ムーンショット・エフェクト── NTT 研究所の技術レガシー

第6回 光 コンピューティングへの第一歩

ノンフィクション作家の野地秩嘉（のじつねよし）氏より「ムーンショット ・ エフェクト──NTT研究所の技術レガシー」と題するNTT研究所の技術をテーマとした原稿をいただきました．連載第 6 回目は「光コンピューティングへの第一歩」です．本連載に掲載された記事は，中学生向けに新書として出版予定です（NTT技術ジャーナル事務局）．

■条件出しないのです．研究って，ゴールが決まっていることはほ「20世紀最大の発明」であるトランジスタを生み出しぼないんです．毎回，当たるか当たらないか賭けている

たのはAT&Tのベル研究所だ．

ようなもので，当たればいいんですけれど，外れること後にノーベル物理学賞を受賞する 3 人，理論家のジョですから，行き詰まることはあります．行き詰まった

ラッテン，リーダーのウィリアム ・ ショックレーが発明ら，私は ２ つの方法を取ります． １ つは別のテーマを考した．

える．もうひとつはしばらく寝かせる．

このうち，第一号のトランジスタを完成させたのはただ，賭けが外れた場合でも，ゼロ地点に戻るわけでバーディーンとブラッテンで，ふたりの作業を調べてみはありません．その方向性がまずかったから，じゃあ，ると，現在，NTT研究所で納富のチームがやっているこっちに行こうかというくらいです」．

仕事に非常に似ている．

一流の研究者に必要なのは，理論通りに行かないこと

理論家バーディーンと実験家ブラッテンはチームを組に頓着しないというある種の楽観性ではないか．そしみ，議論を重ね，方向性を決める．理論家がある条件をて，行き詰まった時にどうやってリフレッシュするか，出すと，実験家が手を動かして，実験する．そうして，自分なりの解決策を持っていないと長い期間の研究は乗半年から 1 年以上も，ああでもない，こうでもないと実り切れない．なんといっても納富は20年以上，ナノフォ験を繰り返す．ひらめきを得た理論家が何度も条件を変トニクスの研究を続けているのだから．

える．そうやって，長い時間をかけて，ベル研究所のチー■『ネイチャーフォトニクス』

ムはトランジスタを発明した．研究者は机の前に座って2019年 4 月，斯界の専門誌『ネイチャーフォトニクス』

理論を編み出すわけではない．考えることと，実際に試で納富のチームの研究が取り上げられた．内容は「世界してみることを繰り返して，結果を出すのである．

最小の消費エネルギーで動作する光変調器と光トランジ私がそんな話をしたら，納富はうなずいた．

スタの実現」である．

「ええ．我々は基本アイデアで理論構築をしたら，次要約すれば次のようなことになる．に実験で『条件出し』をやります．この条件でやってみ従来，光変調器や受光器のような光-電気（O-E）変たらこうなった，では，次は条件を変えてやってみよう，換デバイスは高い電気容量を持つため，消費エネルギーと．それを何回も繰り返す．そして，では，このプロセが大きく，光と電子回路が緊密に連携した信号処理を行スを通すためにはこの条件で行こうと，ひとつひとつ積うことは簡単ではなかった．

み重ねていきます．
すぐに成功することはありません．理論通りには進ま42のほうが圧倒的に多い．

ン ・ バーディーン，実験を専門にするウォルター ・ ブ

2021.2

それを納富のチームがフォトニック結晶を用いることで，世界最小の電気容量を持つ光電変換素子の集積に成特 別連載

功したのである．この技術により，世界最小の消費エネ

さて，グラフェンはさまざまな性質を持っていて，トルギーで動作するナノ光変調器や，光入力信号を別の光ランジスタ，電池，半導体を研究している人たちは注目へ変換 ・ 増幅出力させる「光トランジスタ」を実現した．

しています．そして，光としても非常に面白い性質を持っ何といっても成果は消費エネルギーを減らしたことにていて，非常に高速に応答するんです．そして，非常にある．
納富は言う．

薄い．光の波長よりも圧倒的に薄い．
光を狭く閉じ込めるもうひとつの方法があって，それ「光信号を電気信号に変換するデバイスはすでにありはプラズモニクスという分野です．これは金属のナノ構ました．ただ，サイズと消費エネルギーが大きかったん

造を使って光を閉じ込めるという方法で，金属と金属のです．私たちはナノ構造技術でサイズを100分の 1 くら間にすき間（導波路）を作り，そこに光を閉じ込められいに小さくして，消費エネルギーも数100分の １ くらいるというもの．に小さくできました．そして，これを追求していくと，そこで，導波路コア（中心部）の断面サイズは30 nm

ほとんど電気エネルギーを消費しないで，光のエネル×20 nmと非常に小さなプラズモニック導波路を作り，ギーをそのまま電気に変えるようなこともできるだろう

その上面にグラフェンを貼りつけたわけです．断面積はと，最近わかってきています」．

従来，小型導波路として用いられてきたシリコン導波路■グラフェンとプラズモニクスに比べて100分の 1 程度になりました．

2019年の11月にも納富のチームは『ネイチャーフォト

これはシリコン導波路にグラフェンを貼りつけた素子ニクス』に論文が掲載されている．それはフォトニックに比べると，グラフェンによる光吸収の効率は 1 桁向上

結晶とはまた違ったやり方で超高速，低消費エネルギーし，必要なエネルギーを 4 桁も低減することができまの光スイッチを作ったこと．これは彼が兼任で教授をしした」．ている東京工業大学との共同研究である．

ただし，まだすべてが解決したわけではない．納富は

内容はピコ秒（ 1 兆分の 1 秒）以下の超高速領域で動次のような課題を把握している．「このプラズモニック作する全光スイッチを世界最小の消費エネルギーで実現導波路では，長い導波路を作るのはまだ無理です．せいしたというもの．

ぜい 4 μmといった長さで光を通すことはできるけれ

従来の光スイッチ技術では，超高速性と低消費エネル

ど，１ mmとか，１ cmとか，光を通すことはできません．

ギーを両立させることは困難だったが，納富たちはプラですから，集積した光回路のなかでピンポイントで使うズモニック導波路と呼ばれる幅と高さが数10 nmサイズことはできます．の光導波路に，非線形光学材料として近年注目されているグラフェンを組み合わせることで壁を突破した．

その際に，光を長い距離通すことができる，シリコン導波路と組み合わせるのがよいと考えました．シリコン

納富は「グラフェン」という新材料について，こう語る．の細い導波路で光を持って来て，短いプラズモニック導「グラフェンは新しい物質で，炭素原子が １ 層だけ並波路につなぐという使い方です．実際にこの方法でシリんでいるような非常に薄いシートです．2010年，英マン

コン導波路とつなげたプラズモニック導波路の上に，グチェスター大学のふたりの博士が『二次元物質グラフェラフェンを載せたデバイスを作り，光スイッチとして動ンに関する革新的実験』という理由でノーベル物理学賞

かしてみると，フォトニック結晶を使った時よりも，エを受賞しています．グラフェンは理論的に興味を持たれネルギーは少し食いますが，速度としては， 2 桁くらいていたのですが，ふたりはありふれたグラファイト（鉛速くすることができたんです（図）」．

筆の芯の原料のひとつ）の結晶の表面を，両面テープをグラフェンを光スイッチに使おうとした人たちはいる

使って剥がすという非常に簡単な方法で作れることを見し，研究論文も発表されている．ただ，どれもうまくいっつけたのです．ていない．納富のチームだけが成果を収めたので，『ネ2021.243

イチャーフォトニクス』が取り上げたのである．

→電気）変換，そして光の回路があれば，非常に高速の

ただ，日本のマスコミが光トランジスタ関連の仕事に演算処理ができるだろうと思っています．ただ，それだ

注目しているかと言えば，そんなことはない．何といっけであらゆる演算ができるとは思っていません．ただ，ても文科系出身の記者，編集者にとって電気や光につい特殊な演算はできます．ての話題は難解なのである．理解するまでに時間がかかフォトニック ・ アクセラレータ，つまり，光の演算加るし，理解しようという気力がなかなか湧いてこない．

速器みたいなものはできると思っています．これは光コ

私は納富にインタビューをするために，トランジスタ，ンピューティング技術の一種だと思うのですが，『光コ半導体，集積回路，プロセッサ関連の専門書を読まなくンピュータ』と言ってしまうと，ちょっとおかしい．光てはならなかった．ついでに科学史の勉強もした．それの回路が電子回路と一緒になって動くものですから，光だけで 1 年近くかかった．

電融合の技術です．

そうして，実際に納富に会って，丁寧に説明を受けた光にも苦手なところがあって，再々，申し上げました

ら，話は面白く，しかも，画期的な発明だとわかった．

けれど，メモリについては電子回路のほうがずっと優秀

電気のトランジスタが社会を変えたのだから，納富がなんです．ですから，演算は光が高速で実行するけれど，作った光トランジスタは間違いなく，社会を変える．光

結果は電子回路のメモリに蓄える．全部を光にしようとトランジスタは近いうちにロケット，自動車，スマホな

思 う と， 今 の 我 々 が 持 っ て い る 技 術 で は ま だ 作 れ まどに採用されるだろう．

せん」．

■光コンピューティング技術■光の面白さ納富は話を変えた．

納富たちのチームは17人だ．彼らが力を合わせて光の「まだまだやろうとしている光の技術はいくつもあり技術を追求している．

ます．

彼らの研究は，最先端のナノフォトニクスの技術を

光トランジスタ，Ｅ-Ｏ（電気→光）変換とＯ-Ｅ（光使って，光と電気が融合した超高速，かつエネルギー消

プラズモニックモード変換器
シリコン導波路

グラフェン
Au（金）

プラズモニック導波路
2 μm

光入力

図442021.2

シリコン導波路

シリコン導波路と接合されたグラフェン装荷プラズモニック導波路の顕微鏡写真

特 別連載費の低い情報処理をめざしている．この研究成果によ

納富の話は最初から最後まで一般人にとっては難解り，複数のデータセンタどうしがシームレスに（継ぎ目だった．しかし，彼は難解な専門用語を使うたびに申しなく）またがったクラウドコンピューティングインフラ

訳なさそうな表情になって，用語を説明する．用語もまや，オールフォトニクス ・ ネットワーク上の通信の高速た難解ではあるのだが，彼が研究にかける静かな情熱は性，低遅延性を活かした高速分散コンピューティング方十分に伝わってきた．

式（複数の場所にある高速演算装置をネットワークを介して連動させるコンピューティング方式）の開発が加速されるだろう．このふたつを早く実現させないと，エレ次回は光ファイバそれ自体の進展と研究について，である．

クトロニクスだけではもはやコンピュータ社会，デジタル環境を支えられないと彼らは思っている．
そんな彼らの仕事を支えているのは「光の面白さ」だという．
「私が一番面白いと思ったのは，光の新しい使い方を考えていくところなんです．太古の昔はエネルギー（熱量）だった光が照明として使われるようになり，今は通信媒体としても使われています．ただ，通信媒体としての使い方がまだ世の中には十分に届いていないというのが私の感触です．本当は，光というのは，もっといろいろなことができるはずなのにできていない．
その答えのひとつがコンピューティングと思っています．光コンピューティングの研究って，実は1980年代，1990年代に，ものすごいブームになって，世界中の研究者がやっていたことがあるんです．ただ，当時は，光を集積する技術がなかったので，レンズとミラーでコンピューティング技術に挑戦するという世界だったのかな，と．
当時の研究者は光の並列性，並列処理に目をつけたようです．光はいろいろな信号を同時に送って重ねても，混ざったりしないので，そういうのを使おうとしたのでしょう．しかし，結局うまくいかなかった．それはもうCMOSプロセッサ（半導体の一種であるCMOSを使った，コンピュータのCPUを構成する基本回路．電気で動く）の速度，効率性には勝てないと，みんながさじを投げたわけです．

野地秩嘉（のじつねよし）
1957 年東 京 都 生まれ．早稲田大学商学部卒業後，出版社勤務を経てノンフィクション作家に．日本
文藝家協会会員．人物ルポルター
ジュをはじめ，食や美術，海外文化などの 分 野で活 躍中．著 書は『高倉健インタヴューズ』『キャンティ物語』『サービスの達人たち』『ニューヨーク美術案内』など多数．
『トヨタ物語』『トところが，ここ最近，CMOSプロセッサが限界を迎ヨタに学ぶカイゼンのヒント』がベストセラーに．
『TOKYOえているので，もう一回，光コンピューティングを考えオリンピック物語』でミズノスポーツライター賞優秀賞受賞．

直そうじゃないかとなっている．光の研究者としてはこ

近著は『日本人とインド人』（翻訳 プレジデント社）．

れをやらないわけにはいきません」．

2021.245