01

ごあいさつ
Message from the Director

日頃より、私どもN T T 物 性 科 学 基 礎 研 究 所の研 究 活 動に多 大なご支
援・ご関 心をお寄せ頂きまして、誠にありがとうございます。N T T 物 性科 学 基 礎 研 究 所では、1 0 ～ 2 0 年 後を見 据え、速 度・容 量・サイズ・エ
ネルギーなどの点で、従 来のネットワーク技 術の壁を超えるような新 原
理・新概念を創出することを目的として基 礎研 究を行っています。
そして、この新 原 理・新 概 念を創 出する過 程で見 出した有 望な技 術を新しい産業の種とすることにより、中 長 期 的なN T T 事 業への貢 献を果たしています。これらのミッションを達 成するため、物 理・化 学・生 物・数学・電 気 電 子・情 報・医 学などを専 門とする幅 広 い 分 野 の 研 究 者が 、多 元マテリアル創 造 科 学 、フロンティア機 能 物 性 、量 子 科 学イノベー
ションに関する研究分 野で日々研 究に取り組んでいます。
今までは、機 能 物 質 科 学 、量 子 電 子 物 性 、量 子 光 物 性に関する研 究に取り組んでいましたが 、2 0 2 0 年 1 0月に研 究の方 向 性を見 直し、上記分野に取り組むこととなりました。
研 究を進める上では、N T T 内での研 究 協力はもちろんのこと、世 界 各
国 の 大 学 や 研 究 機 関とも幅 広く共 同 研 究を行 い 、「 世 界 に 開 かれた
研究所 」としての役割を果たしています。
その一 環として、これまで「ＩＳＮＴＴ」や「ＮＴＴ-ＢＲＬスクール」など、世界 中から集まる参 加 者とN T T 研 究 者との間の緊 密な交 流を促して参りましたが 、昨 今の新 型コロナ感 染 症の世 界 的 大 流 行により、集 合 型
イベントの開 催が 危ぶまれる状 況となってしまいました。このようなウィ
ズコロナ・ポストコロナの時 代においても、ネットワークを駆 使した新しい情 報 発 信やイベントの開 催に積 極 的に取り組む事により、皆さまのご意見やご批判を頂けるように努めたいと考えております。
NTT物性科学基礎研究所

これらの活 動を通じまして、N T T 事 業のみならず、学 術 的な貢 献も果たしてゆく所 存でございますので、今 後とも一 層のご指 導・ご鞭 撻を賜りますようお願い申し上げます。

活動報告
Activity Report
表紙モチーフについて

ペロブスカイト酸 化 物
単 位 格 子 中 に 陽 イオンを２
つ 以 上 含む複 酸 化 物 。なかAdvisory Board
外 部 の 著 名 研 究 者 に 研 究 成 果ならでもペロブスカイト関 連 構 造

びに研 究 計 画を客 観 的に評 価していを 持 つ 物 質 は 、超 伝 導 性・

ただき、今 後の研 究マネジメントに反磁 性・誘 電 性 など様 々な 物
性 の 宝 庫であり、基 礎・応 用映させるために「アドバイザリボード」をの 両 面 から盛 んに 研 究され設置しています。隔年で開催されていています 。N T T 物 性 科 学 基

るこのボードミーティングで頂いた提案

礎 研 究 所では 独 自に 培ったや助 言は、研 究マネジメントや実 際の

高 度 な 薄 膜 作 製 法を用 いて 、真 空 中 で 原 子を思 い の研 究に反 映されています。また、若 手

ままに 下から供 給することに研究者とボードメンバの意見交換の場

より、世 界 最 高 品 質 の ペロも設けています。第11 回ボードミーティ

ブスカイト酸 化 物を合 成し 、
従 来 の コン セプトを 変 える
超 伝 導 物 質・磁 性 物 質 の 創
製 に取り組んでいます 。

ングは、2021 年2月にオンラインで開催する予定です。

所 長

02

活動報告
Activity Report

N T T- B R L S c h o o l
N T T 物 性 科 学 基 礎 研 究 所を広く知っていただくとともに、若 手 研 究者が大きく育つ機 会を提 供するため、主に博 士 課 程の学 生を対 象とした「 N T T - B R Lスクール」を開 催しております。2019 年には“量 子
ハイブリッドシステム”
をテーマに、G ö r a n J o h a n s s o n 教 授、P e r
D e l s i n g 教 授（ 両 教 授ともにチャルマース工 科 大 学 ）、仙 場 浩 一 博士（ 情 報 通 信 研 究 機 構 ）による一 連の講 義を実 施いたしました。ス
クール生は講 義、ラボツアーに参 加するだけでなく、同 時 開 催された
I S N T Tでの研究発表も行いました。

ISNTTInternational School and Symposium on Nanoscale Transport and phoTonics

ナノ構 造における電 子・光 物 性の研 究と応 用に関する国 際シンポジ
ウム「 I S N T T 」
を隔年で開催しています。2019 年にはK l a u s v o n
K l i t z i n g 教授( M a x P l a n c k I n s t i t u t e )、中村泰信教授( 東京大学/ 理化学研究所)による特別基調講演、19 件の招待講演を含め、135 件の口頭・ポスター発表が行われ、関連する分野における最新の研究成果について議論を行いました。

L A S O L V セミナ ー
LASOLV Seminar

光を用いた新原理計算機であるL A S O L V の利用研究の裾 野を広げるために、2020 年2月に武 蔵 野R & Dセンタ
にてL A S O L Vセミナーを開 催しました。セミナーへの参 加者は約8 0 名で、L A S O L Vを用いて組 合せ最 適 化 問 題を解くデモンストレーションの他、早 稲 田 大 学の戸 川 望 教
授をお招きして、現在様々な機関で活発に研究されている
非ノイマン型 計 算 機を用いた組 合せ最 適 化への取り組みについて解説していただきました。

03

組織図
Organization

NTT物性科学基礎研究所

所長

企画担当

部長

後藤秀樹

多 元マテリアル 創 造 科 学 研 究 部

熊倉一英

部長

山本秀樹

P5

小栗克弥

P7

部長

武居弘樹

P9

● ナノデバイス研究グループ● 量子光制御研究グループ● 低次元構造研究グループ● ナノメカニクス研究グループ● 理論量子物理研究グループ● 分子生体機能研究グループ● 量子光デバイス研究グループ● 超伝導量子回路研究グループ●フォトニックナノ構造研究グループ● 量子固体物性研究グループ●研 究員（ 外 国 人 研 究 員 ）…９7 名（１3 名 ）●リサーチアソシエイト・リサーチスペシャリスト…１０名● 共 同 研 究 協 力 者 … 7 名 ● 海 外 研 修 生 … 7 名＊
● 一 般 実 習 生 … 9 名＊

部長

量 子 科 学イノベーション研 究 部● 薄膜材料研究グループ

NTT 物性科学基礎研究所 現在員数 2020 年12月31日付● 客 員 研 究 員 … 1 名＊

フロンティア 機 能 物 性 研 究 部＊… 2020年1月～12月累計

042020 年12月31日付

アド バイザリボード
Advisor y Board
Forschungszentrum Jülich, Germany

Prof. Andreas Offenhäusser
University of Twente, The Netherlands

Prof. Dave H.A. Blank

Chalmers University of Technology, Sweden

Prof. Per Delsing

Laboratoire Kastler Brossel, France
Sorbonne Université, Ecole Normale Supérieure, CNRS

Prof. Elisabeth Giacobino
CEA Saclay, France

Prof. Christian Glattli

第10 回アドバイザリボードミーティング（2019 年1月30日）にて

Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Germany

Prof. Klaus von Klitzing

University of Illinois at Urbana-Champaign, U.S.A.

Prof. Sir Anthony J. Leggett

The University of Texas at Austin, U.S.A.

Prof. Allan H. MacDonald
Imperial College London, U.K.

Prof. Sir Peter Knight

ナノフォトニクスセンタ

センタ 長

P11

納富雅也

理 論 量 子 物 理 研 究センタ

センタ 長

P11

William John Munro

バイオメディカル 情 報 科 学 研 究センタ

センタ 長

中島

寛

P11

リサーチプロフェッサ
Research Professors
Director, Medical & Health Informatics Laboratories (MEI Lab),NTT Research, Inc.

友池 仁暢Director, Physics & Informatics Laboratories (PHI Lab),NTT Research, Inc.

山本 喜久

05

Multidisciplinar y Materials Design and Science Laborator yグループ 紹 介

多元マテリアル創造科学研究部

Group Introduction

薄膜材料研究グループ「 新 奇 半 導 体デバイス」
深紫外～近赤外発光デバイス、高効率エネルギー変換デバイス、
超高出力電子デバイス、光・電気・磁気複合新機能デバイスの創製

研究部概要

低次元構造研究グループ「2 次元原子層物質」

Over view

次世代エレクトロニクスに向けた究極に薄い

多 元マテリアル創 造 科 学 研 究 部では、様々な内部自由度( 格 子・電機能性原子層物質の創製

荷・スピン・軌道等)を持つ新物質・新材料を、分類法・次元・スケー「多元酸化物薄膜」

ル・合 成 手 法の枠を超えて多 元 的にデザイン・創 造して学 術 貢 献を

従来のコンセプトを変える超伝導物質・磁性物質の創製行うとともに、情報通信技術を変革する種の創出を目指して、広範な物質を対象に研究を進めています。その範囲は、半導体、超伝導体、分子生体機能研究グループ

磁性体、トポロジカル物質、さらには導電性高分子や生体物質などの「生体適合性電極材料」

ソフトマテリアルに至り、高品質薄膜成長技術や、物質の構造と物性

深層生体情報を計測する生体電極素材の開発と応用とを精密に測定する技術をベースに、理論や、データ科学(インフォマ「 バイオデバイス」

ティクス) の手法も取り入れて最先端の研究を推進しています。

生体分子や細胞、
ソフトマテリアルを活用した
生体機能模倣デバイスの創製

多 元ソース分 子 線エピタキシー
装 置：複 合 酸 化 物・窒化物の高品 質 薄 膜を成 膜できるほか、新奇 超 伝 導 体・ 磁 性 体などの 探索にも活用されています。

06

2 0 2 0 年 の 主な研 究 成 果

[Si]
low

106
104

high

102
100
1.0

1.5

2.0

2.5
-1

3.0

3.5

1000/T (K )[Si]: 1.21018 cm-3

1018
1017
1016

𝑛𝑛 𝑛𝑛 + 𝑁𝑁�
𝑁𝑁�
𝐸𝐸�
=
𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 −𝑁𝑁� − 𝑁𝑁� − 𝑛𝑛 𝑔𝑔�
𝑘𝑘� 𝑇𝑇

1014

Sr
Ru
O
Ti

ED : 0.19 eV
ND : 1.21018 cm-3
NA : 7.41017 cm-3

1015

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

1000/T (K-1)(a)

測定結果 (温度 2 K)理論による計算100ǻıxx (kS/m)

108

1019

電気伝導率の変化

Undoped[Si]:2.81017 cm-3
[Si]:1.21018 cm-3
[Si]:4.01018 cm-3
[Si]:1.51019 cm-3

50
0
í50

0.10

0.15
1/B (Tí)

0.20

磁場の変化

(b)

( a ) アンドープおよびS iドープ c - B N 薄膜の抵抗率の温度依存性( b ) S iドープ c - B N 薄膜のキャリア濃度の温度依存性 ( [ S i ] = 1 .2×10¹⁸ c m - ³ )（左）S r R u O₃ の結晶構造（右）ワイル半金属状態に特有の量子振動の観測データ( 青線)と理論計算結果（黒線）

c-BN 薄膜のエピタキシャル成長と伝導性制御

超高品質SrRuO₃薄膜における磁性ワイル半金属状態の存在実証

立方晶窒化ホウ素( c - B N )は、6 e Vを超えるバンドギャップを有するワイドギャップ半導体で、パワーデバイスとしての材料固有

強 磁 性 金 属のS r R u O₃は酸 化 物エレクトロニクス、スピントロの性 能 限 界を示すバリガ指 数が 半 導 体の中で一 番 大きい材

ニクスの基 盤 材 料です。酸 化 物 薄 膜 成 長 技 術に機 械 学 習を料です。独自技術であるイオンビームアシストMBE 法によってSi用いた最適化手法を取り入れ、超高品質のS r R u O₃ 薄膜を作

ドープ n 型c - B N 薄膜をエピタキシャル成長し、S i 濃度によって製することで、『 磁 性ワイル半 金 属 状 態 』と呼ばれる新しい電c - B N 薄膜の抵抗率を系統的に制御することに世界で初めて

子 状 態に特 有の量 子 的な電 気 伝 導を世 界で初めて観 測しま

成功しました。こうした電気伝導性制御はc - B N のパワーデバイした。本 成 果は、酸 化 物 材 料の研 究に新 機 軸をもたらすとともス応用への道を拓く画期的な成果です。

に、新原理で動作する量子素子への応用に資するものと期待されます。

K. Hirama, Y. Taniyasu, H. Yamamoto, and K. Kumakura, Appl. Phys. Lett. 116, 162104 (2020).

Y. K. Wakabayashi, et. al., APL Mater. 7, 101114 (2019).
K. Takiguchi, Y. K. Wakabayashi, et. al., Nat. Commun. 11, 4969 (2020).

吸収率
1.0
H2O

波長

0.8

H2O

532nm

1550nm

0.4

長波長極限

0.2

5 µm
T=0 s

T=200 s

T=400 s（左上）浸透圧差による人工細胞膜の形状変化メカニズム（左下）浸透圧差による人工細胞膜の形状変化蛍光像（右）井戸部における脂質ドメイン（矢印）形成過程の蛍光像および脂87層質ドメインの面積経時変化

200

400

層数

600

800

Lipid domain area (µm2)

785nm

0.6

T=400 s12

T=900 s

T=2500 s

10
8
6
4
2
0

0

1000

2000

3000

Time (s)

4000

5000

吸収率の計算結果

グラフェン・グラファイトを区 別する
ユニバーサル層 数

人工細胞膜での脂質ドメイン形成制御
細 胞 膜にある脂 質ドメインは生 体の情 報 伝 達において重 要な

グラフェン単層は可視光のおよそ2 .3 %を吸収します。グラフェ

役割を担っており、その機能解明が注目されています。このドメンが炭素原子のみから構成されているという事実からは意外でインのモデル構造を井戸型に加工した基板上の人工細胞膜にすが、この値は原子より根源的な単位である素電荷だけで決ま形成する方法を見出しました。井戸内外の浸透圧差で人工細り、背後には、グラフェンの最も興味深い側面、すなわち質量ゼ胞膜を変形させ、
ドメイン形成に必要な脂質とコレステロールをロの粒子、いわゆるディラック電子の存在があります。我々は、井戸部分へ移動させることで１時間以上安定なドメインの形成

莫大な層数を持つグラファイトが徐々に薄くなり、最終的にグラに成功しました。人工細胞膜でドメイン構造を作製制御すること

フェン単層に到達する過程を念頭に、層数を変数として基礎研

は、生命現象を理解する技術として発展が期待されます。

究の観点から新奇な現象を探った結果、2を2 .3 %で割った87層が特別な層数であることを見出しました。

K. Sasaki and K. Hitachi, Commun. Phys. 3, 90 (2020).
K. Sasaki. J. Phys. Soc. Japan 89, 094706 (2020).

A. Oshima, H. Nakashima, and K. Sumitomo, Jpn. J. Appl. Phys. 59, 027001 (2020).

M u l t i d i s c i p l i n a r y M a t e r i a l s D e s i g n a n d S c i e n c e L a b o r a t o r y ：多元マテリアル創 造 科 学 研 究 部

Resistivity (Wcm)

1010

Carrier concentration (cm-3)

Achievements in 2020

07

Advanced Applied Physical Science Laborator yグループ 紹 介

フロンティア機能物性研究部

Group Introduction

ナノデバイス研究グループ「 単 電 子デバイスによる極 限エレクトロニクス」
電子1 個の転送・検出による高精度・高感度・低消費電力デバイス「 新 機 能ナノデバイス」

研究部概要

シリコンやハイブリッド材料系を用いた新機能デバイス

Over view「 半導体オプト・エレクトロメカニクス」

フロンティア機 能 物 性 研 究 部は、テクノロジードリブンな高 度 知 的 社
会に新しい長期的価値をもたらす情報処理基盤技術・機能デバイスの創出を掲げ、ナノエレクトロニクス、ナノメカニクス、ナノフォトニクス、
スピントロニクス、量 子エレクトロニクスの最 先 端 領 域をカバーする研ナノメカニクス研究グループ
機械的機能を持つ半導体構造による新機能素子「フォノン操 作 技 術 」
人工構造を用いた音響波の伝搬制御

究グループが結 集し発 足しました。我々は、高 度な微 細 加 工 技 術、測量子光デバイス研究グループ

定 技 術、光 波 制 御 技 術を駆 使して、物 性 物 理 学のフロンティアを開「 超 高 速・超 高 精 度 光 制 御 技 術 」

拓し、サイズ、消 費エネルギー、検 出 感 度、制 御 精 度、動 作 速 度など

高度に制御された光による超高速物性解明と光周波数基準のの限界を打破する量子物性の革新的機能の創出を追求します。

構築「 光 活 性 固 体の物 性のナノスケール評 価 」
半 導 体ナノ構 造・希 土 類 系での光 子・励 起 子・スピンの振る舞いの探求

フォトニックナノ構造研究グループ「ナノフォトニクスを駆 使した光 集 積 技 術 」
超小型・超低エネルギー光素子・回路の実現、新奇光機能の創出

光 の 分 散 および チャー
プ 制 御 装 置：アト 秒 領域の超 高 速 光パルス実
現 のために光 特 性 の 補正を行う装 置です。

08

2 0 2 0 年 の 主な研 究 成 果

本郷 東大
NP
NP

光中継装置

厚木 177
NP

中継局%
177東
中継局$
177東

光干渉計
3/&チップ

光干渉計

f2

絶縁性
GaAs/AlGaAs ショットキー電極

Sin 成分
Cos 成分
駆動用
交流電圧
f1 =1,566.5 kHz
f2 = f1 ± Δ kHz
V1 =3.0 V
V2 = 2.1 V

Averaging time (s)

PP

光干渉計

＋

f1

振動
オーミック電極

Chaos

PP

光干渉計

ロックイン
アンプ

レーザ
導電性
n-AlGaAs/GaAs 干渉計

カオス生成を可能とする素子と測定の模式図（上）と実験結果（右）モジュールサイズ
××PP

チップ写真
光回路の構成モジュール写真超 高 精 度 光 周 波 数の2 4 0 k mファイバ 伝 送の実 現
G N S Sを凌駕する時間・周波数同期や、光時計ネットワークに

40
0
-40
-40

40 -4040 -40In-phase (mV)40

MEMS集積化に向けた
新しいカオス信号生成手法の実証

よる相対論効果の観測等の実現に向けて、通信用光ファイバ

昨 今 、機 械 学 習 や 秘 匿 通 信 などの 情 報 処 理 分 野 に お

網を利 用した超 高 精 度 光 周 波 数 伝 送の研 究を行っています。

い てカオス 信 号 の 活 用 が 注 目され て い ます が、M E M S

世界で初めて平面光波回路（NTT 先端集積デバイス研究所と（M i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l S y s t e m s）分野においても、

共同開発）を実装した超低雑音光中継装置を開発し、理化学

制 御 性と集 積 化に優れたカオス発 生 素 子の創 出に期 待が 高研究所・東京大学・N T TをつなぐN T T 東日本の商用通信ファ

まっています。今 回、素 子の微 細 化と低 電 圧 駆 動が 可 能とな

イバ網に導入することで、光格子時計を超える精度で200 k m

るM E M S 素 子による新しいカオス発 生 手 法の実 証に成 功し以上のファイバ伝送が可能であることを実証しました。

ました。入力情 報をチップ上で機 械 学 習させる集 積 化M E M Sなど、新しい半導体集積素子への応用が期待されます。

T. Akatsuka, T. Goh, H. Imai, K. Oguri, A. Ishizawa, I. Ushijima, N. Ohmae, M. Takamoto, H. Katori, T.
Hashimoto, H. Gotoh, and T. Sogawa, Opt. Express 28, 9186 (2020).

S. Houri, M. Asano, H. Yamaguchi, N. Yoshimura, Y. Koike, and L. Minati, Phys. Rev. Lett. 125, 174301(2020).

崯崸崌崡ଡୗ
崟嵒崛嵛嵣崲崶嵗崌嵌র峘੸ਡ‫ ق‬峒‫ك‬峕岴岻峵ആ২

Silicon nanowire

60~50 nmNumber ofelectrons at 

Sensor current౐ਗ਼৕ੑਯଁੑ

Temperature (K)Sensor

1.53
1.52
1.51

Time



50

40



30

20

Probability

Sensor Power

単電子計数統計を用いたシリコン・ナノワイヤ中の熱電効果の観測

光のトポロジカル特異点の生成方法を発見

私たちはシリコン単電子デバイスを舞台としてナノメートル領域

現 象の1つとして光のトポロジカル特 異 点に対 応するB o u n d

近年光のトポロジカルな物性が精力的に研究されており、そのにおける非 平 衡 現 象について研 究を行っています。本 研 究で

s t a t e i n t h e c o n t i n u u m ( B I C )という特殊な状態がありま

は、シリコン・ナノワイヤ中の電子の運動を電子1 個のレベルです。従来、非自明なB I Cはある構造パラメータの時に偶然発現

観 測することを通し、ナノメートル領 域におけるゼーベック効 果するものしか知られていませんでしたが、我々は構造の対称性をの観 測を行いました。観 測された単 電 子の運 動について計 数変化させることで決定論的にこれを生成できる手法を発見しま統計を行うことで、シリコン・ナノワイヤ中の数十ナノメートル離した。本手法は、光のトポロジカル特異点の動的な制御や、光れた2 点における局所的な温度差を決定することができます。

のトポロジカルな性質を反映した新たな発光デバイスへの応用が期待されます。

K. Chida, A. Fujiwara, and K. Nishiguchi, 33rd International Microprocesses
and Nanotechnology Conference (MNC 2020).

T. Yoda and M. Notomi, Phys. Rev. Lett. 125, 053902 (2020).

A d v a n c e d A p p l i e d P h y s i c a l S c i e n c e L a b o r a t o r y：フロンティア機能物性 研 究 部

マスターレーザー

ファイバ伝送の周波数安定度

10-11
10-12
和光－本郷－厚木
NPファイバ
10-13
マスターレーザー比較
10-14
10-15
10-16 本郷ー厚木ー本郷10-17 NPファイバ
による自己参照比較
10-18 -3 -2 -1 0
10 10 10 10 101 102 103 104

Quadrature (mV)

光ファイバリンク和光 理研

Fractional frequency instability

Achievements in 2020

09

Quantum Science and Technology Laborator yグループ 紹 介

量子科学イノベーション研究部

Group Introduction

量子光制御研究グループ「量子光通信」
光の量子状態制御と新しい通信への応用「 量 子 光 学 技 術を用いた非ノイマン型コンピューティング」

研究部概要

相互作用する光発振器群による新しい計算機の創出

Over view「 量 子 情 報 科 学の理 論 的 研 究 」

量 子 科 学イノベーション研 究 部は、量 子 科 学 分 野に学 術 的に貢 献

量子コンピュータ、量子通信、量子ネットワーク、量子計測に関するすると同 時に、量 子 技 術を用いて従 来の情 報 処 理の限 界を打 破す
る新 概 念、技 術を創出することをミッションとしています。量 子 情 報 処

理論量子物理研究グループ

理論体系の構築理 理 論と、光、半 導 体、超 伝 導デバイスなどが 示す様々な量 子力学

超伝導量子回路研究グループ

的な効 果の研 究を基 盤とし、これらを用いて量 子 通 信、量 子センシン「超伝導量子回路」

グ、光 発 振 器に基づく非ノイマン型 計 算 機、さらには超 伝 導 量 子 回

超伝導素子による量子状態の制御

路やトポロジカル量 子 現 象を用いた量 子 計 算 機などの実 現を目指し「極限量子計測技術」て研究開発を行っています。

量子力学の原理を用いた物理量の超高感度計測

量子固体物性研究グループ「 半 導 体および２次 元 物 質のヘテロ・ナノ構 造における量 子 伝 導 」
量子デバイスにおける非従来型の電荷・スピン輸送現象「 量 子デバイスにおける高 速キャリアダイナミクス」
電子のコヒーレントな運動による情報処理3

H e /4H e 希 釈 冷 凍

機: 超 伝 導 素 子や半導 体 量 子 デ バイスな
どの極 低 温 測 定（ 1 0 0
ミリケルビン以 下 ）に使われています。

10

2 0 2 0 年 の 主な研 究 成 果Achievements in 2020

Floquet theory:
2T-DTCC

B

Domain walls:

0 1 2 3 4 5 6 7Percolation rule:( A ) 回転エラーなしの2 倍周期離散時間結晶のダイナミクス( B ) タイトバインディング行列を表す有効ハミルトニアン( C ) パーコレーション則を適用しグラフとして表現された有効ハミルトニアン

タイムビン量子ビットの制御位相ゲートを実現
時 刻の異なる光パルスに単 一 光 子が存 在する状 態の重ね合

時間結晶を用いた複雑量子ネットワークのシミュレーション

わせであるタイムビン量子ビットは、光ファイバ上の量子通信に

結晶は、塩やダイアモンドのような空間的に規則正しい原子配

おいて広く使われています。しかし、この量子ビットに対する2 量列をもつ固体物質として、我々の日常生活にも存在しています。

子ビットゲートはこれまで実 現されていませんでした。我々は、2

このような結晶構造を空間的でなく、時間方向に持つものとし

入力2 出力光スイッチを時間的に分岐比が変化するビームスプて離散時間結晶が存在します。我々は、グラフ理論の標準的方リッタとして用いることで、タイムビン量子ビットの制御位相ゲー法を用い、離散時間結晶に関する物理現象を記述し、特徴づけ

トを世 界で初めて実 現しました。本 成 果は、光ファイバ上の量る方法を導入しました。それらの溶解過程において優先的選択

子通信の高度化に今後寄与することが期待されます。

機構が生じ、
スケールフリーネットワークの存在と直接関係付けられます。本成果は、離散時間結晶を複雑量子ネットワークの量子シミュレータとして用いるという新しい可能性を切り開きます。

H. P. Lo, T. Ikuta, N. Matsuda, T. Honjo, and H. Takesue, Appl. Phys. Express,11, 092801 (2018), (Spotlights 2018).
H. P. Lo, T. Ikuta, N. Matsuda, T. Honjo, W. J. Munro, and H. Takesue, Phys. Rev. Applied 13, 034013 (2020).

M. P. Estarellas, T. Osada, V. M. Bastidas, B. Renoust, K. Sanaka, W. J. Munro, and K. Nemoto,
Sci. Adv 6, eaay8892 (2020).

( a ) グラフェンの電荷密度を空間的に変調することにより、特定の位置にプラズモン共振器を形成( b ) 電気的境界によって形成された共振器におけるプラズモン周波数変調の観測

長寿命3次元ハイブリッド磁束量子ビット

グラフェンにおけるテラヘルツプラズモンの空間制御

2 次元容量シャント型超伝導磁束量子ビットを3 次元キャビティ

プラズモンとは電荷の疎密波であり、これを制御することでナノ中に設置し、3 次元ハイブリッド磁束量子ビットを実現しました。

フォトニクスやメタマテリアルへの応用が可能です。特にグラフェ

他の超伝導量子ビットと同程度、あるいは、それを超える緩和時

ンにおけるプラズモンは電場で制御可能であり、共振器の周波間の観測に成功しました。このように長寿命かつ周波数可変な数変調等が行われています。我々は、電気的な境界におけるプ

磁 束 量 子ビットは、量 子センシングや量 子 計 算など、さまざまな

ラズモン反 射 率を制 御する方 法を開 発し、共 振 器の周 波 数だ

量子技術への応用が期待されます。一例として、量子ビットをスけでなく、位置や閉じ込め強度を制御することに成功しました。

ピンロッキングパルスで励起することにより、量子ビットに緩和を

この技術を応用することで、動的制御可能なプラズモン導波路

もたらす高周波数欠陥の検出に成功しました。

やスイッチ等が実現可能となります。

L. V. Abdurakhimov, I. Mahboob, H. Toida, K. Kakuyanagi, Y. Matsuzaki, and S. Saito,
Phys. Rev. B 102, 100502(R) (2020).

N. H. Tu, K. Yoshioka, S. Sasaki, M. Takamura, K. Muraki, and N. Kumada, Commun. Mater. 1, 7 (2020).

Q u a n t u m S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y L a b o r a t o r y：量子科学イノベーション研 究 部

F

A

11

Nanophotonics CenterN a n o p h o t o n i c s C e n t e r：ナノフォトニクスセンタ

ナノフォトニクスセンタ

センタ概 要Over view

ナノフォトニクスセンタは、ナノフォトニクス技 術を駆 使して、様々な機能をもつ光デバイスを大 量・高 密 度に集 積する大 規 模 光 集 積 技 術の確 立、および 光 情 報 処 理の消 費エネルギーの極 限 的な低 減を目指す革新研究を行うために、2012 年4月に設立されました。
量 子 光 物 性 研 究 部フォトニックナノ構 造 研 究グループのメンバを中
心に、物 性 科 学 基 礎 研 究 所および先 端 集 積デバイス研 究 所の中でナノフォトニクス研究に関わるメンバにより構成されています。
フォトニック結晶、プラズモニクスによる極限的相互作用増強の探求●●

ナノ光スイッチ、ナノレーザなど超小型・超低消費エネルギー光素子の追求●

ナノインプリントやSPMリソグラフィによる微細構造作製と応用

シリコン上に様々な高性能光デバイスを集積●

Research Center for Theoretical Quantum Physics

R e s e a rc h C e n t e r f o r T h e o re t i c a l Q u a n t u m P h y s i c s：
理 論 量 子 物 理 研 究センタ

理論量子物理研究センタ

センタ概 要Over view

物 質 や 光 の 原 子レベ ル の 現 象を説 明 する量 子 力 学 は 前 世 紀 、
大 変な成 功を収めました。その 直 感 に 反する原 理は、私たちの 世
界 における「 実 在 」についての 理 解を変えさせただけでなく、技 術
革 新をもたらしてきました。いまや 量 子 力 学は私たちのデジタル 社
会 の 根 幹を支えています 。量 子 力 学が 指し示 す 世 界とは 一 体 何なのか。またその 原 理が 可 能とする技 術 的 進 歩は何なのか。これらの 疑 問 の 全 容はいまだ解 明されずにいます 。これら最 先 端 研 究の 遂 行を目 指し、2 0 1 7 年 に 設 立された 理 論 量 子 物 理 研 究 セン
タには、N T T 研 究 所 の 垣 根を越え、様々な分 野（ 物 理 学 、計 算科 学 、数 学 や 化 学など）の 研 究 者が 集められています 。

Bio-Medical Informatics Research Center

B i o - M e d i c a l I n f o r m a t i c s R e s e a rc h C e n t e r：
バイオメディカル情報 科 学研究センタ

バイオメディカル情報科学研究センタ●

量子力学の基礎●

量子物質（ハイブリッド量子系、強相関系、凝縮系、超伝導系）●

量子アルゴリズムと計算複雑性●

量子計測、量子センシング●●

量子通信、量子シミュレーション、量子コンピュータ

原子、分子、光学物理

センタ概 要Over view

バイオメディカル 情 報 科 学 研 究センタ（ B M C ）は、I C Tを活 用したデータ駆 動 型 医 療 の 創 造を目 標 に、5 つ の 研 究 所 が 連 携した
組 織として2 0 1 9 年 7 月に発 足しました。B M C は、医 療・健 診・ゲ
ノム 情 報 や 行 動 情 報 の A I 分 析 、日常 生 活 でのリアルタイムバイ
オモニタリング、生 体 模 倣 ナノデバイスや 生 体 適 合 新 素 材などの基 礎・応 用 研 究 に取り組 みます 。さらに、医 療 機 関 のパートナーやグローバル 研 究 開 発 拠 点であるN T T R e s e a r c h I n c . 生 体 情
報 処 理 研 究 所などと協 力し、医 療 健 康 分 野 のコ・イノベーションを
推 進します 。
●

個人医療データのAI 分析による個別化医療（プレシジョンメディシン）●

hitoeR による長期ホルター心電計測とリハビリ活動支援●

非侵襲血糖センサや深部体温計測とAIリスク予測による生活習慣病マネジメント●

生体機能を補完するインプラント素材や人工神経ネットワーク作製12

2 0 2 0 年 の 主な研 究 成 果Achievements in 2020

超低遅延処理のための高性能な光論理ゲートを実現
A

超低遅延かつ低消費電力な演算処理基盤を実現するキーデバイスの1つとして、3μm 長の光論理ゲートである「Ψ（プサイ）ゲート」のBias

高性能な動作を世界で初めて実証しました。ゲート遅延は30 fsと電

B

作製された
Ψゲート

Output気素子の300 倍以上も低遅延です。
「バイアス光 」を導入すること
2 μm

で、A N D / X N O R / N O Rといった一連の論理演算を単一ゲートで演算処理基盤上で光の低遅延性・省エネ性を引き出すために欠かせないコンセプトだと考えられています。

B
AND
XNOR
NOR
0

0.5
1.0
時間 (ナノ秒)

S. Kita, K. Nozaki, K. Takata, A. Shinya, and M. Notomi, Commun. Phys. 3, 33 (2020).

量子インターネットにおける
秘密鍵・量子もつれ分配のための線形計画法
量子インターネットは、従来の通信ネットワークを超える通信タスクの実行を可能にします。量子ネットワークプロトコル設計における喫緊の課題の1つは、それら通信タスクの達成可能な通信レートの定量化にあります。私たちは、それら通信レートの最大値の上界と下界を算出するための簡潔な手法を提供しました。この手法は、量子ネット
ワーク上のクライアントに秘密鍵や最大量子もつれを供給するプロ
トコルに適用されます。算出を線形計画問題に還元する本手法は、クライアントの要求に、迅速に対応するための基礎になります。

S. Bäuml, K. Azuma, G. Kato, and D. Elkouss, Commun. Phys. 3, 55 (2020).

生体音を遠隔に伝送できる装着型音響センサアレイシステムを開発
疾 病の早 期 発 見などウェルビーイングの向 上を図るための基 礎 研究の一環として、生体音を収集し遠隔伝送する機能を備えた装着型（ウェアラブル）の音響センサアレイシステムを開発しました。このシス
テムは、検査着の内側にある多数（試作機では18チャンネル）の音
響センサによって各部の生体音を高品質にとらえることができます。
医療用として実用化されれば、非接触での遠隔聴診が可能となります。また、このシステムを用いて、心電など他の生体情報と組み合わせた解析や体の状態の推定・可視化などの研究も進めています。

M. Nakano, R. Shibue, K. Kashino, S. Tsukada, and H. Tomoike, EUSIPCO 2020, pp.1452-1456 (2020).

異なる7波長によるAND演算の比較
光入出力強度 (任意目盛)ルに対して独立な演算を単一ゲートで同時実行できます。光電融合

A

光入出力強度 (任意目盛)

実施できます。さらに本ゲートは波長無依存であり、各波長チャンネ

バイアス光強度による論理演算機能の切替

量子インターネットの概念図

1.5

A
B
AND
0

0.5
1.0
時間 (ナノ秒)

1.5

13

N T T フェロー

「 N T Tフェロー」は、世 界 的に認められる研 究 業 績を挙げ

Shingo Tsukada

NTT Fellow

塚田信吾

た社員の中で、N T Tとして必 要 不 可 欠な分 野の研 究テー

医 学・情 報 科 学 研 究 統 括

マに 対し今 後も高 い 成 果が 期 待できる研 究 者 に 与えられる称 号であり、重 要 分 野 の 革 新 的な研 究を推 進していく
使 命を担っています。
「 特 別 研 究 員 」は 社 内 外 からとりわけ優 秀な研 究 者として認められている革 新 研 究 者であり、その 中でも極 めて優 秀な研 究 者が「 上 席 特 別 研 究 員 」です。共に、N T Tグループにとって長 期 的に重 要と判 断される研 究 分 野 に おいて、革 新 研 究 ／ 先 導 的な技 術 開 発を牽 引する使 命を担っています。

2020 年12月31日付

研究テーマ

先端医療材料を用いた
生体情報の取得・機構解析

上 席特別 研究員
Senior Distinguished Researcher

Hideki Yamamoto

Masaya Notomi

Hiroshi Yamaguchi

Koji Muraki

ナノフォトニクスセンタ長量 子・ナノデ バイス研 究 統 括

量子固体物性研究グループリーダ

研究テーマ

研究テーマ

研究テーマ

フォトニックナノ構造による光波制御

半導体ナノメカニクス

低次元半導体構造の量子電子物性

納富雅也

山口浩司

Akira Fujiwara

山本秀樹

藤原

聡

村木康二

Hiroki Takesue

武居弘樹

William John Munro

多元マテリアル創造科学研究部長

理 論 量 子 物 理 研 究センタ長

量子科学イノベーション研 究 部 長

研究テーマ

研究テーマ

研究テーマ

研究テーマ

薄膜合成法による新奇超伝導及び半導体ナノ構造を用いた量子情報技術の創出

光通信波長帯における量子通信実験

磁性物質の創製と物性解明

極限エレクトロニクス

コヒーレントイジングマシン

特別 研究員Distinguished Researcher

Norio Kumada

熊 田 倫 雄Shiro Saito齊 藤 志 郎Katsuhiko Nishiguchi

西 口 克 彦Imran Mahboob

Haruki Sanada

Kengo Nozaki

Takahiro Inagaki

Koji Azuma

Hiroki Mashiko

Hajime Okamoto

眞 田 治 樹東浩 司

野 崎 謙 悟増 子 拓 紀稲 垣 卓 弘岡 本

創Gento Yamahata

山 端 元 音14

学 術 論 文 掲 載 件 数と主な掲 載 先（）内 数 字 …インパクトファクター2 0 1 9

2 0 2 0 年 に掲 載された学 術 論 文 の 件 数は、N T T 物 性 科 学 基 礎 研 究 所 全 体で8 4 件です 。

Publication List

（ 1 論 文あたりの 平 均 I F = 4 . 9 2 3 ）PHYSICAL REVIEW B (3.575)

9
8

PHYSICAL REVIEW A (2.777)
7

PHYSICAL REVIEW APPLIED (4.194)
6

PHYSICAL REVIEW LETTERS (8.385)

6

OPTICS EXPRESS (3.669)
5

COMMUNICATIONS PHYSICS (4.684)

5

JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS (1.376)
4

APPLIED PHYSICS LETTERS (3.597)

4

PHYSICAL REVIEW RESEARCH (N/A)
3

ACS PHOTONICS (6.864)
NATURE PHOTONICS (31.241)

2

SCIENCE ADVANCES (13.117)

1

PHYSICAL REVIEW X (12.577)

1

NATURE COMMUNICATIONS (12.121)

1

CARBON (8.821)

1

NANOPHOTONICS (7.491)

1

SCIENTIFIC REPORTS (3.998)

1

APL MATERIALS (3.819)

1

OPTICS LETTERS (3.714)

1

NEW JOURNAL OF PHYSICS (3.539)

1

APPLIED PHYSICS EXPRESS (3.086)

1

1

2

3

4

5

6

7

8

国際会議発表件数

特許出願件数Presentations

Patents

8 8 件（うち招 待 講 演 3 3 件 ）社外表彰受賞者一覧
Awards

応用物理学会 フェロー
シリコンナノデバイスによる極限電子操作の研究藤原 聡

令和２年度 科学技術分野の文部科学大臣表彰 若手科学者賞
半導体量子ナノ構造のスピン状態制御および量子輸送の研究

高瀬 恵子

2020 PROSE AWARDS in the subject of Chemistry and Physics
Chemical, Gas, and Biosensors for Internet of Things and Related Applications (Elsevier)三林 二浩 ，
丹羽 修 ，
上野 祐子

化学とマイクロ・ナノシステム学会 若手優秀賞
微細加工技術を用いた動的な細胞操作基板の開発

手島 哲彦

化学とマイクロ・ナノシステム学会 第42 回研究会
自己組立てグラフェン電極による三次元培養組織の活動計測

第二回兵庫・関西キャタピラーSTEM賞 一般部門

応用物理学会酒井 洸児 ，
手島 哲彦 ，
上野 祐子 ，
中島 寛 ，
山口 真澄

優秀賞

半導体ナノワイヤを用いたスピン軌道相互作用の電気的制御

9

高瀬 恵子

シリコンテクノロジー分科会論文賞

Electron aspirator using electron–electron scattering in nanoscale silicon
ヒンマ フィルダス、渡邊 時暢、堀 匡寛、ダニエル モラル、高橋 庸夫、藤原 聡、小野 行徳

79件

10