mei.titech.ac.jp/crest/

[과제6] 토폴로지 변화에 따른 거대 자기 저항 효과를 발견 ~ 비 소산 전류 스위칭 원리

를 확립 ~

□ 배경 :

에너지 손실을 수반하지 않는 전자 수송 현상으로 초전도가 유명하지만, 최근 물질 중의 전

자 상태를 토폴로지에 의해 특징했다 토폴로지 컬 물질에도 에너지 손실없이 "토폴로지 컬

전류」를 흘릴 수 알고 왔습니다. 이러한 토폴로지 컬 전류는 실온에서 사용할 수 있는 가

능성도 있어, 세계적으로 활발하게 연구되고 있습니다. 토폴로지컬 전류를 일으키는 대표적

인 예로 "변칙 홀 효과"가 있습니다. 변칙 홀 효과는 자성 원소를 첨가 한 '토폴로지컬 절연

체」에서 2013 년에 처음 보고 되었습니다. 이 상태에서는 토폴로지컬 전류의 일종인 “끝

전류”를 자성체 박막 시료의 가장자리와 자벽을 따라 흐르게 할 수 있습니다. 최근에는 변

칙 홀 효과를 더 고온에서 안정적으로 실현하기위한 연구와 동시에 끝 전류를 이용한 새로

운 기능성 창출 연구가 진행되고 있습니다. 끝 전류를 작은 외부 자극에 의해 자유롭게 제

어 할 수 있는 경우, 토폴로지컬 전류의 응용의 폭을 크게 넓힐 수밖에 없습니다.

그림 1. 변칙 홀 효과를 이용한 토폴로지컬 단 전류 스위칭 소자의 모식도

□ 내용 :

고품질의 박막을 성장시키는 방법 중 하나인 분자선 에피택시법을 이용하여 자성 원소 V

(바나듐)와 Cr (크롬)을 첨가한 토폴로지컬 절연체 "(Bi 1 -y Sb y ) 2 Te 3 (Bi : 비스무

스, Sb : 안티몬, Te : 텔루르) "의 적층 구조 박막을 개발했습니다. 박막의 상단과 하단에

선택적으로 자성 원소인 V 및 Cr을 각각 첨가하여 자성 / 비자 / 자성의 삼층 구조를 형성

하고 있습니다. 전기 저항과 홀 효과를 측정하기 위해 성장된 박막은 포토 리소그래피에 의

해 직사각형 시료의 양단에 전극이 붙은 모양의 장치로 가공했습니다.

첫째, 상하층 모두 Cr만을 첨가 한 삼층 구조에서 전기 저항을 측정했습니다. 그 결과, 변

칙 홀 효과가 관찰 된 고품질의 자성 토폴로지 컬 절연체 박막이 성장하고 있는 것을 확인

했습니다. Cr만을 첨가 한 구조에서는 변칙 홀 효과에서 읽은 보자력은 0.2 테슬라 (T)였습

니다. 다음으로, 상하층 모두 V만 첨가한 삼층 구조에서도 유사한 측정하여 변칙 홀 효과를

얻을 수 있는지 확인했습니다. 이 경우의 보자력은 0.8T에서 Cr만을 첨가 한 경우보다 커졌

습니다.

이어 상단에 V 하단에 Cr을 선택적으로 첨가한 삼층 구조에 대한 전기 저항을 측정하였다.

박막 시료에 수직 방향으로 강한 외부 자기장 (~ -2T)를 추가하여 V를 첨가한 층과 Cr을

첨가한 층의 자화 방향을 가지런히 한 결과, 변칙 홀 효과가 관찰되었다. 외부 자기장의 방

향을 반전시켜 점점 강하게 나가면 어떤 크기의 자기장 (~ 0.2T)에서 보자력이 작은 Cr을

첨가한 층의 자화가 반전하고 Cr 층과 V 층의 자화 방향이 반대 방향이 (반 평행)되었습니

다. 또한 자기장을 증가시켜 가면, 약 0.2T에서 약 0.7T의 사이에 홀 전도도가 제로가 되었

습니다. 이 자기장 영역에서 전류 단자 사이의 두 단자 저항을 측정하면 변칙 홀 상태의 약

20k 옴 (Ω)보다 10 만 배 큰 2 기가 (G) Ω 이상의 저항 값이 관찰되었다. 이것을 자기 저

항비에 환산하면 10,000,000 % 이상의 매우 큰 값입니다.

이 결과는 외부 자기장에 의한 자화 방향 제어를 실시하는 것으로, 변칙 홀 효과의 위상 변

화를 일으키는 끝 전류를 공급하거나 차단 할 수 있는 것을 보여줍니다. 즉, 비소산 전류

스위칭 원리의 확립을 의미합니다. 또한 이 고 저항 상태는 '액시온 절연체 "라고 양자화 된

전자기 효과의 발현이 이론적으로 예측되고 있습니다. Cr, V 삼층 구조를 개발 한 것으로,

지금까지 모기 연수생들이 보고 한 것과 비교하여 보다 안정적인 액시온 절연체가 실현되었

습니다.

그림 2. 적층 박막의 홀 전도도와 두 단자 저항의 외부 자장 의존성

향후, 자화가 반 평행 상태를 매우 공고히 하는데 성공하고 더 안정적인 액시온 절연체가

실현되었습니다. 따라서 향후 전자기 효과의 측정을 위한 연구에 큰 진전을 기대할 수 있습

니다. 또한 본 연구에서 개발한 적층 박막 시료와 국소적 자기 제어 기술을 결합하여 재구

성 가능한 토폴로지컬 단 전류 회로를 설계 할 수 있다고 생각합니다. 또한, 초전도체 등의

적층 구조를 실현함으로써 양자 컴퓨팅에의 응용에도 이어질 이론으로 간주하고, 본 연구

성과는 미래의 토폴로지 컬 전자의 기반 기술이 될 것으로 기대 있습니다.

□ 연구 문의처

• 이화학 연구소 응급 물성 과학 연구 센터 (모기 마사 타카) 

• 도쿄 대학 대학원 공학계 연구과 교수 (카와사키 마사시)

• 강 상관 물리 부문 강 상관 양자 전도 연구팀 (카와무라 미노루)

Tel : 03-5841-6858 (모기), 048-462-1111 ex. 6114 (카와무라) 

E-mail :  (모기),  (카와무라 )

[과제7] 경제적 불평등과 우울증 경향을 연결하는 편도체와 해마의 기능을 해명 ~ 두뇌

활동 패턴에서 1 년 후 우울증 경향을 예측 ~

• 포인트 1 : 편도체와 해마의 "경제적 불평등"에 대한 반응에서 현재 1 년 후 우울증 경향

을 예측.

• 포인트 2 : 특정 계산에 대한 뇌 활동 패턴에서 예측을 하는 기계 학습 기법을 고안.

• 포인트 3 : 뇌 활동 측정을 기반으로 우울증의 장기 건강 상태 예측과 우울증의 상세한

분류에의 공헌이 기대.

□ 배경 :

경제적 불평등 (격차)의 확대는 현대 사회가 직면 한 가장 심각한 문제 중 하나입니다. 국

내외의 역학 연구를 통해 경제적 불평등과 우울증 증상의 인과 관계가 제안되어 왔지만, 그

뇌 메커니즘은 알 수 있었습니다. 2010 년 하루노 연구 관리자들은 대뇌 피질 아래에 위치

하며, 감정을 관장하는 편도체가 "불평등"에 반응하고 뇌 활동이 자신과 다른 사람과 돈의

배분의 차이를 설명 할 수 있음을 분명히 했습니다. 한편, 편도체와 해마는 시상 하부와 함

께 스트레스 물질의 방출에 관여 우울증 환자에서는 편도체와 해마의 뇌 활동과 부피가 정

상인과는 다른 것으로 알려져 있습니다. 이러한 연구 결과에서 불평등에 대한 편도체와 해

마의 뇌 활동과 우울증 경향의 변화와 관련된 가설을 가지고 실험을 실시했습니다.

□ 내용 :

MRI 장치에서 상대에서 제안되는 돈의 배분을 승인하거나 거부할지 결정하는 "최종 제안

게임"이라는 과제를 실시해, fMRI 데이터를 취득했습니다. "최종 제안 게임"의 목적은 자신

과 상대의 분배의 차이에 대한 감정의 작용을 조사하는 것입니다. 편도체와 해마속의 미세

한 위치가 불평등하게 반응하고 만드는 뇌 활동 패턴에서 예측하는 기계 학습 기술을 고안

하여 우울증 경향의 예측을 시도했습니다. 그 결과 현재 우울증 경향과 1 년 후 우울증 경

향 모두가 예측 가능하다는 것을 알았습니다. 한편, 경제적 불평등과 관련이 없는 다른 뇌

활동 패턴이나 주제의 다양한 행동과 사회 경제적 지위 등으로 우울증 경향을 예측 할 수

있는지 검토 한 결과, 무관하다는 것을 알았습니다. 이러한 실험 결과는 경제적 불평등과

우울증 경향의 관계에서 편도체와 해마가 중요한 역할을 시사하고 있습니다.

그림 1, 편도체와 해마의 위치와 경제적 불평등에 대한 활동 패턴

□ 연구 문의처

• 정보 통신 연구기구 뇌 정보 통신 융합 연구센터 뇌 정보공학 연구실 (하루노 마사히코)

Tel : 080-9098-3239

E-mail : 

[과제8] "웨일 자성체"를 세계 최초로 발견 ~ 웨일 입자로 구동하는 차세대 양자 디바이

스 실현에 길 ~

• 포인트 1 : 새로운 자성 물질 "웨일 자성체"를 세계 최초로 발견했습니다.

• 포인트 2 : 실온에서 10 미리 테스 라의 작은 외부 자기장에 의해 본 물질 중에서 발현하

는 웨일 입자를 제어 할 수 있습니다.

• 포인트 3 : 웨일 입자의 양자 역학적 특성을 이용하여 새로운 기능을 가진 혁신적인 차세

대 디바이스의 개발의 진전이 기대됩니다.

□ 배경 :

질량이 없는 웨일 입자는 1929 년에 이론적으로 제안 된 이후, 고 에너지 물리 분야에서

연구되어 왔습니다. 오랫동안 중성미자가 웨일 입자라고 생각하고 있었지만, 1998 년에 슈

퍼 카미오 칸데 실험에서 질량을 가진 것으로 입증 (2015 년 노벨상) 된 이후, 웨일 입자의

재탐색이 이루어지고 있었습니다. 2015 년, 놀랍게도, 비소 화 탄탈 (TaAs)는 반금속 물질

중에서 낮은 에너지의 전도 전자가 '웨일 입자 "로 행동 할 발견되었습니다. 웨일 입자는 입

자 물리 등 기초 과학 연구 분야뿐만 아니라 물질도 존재 해, 그 특별한 양자 역학적 성질

을 장치 개발에 사용할 수 있는 것으로부터, 현재 웨일 입자에 관한 연구가 세계 확산되고

있습니다. 원래 물질 중의 웨일 입자에는 두 종류가 있는 것으로 알려져 있습니다. 처음에

예언 된 자기 웨일 입자와 그 존재가 예상 된 자성 웨일 입자입니다. 자성 웨일 입자는

TaAs 중에서 그 존재가 입증되었습니다. 한편, 외부 자기장으로 제어가 가능한 자기 웨일

입자는 장치 응용에서 필요 불가결하기 때문에 그 물질 개발에 치열한 경쟁이 이루어지고

있습니다. 그러나 지금까지 자기 웨일 입자의 발견에 성공한 사례가 없습니다. 만약 이러한

물질이 실현되면 기존의 전자의 틀을 넘어선 새로운 패러다임을 줄 것으로 기대되고 있습니

다.

□ 내용 :

반 강자성체인 망간 (Mn)과 주석 (Sn) 합금, Mn 3 Sn에서 "와일드 입자"라고 되는 전도 전

자의 행동을 발견했습니다. 본 웨일 입자는 반 강자성 체내에서 저절로 발생하는 자기장에

의해 창출된 자기 웨일 입자이며, 이번에 세계 최초로 그 존재를 입증했습니다.

그림 1. 반 강자성체 Mn 3 Sn의 결정 구조 및 자기 구조

물질 중의 웨일 입자는 다른 카이라리티가 발생하여 양자 역학에 근거한 파동 함수의 토폴

로지를 기원으로 각각 「N 극」과 「S 극」에 상당하는 자기 물건 폴 (웨일 점)을 형성합

니다. 이러한 웨일 입자가 만들어내는 양자 역학적 효과에 의해 물질 중의 전도 전자가 가

상적인 자기장을 느끼고 거대한 전자 수송 현상이 발생합니다. 지금까지 Mn 3 Sn 거대한

자기 수송 현상과 열전 효과가 관찰되어 왔지만, 그 기원은 알려져 있지 않았습니다. 이번

자기 웨일 입자의 발견에 의해 웨일 입자가 만드는 거대한 가상 자기장이 그 발현기구에 중

요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다.

그림 2. 웨일 입자의 에너지와 운동량의 관계 모식도

또한 이번 발견은 Mn 3 Sn이 외부 자장에 의한 제어에 질량이 없는 자기 웨일 입자를 자

유 자재로 조작 할 수 있는 새로운 자성체 "웨일 자성체"임을 의미합니다. 이것은 웨일 자

성체에 지자기의 20 배 정도 (10 미리 테스 라)의 자기장을 줄뿐만 자기 웨일 입자가 생성

100 ~ 1000 테슬라에 필적하는 거대한 자기장 (가상 자기장을 실 공간의 자기장으로 환산

한 경우 )을 제어 할 수 있는지를 보여줍니다.

이번에 이 물질의 전자 구조를 광전자 분광학 이론적 계산을 조합하여 상세하게 조사한 결

과, 거대한 가상 자기장의 근원이며, 자기 홀극이 될 웨일 점이 페르미 레벨의 극히 근방에

형성된 있음을 분명히 했다 ( 그림 3 ). 자기 웨일 입자가 물질 내에 존재하는 경우, 자기장

과 같은 방향으로 전류가 흐르는 특이한 현상을 이용하여 자기장의 각도와 전류 방향의 실

험에서 보여 실온에서 성공했다 ( 그림 4 ).

이번에 발견된 Mn 3 Sn은 카고메 격자라는 결정 구조를 취하고 망간 원자와 그 스핀이 정

삼각형의 정점을 차지하는 위치에 배치되어 있습니다. 이 때 인접한 스핀이 서로 반대 방향

으로 힘이 작용하여, 서로 120도 기울어 진 상태로 안정됩니다. 이에 밖에서 몇 10 미리

테스라 정도의 아주 작은 자기장을 가하면 약간 자화가 관찰됩니다. 이 자화는 외부에서 자

기장을 제거해도 남아 있습니다. 이렇게 작은 자기장에서 웨일 입자를 조작하여 거대한 가

상 자기장이 발현시키는 양자 수송 현상을 제어 할 수 있음을 보여주었습니다.

그림 3.

그림 4.

향후는 Mn 3 Sn이 와일드 입자와 자성을 겸비한 새로운 토폴로지 컬 물질 "웨일 자성체"임

을 발견했습니다. 자성 금속 중에서 웨일 입자를 발견 한 것은 이번이 처음입니다. 이 바일

자성체는 실온에서 작은 외부 자기장을 주는 와일드 입자를 제어 할 수 있기 때문에 많은

실용 재료에의 응용이 가능 하리라 생각됩니다. 또한, 다양한 응급 전자기적인 현상이 상온

에서 발견 될 것으로 기대됩니다.

또한, 이번 실증 된 자기 웨일 입자의 존재는 이 물질이 나타내는 거대한 자석 수송 효과,

특히 열전 효과의 발현기구의 해명에 큰 전진을 가져 왔습니다. 웨일 입자가 유발하는 이

거대한 수송 현상을 이용하여 웨일 자성체를 이용한 에너지 수확기 스팅 기술 창출로 이어

질 것으로 기대됩니다. 특히 지금까지의 토폴로지컬 물질과는 달리 외장에서 웨일 입자와

그 토폴로지컬 성질을 제어 할 수 있는 첫 케이스입니다. 이러한 특성을 살려 지금까지 없

는 자기 메모리 및 열전 기술 개발에 대한 혁신적인 진전이 기대됩니다. 또한 이 물질로 대

표되는 같은 반 강자성체에 새로운 기능을 갖게 한 혁신적인 차세대 디바이스의 개발의 진

전이 기대됩니다. 그러기 위해서라도 Mn 3 Sn뿐만 아니라 유사 물질 탐색 원소 치환에 의

한 최적화하여 더욱 높은 성능을 가진 웨일 자성체의 개발도 진행하고 있습니다.

웨일 자성체중인 웨일 입자가 발생할 토폴로지컬 매크로 물성에 대해서는 학술적으로도 매

우 관심을 받고 있는 주제입니다. 이 바일 자성체를 무대로, 지금까지 없었던 전자 상관과

토폴로지를 융합한 수송 현상에 근거한 새로운 기능을 제안 할 예정입니다.

□ 연구 문의처

• 도쿄 대학 물성 연구소 극한 일관된 광 과학 연구 센터 조교 (구로다 켄타) 

Tel : 04-7136-3367 

E-mail :

• 도쿄 대학 물성 연구소 양자 물질 연구 그룹 특임 연구원 (토미타 타카히로) 

Tel : 04-7136-3239 

E-mail :

• 도쿄 대학 물성 연구소 양자 물질 연구단 교수 (나카쯔지 사토루)

Tel : 04-7136-3239 

E-mail :

[과제9] 불량 미토콘드리아 표적을 제거하는 구조를 해명 ~ 파킨슨병의 치료제 개발에 기

대 ~

• 포인트 1 : 파킨슨병의 원인이 되는 나쁜 미토콘드리아에 붙일 수 있는 표적을 절단 제거

하는 방법은 알려지지 않았다.

• 포인트 2 : 표적을 절단하는 효소 USP30이 작동하는 상태의 입체 구조를 고해상도로 결

정하고 표적인 유비퀴틴 사슬을 절단하는 방법을 밝혔다.

• 포인트 3 : 표적의 절단을 저해하는 화합물은 파킨슨병 치료제 후보이며 개발로 이어질

것으로 기대된다.

□ 배경 :

효모에서 인간에 이르기 진핵 세포 내에서 76 개의 아미노산으로 구성된 작은 단백질 인

유비퀴틴가 다양한 생물 프로세스를 제어하고 있습니다. 유비퀴틴의 중요성은 널리 인식되

고 있으며, 그 발견과 단백질 분해의 역할을 규명 한 연구에 대하여 2004 년에 노벨 화학

상이 수여되었습니다. 종종 유비퀴틴은 죽 늘어서 묶은 사슬 (유비퀴틴 사슬)로 일하는 것

을 알고 있습니다. 그 연결 사용법의 차이는 유비퀴틴 사슬의 다양한 역할과 관련이 있습니

다.

공동 연구자의 다나카 케이지 도쿄도 의학 종합 연구소 소장의 연구팀은 신경 세포의 불량

미토콘드리아의 축적이 신경 퇴행성 질환인 파킨슨병의 원인 중 하나인 것으로 나타났습니

다. 일반 세포는 정상인의 미토콘드리아가 다양한 스트레스에 의해 불량 미토콘드리아가 되

면 유비퀴틴 사슬이 부가되어 그것을 표적으로 오토 퍼지에 의한 분해가 이루어집니다 ( 그

림 1 ). 이 유비퀴틴 사슬의 특징은 지금까지 대부분 기능이 알려져 있지 않았던 사슬

(Lys6 사슬)이 포함되어 있는 것을 들 수 있습니다.

그림 1. 불량 미토콘드리아의 축적을 원인으로 하는 파킨슨 병 및

USP30과의 관계

USP30 항상 미토콘드리아 외부 막에 존재하는 미토콘드리아에 유비퀴틴 사슬 중 특히

Lys6 사슬을 절단 제거함으로써 미토콘드리아의 과도한 분해가 일어나지 않도록 제어하고

있다고 생각합니다. 따라서 USP30의 기능 해명은 파킨슨병 발병 메커니즘의 이해에 기여할

것이며, 큰 주목을 받고 있었습니다. 그러나 USP30의 기능을 이해하는 데 가장 중요한 유

비퀴틴 사슬의 절단 메커니즘에 대한 자세한 내용은 지금까지 전혀 밝혀지지 않았습니다.

□ 내용 :

연구 그룹은 Lys6 체인이 결합된 USP30의 결정을 제작하고 대형 방사광 시설 SPring-8

BL41XU의 고휘도 X 선 및 고도화 된 측정 장치를 이용하여 그 입체 구조를 고해상도로 결

정했습니다 ( 그림 2 ). 이 입체 구조로 USP30이 Lys6 사슬을 선택적으로 인식하여 절단하

는 자세한 메커니즘이 밝혀졌습니다. 지금까지 다양한 유비퀴틴 사슬 (Lys48 사슬, Lys63

사슬, Met1 체인 등)의 인식 메커니즘이 밝혀지고 있었지만, Lys6 사슬의 인식 메커니즘은

전혀 알 수 있었습니다. 본 연구에서 세계 최초로 Lys6 사슬을 인식 구조가 밝혀졌습니다.

또한 다나카 소장들과의 공동 연구에서 첨단 질량 분석법을 이용하여 USP30에 의한 미토

콘드리아의 폴리 유비퀴틴 사슬의 절단을 분석하고 세포 환경에 가까운 상태에서 USP30의

기능을 분석했다.

그림 2. Lys6 체인이 결합된 USP30의 입체 구조

앞으로 파킨슨병은 노인이 될수록 유병률이 높아지기 때문에 사회의 고령화에 따라 환자 수

는 증가 계속하고 있으며, 발병 메커니즘의 해명과 근본적인 치료법의 확립이 사회적으로

강하게 요구되어 있습니다. USP30의 저해는 불량 미토콘드리아의 제거를 촉진시키기 때문

에 USP30 억제제는 파킨슨병에 대한 치료제의 후보로 주목 받고 있습니다. 본 연구에서 규

명 한 USP30의 고해상도 구조 정보 억제제 설계의 중요한 발판이 파킨슨병 치료제 개발로

이어질 것으로 기대됩니다.

□ 연구 문의처

• 도쿄 대학 분자 세포 생물학 연구소 교수 (카이周也)

〒113-0032 도쿄도 분쿄구 야요이 1-1-1 도쿄 대학 분자 세포 생물학 연구소 본관 306 

Tel : 03-5841-7807 Fax : 03-5841-0706 

E-mail :

[과제10] 궁극의 대규모 광양자 컴퓨터 실현 방법을 발명 ~ 1 개의 양자 텔레포테이션 회

로를 반복 이용 ~

• 포인트 1 : 대규모 양자 계산을 최소 규모의 회로 구성으로 효율적으로 수행 할 수 있는

궁극적인 광양자 컴퓨터 방식을 발명.

• 포인트 2 : 루프 구조를 가지는 광 회로를 이용한 새로운 방식으로 하나의 "양자 텔레포

테이션"회로를 무제한 반복 사용하여 대규모 양자 계산을 실행할 수 있다.

• 포인트 3 : 원리에 100 만개 이상의 큐 비트의 처리가 가능 전망에 대규모화에 필요한 자

원 비용을 크게 줄일 수 광양자 컴퓨터 개발에 혁신을 가져올 것으로 기대된

다.

□ 배경 :

양자 컴퓨터는 현대의 슈퍼 컴퓨터도 엄청난 시간이 걸리는 계산을 순식간에 해결하게 되는

새로운 동작 원리의 컴퓨터입니다. 응용 데이터베이스 검색의 고속화 나 자연 현상의 시뮬

레이션, 기능성 재료 · 의약품 개발 등 다양합니다. 현재 전 세계적으로 원자 이온 초전도

소자 등 다양한 시스템에서 범용 양자 컴퓨터의 개발이 진행되고 있습니다. 그러나 어떤 시

스템에서도 대규모화가 과제가 되고 있으며, 현재에도 수십 큐 비트에서 계산까지만 제공되

지 않습니다.

빛을 이용한 양자 컴퓨터는 실온 대기 중에서도 작동하고 다른 시스템에서 필요한 거대한

냉장고와 진공 장치가 필요 없기 때문에 실용화에 유리합니다. 또한 빛은 공간을 광속으로

이동하기 위해 정보 통신에도 그대로 사용할 수 있다는 장점도 있습니다. 그러나 광양자 컴

퓨터도 대규모화는 다년간의 과제입니다. 오랫동안 광양자 컴퓨터의 실현 방법으로 정보를

태운 다수의 광 펄스를 다수의 광로 상에 동시에 준비하고 그들을 광 회로에 의해 처리하는

방식을 생각했습니다 ( 그림 2 ). 그러나 이 방법은 계산량이 증가하면 회로 규모가 증대하

고, 실용 레벨의 계산을 하려면 방대한 공간과 엄청난 수의 광학 부품이 필요합니다. 따라

서 이 방식에서는 10 큐 비트 정도의 계산이 한계였습니다.

그림 1. 광양자 컴퓨터의 계산의 기본 단위가 되는

양자 텔레포테이션 회로

한편 최근 1 개의 광로 상에 다수의 광 펄스를 일렬로 늘어놓는 방식으로 하면 기존보다

몇 배나 많은 양의 정보를 처리 할 수 있음을 알고 있습니다. 실제로 이 방식에 따라 비교

적 작은 빛 회로에서 양자 얽힘 상태에 있는 100 만개의 광 펄스 (100 만 양자 비트 상당)

을 발생시키는 실험이 이루어졌다. 또한 이 대규모 양자 얽힘 상태의 광 펄스 군을 이용하

면 대규모 계산이 실현 될 수 있음을 알았습니다. 그러나 이 계산 방법은 계산에 사용하지

않는 불필요한 광 펄스가 대량으로 발생하는 비효율적이며, 그 불필요한 광 펄스를 삭제 처

리가 증가분 계산 단계수의 증가와 계산 정밀도가 제한된다는 문제가 있습니다. 따라서 양

자 얽힘 상태의 광 펄스 군을 이용한 대규모 계산은 아직 실현에는 이르지 않았습니다.

그림 2. 양자 텔레포테이션을 이용한 종래의 광양자 컴퓨터 방식

□ 내용 :

도쿄 대학 공학부의 고택 아키라 교수와 다케다 슌타 조교는 광로 상에 일렬로 늘어선 광

펄스를 이용하는 방법을 살리면서 얼마나 대규모 계산도 최소 규모의 회로 구성으로 효율적

으로 수행 할 수 있는 궁극적 인 광양자 컴퓨터 방식을 발명했습니다. 이번 방법의 포인트

는 루프 구조를 가지는 광 회로를 이용한 새로운 방법에 의해 계산의 기본 단위 인 '양자

텔레포테이션 "회로 1 개를 무제한 반복 사용하여 대규모 계산을 할 수 있습니다.

빛을 이용한 양자 계산은 양자 텔레포테이션 회로를 이용하여 실현할 수 있는 것으로 알려

져 있습니다 ( 그림 1 ). 비유한다면, 양자 텔레포테이션 회로 1 블록 (1 단위)는 가감승제

와 같은 기본적인 계산 1 단계 분에 상당합니다. 몇 개의 숫자를 여러번 더하거나 걸거나하

는 복잡한 계산도 양자 텔레포테이션 회로를 블록으로 나란히 하여 수행 할 수 있습니다 (

그림 2 ). 종래와 같이 다수의 광 펄스를 공간적으로 정렬하여 처리하는 방식은 계산량의

증가와 함께 블록 수가 증가하기 때문에 실용 레벨의 대규모 계산을 실현하는 것은 어려웠

다. 한편 이 방식은 시간으로 일렬로 다수의 광 펄스가 1 블록의 양자 텔레포테이션 회로를

여러 번 반복하는 구조로 되어 있습니다 ( 그림 3 ). 루프에서 광 펄스를 순환시켜두고, 1

개의 양자 텔레포테이션 회로의 기능을 바꾸면서 반복 사용하여 계산을 수행 할 수 있습니

다. 이전 예에서 말하면, 1 개의 회로를 어떤 때는 덧셈 어떤 때는 곱셈 같은 기능을 전환

하여 여러 번 사용하는 것입니다. 이 방식의 장점은 다음과 같습니다.

(1) 루프에서 광 펄스를 순환시켜 유지하는 경우, 1 개의 양자 텔레포테이션 회로를 회수

무제한으로 사용할 수 얼마나 큰 계산을 수행 할 수 있습니다.

(2) 구성 요소는 1 블록의 양자 텔레포테이션 회로와 루프 구조의 최소한의 광학 부품만을

필요로 합니다.

(3) 양자 텔레포테이션 회로의 기능 전환 패턴을 적절히 설계하면 모든 광 펄스를 사용하여

낭비없이 효율적인 방법으로 모든 계산을 수행 할 전술 한 양자 얽힘 상태의 광 펄스 군을

용 있던 계산 방법이 가진 단점도 존재하지 않습니다.

그림 3. 발명한 광양자 컴퓨터 방식

이 방법을 이용하면 크고 일반 광양자 컴퓨터가 최소 규모의 광 회로를 이용하여 실현 가능

합니다. 지금까지 원자 이온 초전도 소자 등 다른 시스템에서도 수십 큐 비트 정도가 한계

였다 양자 컴퓨터도이 방식은 원리 상 100 만 개 이상의 큐 비트를 여러 단계의 처리 방식

이 현격 한 차이 대규모 양자 계산이 실행 가능할 것으로 전망됩니다.

그림 4. 실제 양자 텔레포테이션 장치의 전체 상

그림 5. 광 도파로 칩

본 기술은 실용 레벨까지 대규모 화 할 수 있는 광양자 컴퓨터의 디자인을 추구 한 끝에 발

견 한 최고의 광양자 컴퓨터 방식이라고 할 수 있습니다. 그러면 원자 이온 초전도 소자 등

의 다른 방식보다 몇 배나 큰 양자 컴퓨터가 실내 온도 대기 동작하는 빛의 장점을 살리면

서, 또 양자 잡음 한계를 극복하는 궁극적 인 광통신에 적용 가능한 형태로 제공합니다. 이

광양자 컴퓨터는 원칙적으로 얼마나 복잡하고 대규모 계산도 제공하므로 앞으로 다양한 양

자 알고리즘과 시뮬레이션을 실행하기위한 표준 플랫폼이 될 것으로 생각됩니다. 또한 이

방법은 최소 규모의 광 회로만을 필요로 하지 않기 때문에 대규모 양자 컴퓨터의 구현에 필

요한 자원과 비용을 대폭 감소시켜 광자 컴퓨터 개발에 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다.

□ 연구 문의처

• 도쿄 대학 대학원 공학계 연구과 물리 공학 전공 교수 (고택 아키라) 

Tel : 03-5841-6823 Fax : 03-5841-6857 

E-mail :