将来の素粒子実験のための先端技術
高エネルギー物理学研究者会議

2021-2023年期 将来計画委員会

担当：飯山悠太郎、石川明正、居波賢二、岩崎昌子、坂上和之、
坂下健、澤田龍、末原大幹、田島治、中浜優、南條創、
身内賢太朗、三部勉、寄田浩平

2023年12月

2

はじめに
今期将来計画委員会のタスク：
1. 日本の次期基幹実験の議論
2. 量子技術、AIなどを踏まえた検出器技術の先端化の議論••

今の先端技術によって、10年後にどんな実験が可能になるか？
素粒子実験は先端技術の恩恵を享受できているか？
先端技術の応用 → 高度な実験展開＋技術開発
若手・新規参入者にとっても魅力→ 分野の活性化→ 先端技術の調査をし、報告書（本資料）として公開
結論：• これまでと質的に異なる技術による新たな可能性が広がっている• 素粒子実験分野でも各種技術の応用が進んでいる

3

調査内容
現在の先端技術（の種・芽） → p5-30•

委員会の議論で挙がった技術トピックについて独自に調査専門家を招いて勉強会• 資料調査•多くはKEK測定器開発センター（ITDC）などで検討・開発が進行→ 今期将来計画委員会では主に他分野・インダストリーで発展している技術や新興技術を扱った実験からのニーズ → p4•

コミュニティへのアンケート

•

資料調査

海外・国内の動向 → p31
•

資料調査

先端技術

4

【Q3-1a】ニーズの観点 現在、あなたが携わっている実験の感度・精度等を“飛躍的”に向上すとしたら、それはなんですか？実現の目処は不問とします。現在携わっている実験を超えて、のために重要な技術開発についてお答えください。（複数回答可）
コミュニティアンケート：必要な技術ブレークスルーは？

JAHEPコミュニティのニーズ

1. 検出器の位置解像度向上
2. 検出器の時間解像度向上
3. 検出器のエネルギー解像度向上
4. 検出器の軽量化
5. 検出器の大面積化・大体積化
6. 検出器の低コスト化、省エネ化
7. 検出器の検出・読み出し繰り返し数向上
8. DAQ・トリガーの高速化・高スループット化
9. DAQ・トリガーのスマート化
10. 極低エネルギー励起のセンシング（量子センサー等）
11. 時計の精密化
12. 振動センサーの感度向上
13. 変位・ひずみセンサーの感度向上
14. 光検出器の高度化
15. 高磁場技術
16. 耐磁場検出器
17. 検出器の放射線耐性向上
18. ワイヤレス通信の高速化
19. 極低バックグラウンド技術
20. 計算機の小型化・省電力化
21. 計算機の高速化
22. データストレージの高速化
23. わからない or 考え中
24. 特にない

その他の意見）- 新物理に感度のある新しい検- 加速器を高度化する潤沢な資- 加速器機器の省電力化、大型安定化につながる磁石、電源、- 「現在、あなたが携わっ いるに向上する技術革新」 「現在将来やりたい実験のために重質問が変わっ いる。
- 検出器・ソフトウェアを含めた粒- 検出器製作の高品質化- まだ研究活動を始め いない- 大面積をカバー きる位置分- 高感度磁力計

が

パ

で

バ

→ 記述回答： p51以降を参照
が

↕︎

その他：
• 加速器機器の省電力化、大型 ルス電磁石の高速化や安定化に 既存検出器の先端化が主に求められている【Q3-1b】前問で選んだものは具体的にどのような実験、発展に活かせると思いますか？
つな る磁石、電源、電力技術の向上→ 各所で研究・開発されている• 検出器・ソフトウェアを含めた粒子識別効率の向上• 検出器製作の高品質化
ニーズに直接マッチしないが、委員会では• 大面積をカ ー きる位置分解能 1cm程度の、安い検出器
新興技術のサーベイ・紹介にフォーカス• 高感度磁力計

5調べた技術について
他分野・インダストリーで発展している技術 ← 大きく4つのトレンド•

量子センサー・量子デバイス … p6•

新奇素材 … p7•

機械学習 … p8•

計算・通信 … p9

✤ 調査をした技術もこれらのトレンドと関連するものが多い✤ ただし、網羅的な調査は不可能 → 委員の判断で選定

6

技術トレンド：量子センサー／デバイス•

物質の量子状態の変化を検知する装置•••

超／常伝導遷移、原子の励起、共鳴振動の変化など

過去数年で急速に実用化・商用化が進行
分野横断・融合 ＋ 公的戦略的大型投資 → 速い発展

D. DeMille, J. M. Doyle, A. O. Sushkov, Science 357, 990 (2017)

青字：調査したトピック
キーワード•

超／常伝導遷移ボロメータ（TES、ナノワイヤなど）•

スピン検知・操作（ダイアモンドNVセンター）

原子時計• イオン・原子・分子干渉計• オプトメカニクス• 非破壊測定（量子ビット）→量子コンピューティング• 低次元マテリアル（量子ドット、グラフェンなど）
•

2

7

技術トレンド：新奇素材•

大きなドライバー：環境問題•

再生可能エネルギー → ソーラーセル、触媒、積層造形•

電気自動車、電化（交通、工業、家庭） → 電池、パワー半導体•

高効率・省エネルギー化 → 軽量化合物、機能性素材• ナノテクノロジーで特殊素材の可能性が広がる•

シート、ファイバー、ドットなどを混ぜて物性を操作
キーワード•

非シリコン半導体（GaN、ペロブスカイトなど）•

ナノテクノロジー（グラフェン、ナノファイバー、量子ドットなど）•

機能性素材（4Dプリンティング、自己修復、圧電効果など）•

表面・薄膜（光触媒など）

8

技術トレンド：機械学習•

人工知能（AI）の一つのアプローチ。データから確率分布を推定•

近年の発展はほぼ全て深層学習＝多層ニューラルネットワーク•

大きなモデルを多くの入力で訓練することで性能向上

関連トピック
識別モデル

生成モデル

•

これまでHEPでは主に識別•生成モデルの発展が目覚ましい→ HEP用途は？

大規模学習•Foundation models=汎用化可能な巨大モデル•

Transformers→ テキスト・画像ベース。科学応用は？

説明可能AI（XAI）・透明性→ 科学応用に重要

エッジML
低レイテンシ・省電力推定• デバイス上オンライン学習

↔︎

•

9

技術トレンド：計算・通信•

回路の集積化は進むが、個々の演算コアの速度は向上せず→ メニーコア（並列）化、ヘテロ化•

計算リソースのコモディティ化••（マルチ）クラウド＋仮想化

通信速度は有線も無線も向上を続けている

10

技術トピック調査のサマリー
次ページ以降：各トピックについて報告• ページ中随所に参考文献リンク•

原子系量子センサー … p11-16
量子ドット … p17-18
超伝導量子ビット … p19-21
ペロブスカイト半導体 … p22
ピコ秒タイミング測定 … p23-24
量子計算 … p25-26
機械学習 … p27
計算機 … p28-29
強い関連性※トピックの順番に大きな意味はない

集積回路… p30-31

11

トピック1: 原子系量子センサー
コントロール可能な量子系で電場、磁場、
重力場／加速度、温度、圧力などをプローブ• 定常（エネルギー固有）状態の重ね合わせやエンタングルメントを利用
Standard quantum limit and beyond•

量⼦もつれナシ

量⼦もつれアリY. Matsuzaki et al.
Phys. Rev. A 84, 012013 (2011)
現実的な
decoherence考慮

D. DeMille et al. Science 357, 990 (2017)

3/4

典型的な動作原理
定常状態の重ね合わせ → 摂動下で時間発展
Sequenceof sensing→ 位相のずれを測定（Ramsey interferometry）

8
https://csferrie.medium.com/parameter-estimation-the-quantum-way-theory-and-application-of-quantum-estimation-4589b33dccf3

12

トピック1: 原子系量子センサー
レビューした技術
量子系
Atomic vapors

Cold atomic clouds

Trapped ionsRydberg atoms

物質・自由度

測定対象

有感周波数

室温〜高温の中性原子気体
磁場、回転、時間・• 原子スピンの偏極を光学的に操作し、歳差運動などを利用
周波数dc - GHz

低温の中性原子気体• スピン偏極の他、ドブロイ波干渉なども観測可能

磁場、加速度、
時間・周波数dc - GHz

電場・磁場で捕捉したイオン• 内的な励起と、集団的な振動モードを利用可能

時間・周波数、回転、電場、磁場、力

THz / MHz

電場

dc - GHz

•

•

•

•

高い励起状態にある原子（n~100）•

軌道が大きく、核の束縛が弱い→ 高い電場感度、大きい双極子能率
Atomic clocks

環境への感度の低い遷移を利用した時計• 直接センサーにはならないが、時間のレファレンスとなる••

ダイアモンド中の窒素による格子欠陥 → スピン系

Diamond NV center • 常温で長くコヒーレンスを保つ•

レーザーとマイクロ波で操作

時間・周波数

磁場、電場、温度、圧力、回転

dc - GHz

Degen et al. Rev. Mod. Phys. 89, 035002 (2017)13

トピック1: 原子系量子センサー
Atomic vapors（磁場）原理

amplitude spectral density

感度 100 aT/√Hz @ 40 Hz

1. 中性原子気体をポンプレーザーで理論的には <10 aT/√Hz とも
スピン偏極させる
Dang et al., Appl. Phys. Lett. 97, 151110 (2010)
3. プローブレーザーのファラデー効果（偏光面の回転）を観測する「偏極 → 歳差運動 → ファラデー効果」の原理を使って、原子気体そのものを調べることも可能
Hg EDM experiment: 2つの原子気体セルに共通の定磁場＋反対方向の電場をかけ、歳差周波数の差
Neutral atoms: Atomic vapors
Hg EDM experiment at U. Washingtonを測定
PRL 116, 161601 (2016)

Kominis et al., Nature 422, 596 (2003)

2. 磁場によってスピンが歳差運動する

13

Graner et al., Phys. Rev. Lett. 116, 161601 (2016)

14

トピック1: 原子系量子センサー
Cold atomic clouds - atom interferometers（重力／加速度）
自由落下するCs原子による原理

Gominet, E. Cantin, L. Antoni-Micollier, etc.
Beam splitter

Mirror

重力加速度測定

Beam splitter→ すでに感度 Δg/g=3×10-9
重力ポテンシャルの違いによって経路のハミルトニアンが異なるBarrett et al., 1311.7033(b)in signal can however be mitigated byin [6],
this can be accomplishedPeters et al., Naturedetails
400, 849(1999)

1. “π/2 pulse”で2つの運動量固有状態の重ね合わせを作る↔︎（|1⟩/|2⟩ 北極/南極）
in time. During the interferometer sequence,
ates while following the spatially-separated
diﬀraction gratings (which can be comprised
Image: Gavin W Morley
have been separated spatially, but reside in

AION (UK), MAGIS (US): 鉛直真空容器中ℓ•

3

2箇所に原子干渉計（基線長10m 1km）
→ 位相差の差が基線長、空間のひずみ、遷移周波数の変化に依存
•
•

1

2
Atom
Source4
VacuumDetec�on
Pumps

Magnetic shield

スピン1/2系 (qubit) の操作

LMT
Laser

大型原子干渉計システムによる
暗黒物質探索・重力波探知：

Baseline, Linterferometer. An initial atomic wavepacket is
2. “π The
pulse”で運動量固有状態を入れ替える
process.
wavepackets then propagate freely
on time T , during which the two wavepackets
3. 二度目の“π/2 pulse”で干渉
me, the wavepackets are coherently mixed andoutput→port,
N1 and N2 , to oscillate sinusoidally
2つの経路で獲得する位相差によって|1>に戻らない
he basic Mach-Zehnder configuration of an atom
state |1⟩ is coherently split into a superposition
he center to close the two atomic trajectories.
π/2、πなどの用語の由来は
e second beam-splitter.

with Q ⇡-pulses instead of the standar

MIGA/ELGAR (FR, EUR)ZAIGA (CN)g

低い周波数領域に感度

Atom
SourceBadurina et al., J. Cosm. Astro, Phys.
2020, 011 (2020)zx

Detec�on

Retroreflection

Figure 2. Conceptual scheme of AION, ill

15

トピック1: 原子系量子センサー
Rydberg atoms（電場）The Rydberg-Atom-Cavity Axion Search3liquid nitrogen

原理
1. Rydberg atom = 高準位（n~100）に励起された原子2. 軌道が大きい（O(100)nm~μm）•

核の束縛が弱い → 高い電場感度•

電気双極子能率が大きい

liquid helium
dilution refrigerator

3415

main magnet
conversion cavity

Rydberg atoms

metal
or
dielectric
posts

cancellation coilfield
ionizationelectrodelaser interaction point
atomic beam oven

Gleyzes et al., Nature 446, 297 (2007)

Stark electrodes
detection cavity
channeltron electron multiplier

単一マイクロ波光子検出

fluorescence
detector

Yamamoto et al. hep-ph/0101200
Fig. 1. The layout of CARRACK II.

感度 300 (nV/m)/√Hz
Facon et al., Nature 535, 262 (2016)

暗黒物質アクシオン探索（CARRACK II）
complicated level splitting and shift due to Zeeman eﬀect to the atoms. The→ 磁場でアクシオンを光子に変換、Rydberg
atomで光子を検出
cavity mode is the cylindrical TM
mode and the cavity resonant frequency010

is tuned over 25 % by the metal and aluminum-oxide posts [10]. The transition
USでも同様の計画：RAY
collaboration
frequency of the Rydberg atom should approximately coincide with the resonant
frequency of the cavity. It is tuned roughly by choosing a state with appropriate
principal quantum number n, and finely by applying an electric field with Starkelectrodes in the detection cavity. The atoms in the s1/2 and p1/2 states are16

トピック1: 原子系量子センサー
Diamond NV center（磁場、電場、加速度、etc.）
原理

感度
ダイヤモンド中の窒素原子（N）と隣接格子欠損（V）

磁場 250 aT/√Hzに生じる電子対（スピン1）系

加速度 10 (μrad/s)/√Hz

NIST

•

自己相互作用で基底状態tripletはms=0とms=±1に分離•

さらにms=±1間ギャップは磁場、電場、スピンスピン相互作用などに感度を持つ•A-E（基底-励起）ギャップは温度

Rong et al., Nat. Comm. 9, 739 (2018)や圧力に感度•

可視光レーザーで基底tripletを励起tripletに遷移

BonPhire

Axion-like particleを介したmonopoledipole相互作用は電子に実効的に磁場•ms=0は即座に637nm蛍光を放って脱励起

として作用

•

ms=±1はnon-radiative decayも→ Solid-stateセンサーとしての局所性•

蛍光の強度でスピン状態を測定可能•

励起・脱励起を繰り返すと基底ms=0に初期化可能＋原子系センサーとしての磁場感度を利用して検出17

トピック2: 量子ドットℏ2π 2 2
En =
n
2
2mL

主な種類

Chemistry 2023
“for the discovery and synthesis of quantum dots”

Si• PbSe, PbS • InP, InAs
• CdSe, CdS • HgTe

Particles-in-a-box: 準位の離散化

合成法•

How Moungi Bawendi
produced quantum dots
STABILISING GAS

1半導体ナノ結晶→ バンドギャップがドットの大きさに依存

CsPbX3(Perovskite)•

Bawendi injected substancesthat can form cadmium
selenide into hot solvent. The
volume was enough to saturate
the solvent around the needle.

THERMOMETER• コロイド（標準的）：

高温の有機溶媒中に常温のQD物質を注入。均一な大きさ
2SOLVENT

Small crystals of cadmium selenide
immediately formed, but because theinjection cooled the solvent the
crystals stopped forming.

の結晶核が生成され、再加熱

CRYSTALSによってQD粒子が生じる。
3

When Bawendi increased
the temperature of thesolvent, the crystals once
again started to grow. The
longer this continued, thelarger the crystals became.

TIME

温度と時間によってQDの大きさ
Plasmachemをコントロールできる。粉として得られる。

Dong et al., Front. Mat., 2, 13 (2015)

主に光学的・電子的な性質にアドバンテージ• バンドギャップ（放射光色）の選択性•

高い紫外吸収特性＋量子効率 → 明るい蛍光• Self-assembly：

Nobel Prize 2023

Figure 4.

The luminous properties of quantum dots find commercial uses
Thirty years later, quantum dots are now an important part of nanotechnology’s toolbox and arefound in commercial products. Researchers have primarily utilised quantum dots to create coloured
light. If quantum dots are illuminated with blue light, they absorb the light and emit a different
colour. Modifying the size of the particles makes it possible to determine exactly what colour theyshould glow (figure 3).

半導体基板上に格子定数が大きく異なる物質を堆積させる（GaAs上にInAsなど）と、

The luminous properties of quantum dots are utilised in computer and television screens based on
QLED technology, where the Q stands for quantum dot. In these screens, blue light is generated using
the energy-efficient diodes that were recognised with the Nobel Prize in Physics 2014. Quantum dots
are used to change the colour of some of the blue light, transforming it into red or green. This makes it
possible to produce the three primary colours of light needed in a television screen.

自己組織化が起こる。

Northwestern University• プラズマ、生化学的、etc.
Similarly, quantum dots are used in some LED lamps to adjust the cold light of the diodes. The light
can then become as energising as daylight or as calming as the warm glow from a dimmed bulb.
The light from quantum dots can also be used in biochemistry and medicine. Biochemists attach

QD-P-450
QD-P-480
QD-P-510

トピック2: 量子ドット

CsPb(Cl/Br)3
CsPb(Cl/Br)3
CsPbBr3

Pale yellow
Yellow
Pale Green

>40%
>50%
>70%

7 nm
9 nm
10 nm

Delta Flex 3000U–TMK2 spectrometer. The
source was a 256 nm pulsed light-emitting diodegenerator (XGD 2300-HK, Rigaku Corp.) operate
and 40 mA, and a charge-coupled device-based sp(SILVER-Nova 50, StellarNet Inc.) were used to
X-ray-induced radioluminescence spectra. The s
temporal proﬁles were obtained using a pulsed X-r
afterglow characterization system (Hamamatsu Ph
room temperature. The details for these settings a
in a previous paper.33) To measure the pulse-heig
the QD-loaded plastic scintillators were attached(R7600U-200, Hamamatsu Photonics) using
grease and then covered with Teﬂon tape. Then,
irradiated with 59.5 keV gamma rays from a 241(3 MBq). The output signals from the PMT wer
using a preampliﬁer (113, Ortec) and a shapin(572A, Ortec). The ampliﬁed signals were themultichannel analyzer (MCA; MCA8000D, Am
For comparison, the pulse height spectrum of aplastic scintillator, NE-142 (OKEN Corp.), wassured to estimate the scintillation light yield.
The high-energy X-ray detection capability wa
using a synchrotron radiation X-ray beam at BLPhoton Factory, KEK, Japan. The X-ray e
67.4 keV. Details of the measurement procedu
scribed in our previous report.34) Hybrid-mode op
used. The spot size of the beam was app
1 × 1 mm2. The QD-loaded scintillators were att
PMT (Hamamatsu R7600) using optical grease
covered with Teﬂon tape. The pulse-height sp
obtained in a similar manner to those underirradiation. The output signals from the PMT wer
with a charge-sensitive ampliﬁer (2005, Canberra
a main ampliﬁer (572A, Ortec). Then, the ampli
were fed to an MCA (MCA-8000D, Amptek Inc.)
detection efﬁciencies of the scintillators were es
comparing the counting rate of the QD-load
scintillators to that of a 5 mm thick NaI:Tl scinti

18

共通項：高い蛍光効率

Polystyrene and 2-(4-tert-butylphenyl)-5-(4-phenylphenyl)1,3,4-oxadiazole (b-PBD) were obtained from SigmaAldrich. Tetrahydrofuran (THF) was purchased from Wako
Chemical Corp. Perovskite QDs (QD-P-450, QD-P-480, and
QD-P-510) were purchased from Quantum Solutions. Table I
summarizes the properties of the QDs based on the datasheet
from the supplier.
QD-loaded plastic scintillators were fabricated using thefollowing procedure: ﬁrst, polystyrene (0.45 g) and b-PBD
were dissolved in THF (4.0 g) in a screw vial. The amount of
b-PBD was 0.50 mol% relative to the polystyrene monomer
units. Each type of QD was added to the solution at 5.0 wt%
of the total mass of the scintillators. Subsequently, the screwvials were allowed to settle at room temperature for one week
until the THF completely evaporated. Finally, the samples
were molded to a size of 3 mm × 3 mm and a thickness of∼0.70 mm to obtain QD-loaded plastic scintillators. The
fabricated scintillators were opaque, crack-free, and hadcolors derived from the QDs. The possible cause of the
opacity of the samples is the aggregation of the perovskite
QDs, which results in a Mie scattering.
The photoluminescence (PL) emission spectra were measured using an F-7000 spectroﬂuorometer (Hitachi HighTech Corp.) at room temperature. The excitation wavelength

Perovskite QD in plastic

プラスチックシンチレータに•→ 赤外で発光するが、遅い

ペロブスカイトQDを導入

InAs QDの導入で電子捕捉が早→ Zが大きいので感度が上がる

を混ぜる• 蛍光・吸収スペクトルが重なら•→ シンチレーション光の吸収し、再放出（赤）ARTICLES
decayが長くなってしまった

NATURE NANOTECHNOLOGY→ Reabsorption free

a Ionizingc

Plastic matrix

radiation

ARTICLES –NATURE NANOTECHNOLOGY

Detectors

Guided luminescence

SCSF-3HF

radiationb

1 min
1 hPlastic matrix

Emitter

Nuclear detection
500

2

20 mA c

600
700
Wavelength (nm)Substrate

High-Z
10 mA
sensitizer
5 mA

b
1

0.5

3.
4
Medicalimagingn87

0λEX = 400 nm
Large area
plasticdscintillators%

After six months in air

14.1
nPET s, 13%

Medical imaging

High-energy physics

600

800

0
5
Fast scintillators

10

15

20

30

Perylene
PET dyad (1)Time (ns)High-energy physics

–6.0

40
30

HOMO

1

–6.0

HOMO

Jpn. J. Appl. Phys. 61, SB1036 (2022)

10

A. Magi et al.

1.0

Fig. 1. (Color online) Photoluminescence spectra of plastic
0.8 scintillators loaded with QD-P-450, QD-P-480, and QD-P-510, with excitation a
insets are photographs of the plastic scintillators loaded with QD-P-450, QD-P-480, and QD-P-510 (from left to right), (a) under visible light a
0.6
ultraviolet irradiation.

20

0.4
×300

0
400

0.2

1.0
0.8

SB1036-2© 2022 The Japan Society of App

0.0

0.6500600

700

0.4Wavelength (nm)

e
500

0.2

1.0
600

Wavelength0.8
(nm)

f

0.0
700

1
1.0
Fig. 7. (Color online) Temporal proﬁles of detection signals of the QD-loaded plastic scintillators and EJ-256.

f

540 5900.5Integrated
outputInstitute of Technology, blue line) and of a plastic scintillator (Kuraray, SCSF-3HF, green line),collected in the same excitation0.6
and↑dcollection geometry. 0.0
scintillators
0.4

–6.0

LUMO

Fig. 3 | Scintillationand stabilityof perovskite-based
plastic scintillators. a,Gandini
Radioluminescenceet
spectraof twoNat.
PMMA nanocomposites
0.6 ↑dDropiewski
etperformanceal., Phys.
Res.
A
al.,
Nanotechnol.
econtaining either pure 1 (0.15!wt%, black line) or a binary mixture of 1 and CsPbBr NCs (0.15!wt%
and2.0!wt%,respectively,
red
line)
under
X-ray
0.4
High-density,
1.0
954,(30!kV,
16147215,462(2020)
irradiation
20!mA). The(2020)radioluminescence spectra of a high quality commercial BGO(grown by the
Bridgmantechniqueat the Shonan 0.2
11.0
largecrystal
volume0.83–6.0Perylene dyad (1)

20

–2
10
10
×300
30
0
400

25

1

ARTICLES
VB

LUMO

Integrated PL
outputWavelength (nm)

700

40–1
10

VB

–3.6

PL intensity

Fast scintillators

500

100

NC–1–PMMA

PL intensity

s,

400

CB –3.6c

Nuclear detection–3.6

CsPbBr3 NC

Large area
0.0
plastic
High-Z sensitization
1.0
dscintillators

Detectors
0.7
0.8(PMT, SDD)
Continuous irradiation time (h)Guided0.0
luminescence
0.2
0.3

0.6

0.4
Ionizing –radiation
0.2

800High-Z sensitization

CsPbBr3

RL intensity

a Ionizing

0.8 (PMT, SDD)

Energy (eV)

1–PMMACB –3.6

PL intensity

Radioluminescence intensity (photons nm–1)

1.0
Integrated RL intensity

NC–1–PMMA

3b

NATURE NANOTECHNOLOGY
SubstrateBGO

ε (cm–1 µm–1)

4

Ionizing
radiation

PL outputa

CsPbBr3 NC

High-Zsensitizer

Emitter

CsPbBr3

時間分解能60ps

市販の有機シンチレータとQDないので、自己吸収が起こる

QDの蛍光（緑）を有機分子が•Energy (eV)

GaAsをシンチレータに利用

くなり、光量が増える•

Average size

Perovskite QD in plastic

ε (cm–1 µm–1)•

PL quantum
efﬁciency

2. Experimental methods

output•Appearance

QDs have been used in scintillators for radiography31) or in
red-emitting plastic scintillators.32) In this study, we loaded
commercially available perovskite QDs into conventional
plastic scintillators to investigate and analyze their applicability in detecting high-energy X-rays.

シンチレーター応用３例
InAs QD in GaAs matrix

Composition

Magi et al., Jpn. J. Appl. Phys.
61, SB1036 (2022)

non-emissive
nanoparticles
such 0.5
as HfO219) or Bi2O3.23) If
CsPbBr3 NCs
the perovskite QDs were loaded in a low concentration sothat the self-absorption can be negligible, the QDs would
0.0
function as a wavelength shifter, i.e. they would absorb thelocated at longer wavelengths than those in the PL spectraowing to self-absorption. Self-absorption is also the possible
cause of the long PL decay components of the QD emissions.
A similar long component was also observed in the scintilla-

19

トピック3: 超伝導量子ビット
超伝導量子ビット4系における種々の結合

超伝導量子ビット125- LC共振器のLが非線形になっている- もう一つの共振器を介した分散読み出し• PRX QUANTUM 2, 040202 (2021)
UILDING SUPERCONDUCTING...

原理・ポイント

超伝導LC共振器のLがジョセフソン結合＝非線形インダクタンス
第 9 章 量子実験系における種々の結合
125- LC共振器のLが非線形になっている

(d)

(c)

実際の読み出し例- もう一つの共振器を介した分散読み出し

PRACTICAL GUIDE FOR BUILDING SUPERCONDUCTING...
~cm→ 非調和振動子。量子化
エネルギー準位が等間隔でないPRX QUANTUM 2, 040202 (2021)→ |0⟩ ↔ |1⟩, |1⟩ ↔ |2⟩, ...遷移を選択的に引き起こせる
(a)

(c)

(d)

実際の読み出し例

~cm

Al

(e)
図 9.6: LC 共振器とトランズモンの結合系 •| 1⟩
Substrate→
量子状態を操作しやすいTransmon| 0⟩(silicon/sapphire)

AlOx
Al

| 1⟩

Transmon(b)
カップルしたもう一つの共振器（線形）を介した「分散読み出し」(e)
図 9.6: LC 共振器とトランズモンの結合系~cmχ
√（共鳴周波数が量子ビットのエネルギー状態に依存）χχ
an を得る。ここで量子ビットの周波数は h̄ω = 8E E −E であり、√
χ

Substrate(silicon/sapphire)

| 0⟩

~cm

という Hamiltonian を得る。ここで量子ビットの周波数は h̄ωq = 8EC EJ −EC であり、
= −EC /h̄ を導入した。典型的なパラメータとしては、ωq ≃ 10 GHz、
500 nm非調和性を表す αq = −EC /h̄ を導入した。典型的なパラメータとしては、ωq ≃ 10 GHz、
∼ −200 MHz ほどである。
EJ /EC ≥ 50、αq ∼ −200 MHz ほどである。
操作しやすいかつ非破壊読み出し
操作しやすいかつ非破壊読み出し
ephson
エネルギー
Eが電荷エネルギー
Eよりも大きいという仮定
J
C
一見すると
Josephson
ECresonator.
よりも大きいという仮定
etween a transmon and a superconducting resonator. (a) Lumped-element representation of a FIG. 3. Dispersive
J が電荷エネルギー
coupling
between エネルギー
a transmon Eanda superconducting(a) Lumped-element representation of a
合が非線形インダクタとして働くということから非線形性が大きいこと
f its structure,which
consistsoftwolayersofaluminium(gray)
thatareseparatedbyanaluminium
は、
Josephson
接合が非線形インダクタとして働くということから非線形性が大きいこと
Josephson
junctionandasketchofitsstructure,which
consistsoftwolayersofaluminium(gray)
that are separated by an aluminium01
10
Aも思えるが、実はSEM image of a bridge-freejunction.
Image
credit: Kyle Serniak (Yale University). (c) Lumped- oxide tunnel barrier(white). (b) A SEM image of a bridge-freejunction.
Image
credit: Kyle Serniak (Yale University). (c) Lumpedθ の係数にもEJ /ECの因子があるように、非線形性を意味するようにも思えるが、実はθ の係数にもEJ /ECの因子があるように、非線形性
of a LC circuit capacitively coupled to a single-junction transmon and the associated the potential of each mode
cuit capacitively coupled to a single-junction transmon and the associated the potential of each mode element representation
が小さくなることを意味することが分かる。これは nC の真空ゆらぎ δnC = (EJ /8EC )1/4を意味することが分かる。これは nC の真空ゆらぎ δnC = (EJ /8EC )1/4
vels due to the dispersive interaction. (d),(e) Two examples of physical realizations of a transmon and the dressing of the energy levels due to the dispersive interaction. (d),(e) Two examples of physical realizations of a transmon
を考えるとより直観的になる。
が小さいときにはδnor
は小さく、CooperJ /ECinC 3D
device dispersively
coupled to a superconductingEcavity
either the planar (d)configuration(e).対が 0
観的になる。Ecavityが小さいときにはδnor
は小さく、CooperJ /ECinC 3D
uperconducting
either the planar (d)configuration(e).対が 0
個から 1 個になるか 1 個から 2 個になるかで Cooper 対間の相互作用による遷移エネル
か 1 個から 2 個になるかで Cooper 対間の相互作用による遷移エネル
EJ /ECequation≫ 1 のときには
δnC が非provides the ギーの違いが出る、すなわち非線形性がある。しかしdrive and measurement tones to the system.
Langevin
is more suited
to describe the traveling、すなわち非線形性がある。しかしEJ /ECequation≫ 1 のときには
δnC が非ement tones to the system.
Langevin
is more suited
to describe the traveling Here, a (t) and
常に大きい。すなわちもはやこの領域での固有状態は数状態ではうまく書けないものに
a(t)represent,
respectively,
theincomfields
that
weconsider
here.
in
out
1
わちもはやこの領域での固有状態は数状態ではうまく書けないものに
nt, respectively, the incomfields that we consider here.
なるのだが、あえてCooper 対の個数でいうならば
1While
個増えようがそこからさらにもうing and outgoing
field of the transmission
line where it
ain is necessary in order for us to control the stateてCooper 対の個数でいうならば
1While
個増えようがそこからさらにもうtransmission
line where it
ain is necessary in order for us to control the state interacts with1 ourcircuit.
The
fieldsat
diﬀerent
times
are
of
the
resonator,
it also introduces undesired fluctuations
個増えようが、数状態の分布が少しシフトするだけで遷移エネルギーにおける違いが
!
" !
"
†
† ′
′
fields"at diﬀerent
times"areof the resonator, itこれを超伝導体で作る。
also introduces undesired fluctuations not related, such
数状態の分布が少しシフトするだけで遷移エネルギーにおける違いがinits
field.
To
mitigate
this, we typically operate in the!
that aout (t), aout (t ) = ain (t), ain (t ) =ほとんどないような状況になる、すなわち非線形性が小さくなるのである。今回考えた†† ′′“stiﬀ-pump”
regime,where
κc is negligible compared toinitsfield.
To
mitigate
this,we
typically
operateinthe5
な状況になる、すなわち非線形性が小さくなるのである。今回考えたout (t ) = ain (t), ain (t ) =EJ /EC を持つものをトランズモン（
transmon）と呼ぶ。逆
impliesain and aout have dimensiont−1/2 .
δ(t − t′ ). Thisような超伝導回路で大きなジョセフソン接合は小さい
thefrequencyoftheresonators,
but the expectation value“stiﬀ-pump” regime,whereκc is negligible compared to A detailedに√
the field results in the following
EJ /ECofが小さくなると非線形性が大きくなるが、こういった超伝導回路をCooperEJ /EC を持つものをトランズモン（
transmon）と呼ぶ。逆aで大きなt−1/2 .
(波動関数が染み出すスケール) balanceout have dimension
of
κ
a
can
be
large
comparedto κc . This way, we havec in
the frequency of the resonators,123but the expectation value input-output relation:
9 章 量子実験系における種々の結合
pair box と呼ぶ。
√
eld第resultsin the following00
くなると非線形性が大きくなるが、こういった超伝導回路をCooperq

CJC→ 非破壊読み出しω

理想的な射影に近く、繰り返し測定可能= E - E （O(1) GHz）で電圧をかけると|0⟩ ↔ |1⟩ラビ振動（~MHz）

コヒーレンス時間

実装•

半導体チップ上にアルミなどを蒸着
希釈冷凍機で~10mKまで冷却
設計図

T (relaxation time):|1⟩から|0⟩に脱励起する時定数→ 商用量子コンピュータ用量子ビットで ≥400μs

a = ā + a , where a represents the negligible fluctuaT (dephasing time):
tions of the field and ā its average value. In the stiﬀ-pumpapproximation, a drive is modeled with the Hamiltonian
Bloch球赤道上の状態が赤道面への射影を失う時定数
最後に、超伝導量子ビットと共振器が図のようにキャパシタを介して接続されている
pling rate at which
the oscillator 密度行列の非対角成分が消滅する時定数
exchanges energy withH
= ϵ(t)a2,+040202
ϵ(t) a,(2021)(10)
PRACTICALGUIDEFOR
BUILDING
SUPERCONDUCTING...
PRX QUANTUM
the transmission
line,
and can beexperimentally characterような回路を考えよう。電圧、キャパシタの電荷、磁束その他のパラメータは図中に示!
ized for eachしてあるのでそちらを参照してほしい。結合キャパシタ（setup. Here, wechoosethe sign convention
coupling capacitor）C の扱→
同じく商用量子ビットで≥300μs(10) following the approach in Ref. [48]. With the incoming•
2√of κc ain can be large compared to κc . This way, we have
EJ.
0
0
J
J.
aout = ain + κc a,(8)ain = āin + ain , where ain represents the negligible fluctua9.2.3
共振器とトランズモンの結合
tions of the field and āin its average value. In the stiﬀ-pump
where
κc nm
is defined as the frequency-independent coux 200
approximation, a drive is modeled with the Hamiltonian ~200√
+ κc a,(8)とトランズモンの結合
requency-independentcou図 9.5: LC 共振器（左）と本章で扱う超伝導量子ビット（右）量子ビットと共振器が図のようにキャパシタを介して接続されている
tor exchanges energy withHdC
= ϵ(t)a† + ϵ(t)∗ a,e experimentally
characterよう。電圧、キャパシタの電荷、磁束その他のパラメータは図中に示!
というものになる。Q の共役となる正準変数は Φ となることはすぐにわかるので、
choosethe sign
convention
らを参照してほしい。結合キャパシタ（coupling capacitor）Cc の扱
HamiltonianH
LC は
f.
[48].
With
the
incoming√
パシタンスが Cq 、Cr に比べ小さいとし、超伝導量子ビット、共振器、Q2 ϵ(t)Φ2 =κc āin .
with+(9.2.6)o account, we arrive at the HLC =2C Hamiltonian
2L
高さ3 mm を求めてみることエネルギーを足し上げたものとして
forとなることがわかる。第a(t) in the Heisenberg
1 項がキャパシタのエネルギー、第 2 項がインダクタのエネル

パシタにかかる電圧は Vc = Vr − Vq = Qr /Cr − Qq /Cq であり、これ

(a)

in

in

in

in

in

d

†

∗

c

~cm
√
(d)
(c)
Cq 、Cr に比べ小さいとし、超伝導量子ビット、共振器、いが肝だが、キャパシタンスがwith ϵ(t) = κc āin .
and outgoing fields taken into account, we arrive at the
Al結合キャパシタのエネルギーを足し上げたものとして Hamiltonian を求めてみること
following diﬀerential equation for a(t) in the Heisenbergにする。結合キャパシタにかかる電圧は Vc = Vr − Vq = Qr /Cr − Qq /Cq であり、これ
AlOx

picture:量子コンピュータ開発に伴い、コヒーレンス時間の向上
B. Josephson junction
Superconducting resonators alone do not provide a usei と多ビット化が急速に進展しているκ√∂ a = − [a, H] − a − κ a .
(9)
ful medium for encoding quantum information. This isAl

ギーになっていることがわかるだろう。
!
2
B. Josephson junction
期待通り Q と Φ を正準変数とする調和振動子の形にかけたので、これらを演算子とSuperconducting resonators alone do not provide a use- This expression is called the quantum Langevin equation
κみなし、交換関係√[Q, Φ] = ih̄ を要請することで量子化の手続きが完了する。共振器光a − κc ain .
(9)− 子の生成・消滅演算子を
ful
medium for encoding quantum information. This is [49]. It includes two new terms: the first one corresponds2χ!because!the energy levels of a resonator are separated by to a damping of the field at rate κ/2, withχ κ = κc + κi ,
1
L
i
C

(b)

t

c in

TransmonSubstrate(silicon/sapphire)

because(e) the energy levels of a resonator are separated byan equal spacing of !ω, forbidding us from addressing thetransitions individually. Thus, we must introduce a nonlin~cm
ear element in order to achieve universal quantum control

photon detectors or photomultipiertubes cancounter,readily countsingle-photon
we employ
infrared photons; however, thesetechnologies
arepioneered
not well inofa(QND)
techniques
20 m
suited to detect single low energy
microwave[23].the intecountphotons, photons
we utilize
Here, we develop a detector thatis sensitivein the microconducting
transmonqubit [26fawave regime and has a low microwave
dark count probability
comcavity, as describedm
mensurate with the small signal
rates expected
Hamiltonian[28] inina dark
the dispe(stmatter experiment.
coupling ≪ qubit, cavity detmQubit-based photon counter.—Inorder †to 1construct a1
ωq σquantum
þ 2χaa 2 σ z . (2021)
The Hamil
strz126,
Dixit et al.,counter,
Phys. weRev.
141302
2Lett.
single-photon
employnondemolition
elucidatea key [24,25].
feature: Toa photous(QND) techniques pioneered in
atomic physics
shiftbetween(2χ) ofa thequbit traωr
count photons, we utilize thequency
interaction
supertoconducting transmon qubit [26,27] and the field in a
解釈：
量子ビットと共振器のシステム（J-C Hamiltonian）
1
microwave cavity, as described by the Jaynes-Cummings
†
H=ℏ
¼
ω
ðω
a
a
þ
c
ul
•
共振器の振動数が量子ビットの状態に依存
Hamiltonian
[28]
in
the
dispersive
limit(qubit-cavity
1
1
2
†
z
† −
+
pa
coupling ≪ qubit, cavity detuning): H=ℏ ¼ ωc a† aþ
r
q
2
2
1
1
†
de
→ 量子ビットの読み出しに利用
can be recast to
46 Page 6 of 20
Bull. Mater. Sci. (2022)45:46
2 ωq σ z þ 2χa a 2 σ z . The Hamiltonian
We use an interferometric Raminelucidate a key feature: a photon-number-dependent freRamsey interferometry in :quantum
computing? Ramsey Larmour frequency or Rabi frequency. Thus, with thequbitfrequency
to
infer
the
cavit
共振器と量子ビットの固有振動数• 量子ビットの振動数が共振器中の光子数に依存
wiinterferometry rfollows qthe principles of Machzender knowledge of qubit frequency, which is the energy differquency shift (2χ) of the qubit transition [Fig. 1(b)],† is used for measuring temporal ence between the ground state and excited state (or, the timeinterferometer, whichmeasurement occur due to qubitj2d: 共振器中の光子の生成消滅演算子
coherence. Ramsey interference
method is considered to required for p rotation), a square pulse with a pulse width of
be a reliable technique±for probing decoherence for any p=2 can be chosen for the superposition of states. Figure 5asto→ 量子ビットをphoton counterに使える
1
zvalues of detuning. In otherwords, the measurement of shows the evolution of Bloch sphere in response to the
H=ℏ ¼ ωc a† a þ ðωq þ 2χa† aÞσ z :ð1Þ
:
量子ビットのスピン及び昇降演算子
shRamsey fringes is done when the charge qubit exists in a Ramsey pulse sequence. By applying negative detuning
2 (a)
(b)
Qu
system where, the energy difference amongst the qubit with the help of gates, the qubit is initialized in jLi state
sta
1.0
states is strongly dependent on detuning (eÞ, implying that (see red double well at the left-hand side of figure 2), at theReadout
として
Δ
:=
ω
−
ω
ca
q noise rin beginning of each pulse sequence. The first rx= p=2 pulse,
the qubit has a high sensitivity towards any charge
We use an interferometric Ramsey measurement of thethe vicinity. Ramsey interferometry employs two pulses with the width tp=2 , gives a rotation to the Bloch vector and
0.5−πwith a separation time, s, as
shown in figure 5b. The pulses
qubit frequency to infer the cavity
state [30].
Errorsbrings it into
the equatorial
plane
(the
x–y plane), where the Transmon（量子ビット）が２つの共振器||
dispersive
regime:g/Δ≪
1Transmon
Dark
Matterin theare designed in such a manner that the first square p=2 pulse Bloch vector freely revolves about the z-axis for the time
ph0.0
measurement occur due to qubit decay, dephasing, heating,transfers the system into a superposition of charge basis period s, 2
with generalized Rabi frequency. The second rx =4.746qug terminates
states. This is analogous to the function of fifty-fifty
1 beam zp/2 rotation
Storage†† thezfree rotation (figure 5a), because （ReadoutとStorage）とカップル
splitter in Machzender interferometer. The system remains the two consecutives rx rotations convert the jRi state to jLi
rer for the durationon the equator of Bloch sphereof qtime state in absence of any rz rotation. Meanwhile, in the
Δ
2
(a)
(b)
th
interval s, which is the time delay between two p=2 pulses interval s, superposition between the basis states occurs, → Storageの光子数でTransmonの状態をQubit Excited State Probability(see figure 5b). The Bloch vector begins to precess freely which results in oscillations in excited state probability,
FIG.
1.
Superconducting
transmon
1.0
Readout
on
n= 2
n= 1
n=0
about the z-axis for the duration of time interval s, during termed as Ramsey fringes [22,27]. Ramsey fringes can be
to
high
Q
storagecavity.
(a)
Schematwhich, it acquires the phase between the two charge states. seen by removing the slowly varying background from the 変え、Readoutの振動数として読み出す
ze
0.5PHYSICAL REVIEW LETTERS 126, 141302 (2021This is alias to the phase acquisition due to the glass plate above oscillation data and then fitted to a cosine function.
consisting of storage and readout cav
TransmonDark Mattersta
between the two arms of Machzender interferometer. The The amplitude of the cosine function is modulated by a
(a)
(b)
0.0
qubit [29].
The interaction
Cavityreadout timebetween(3 μs) and
Observations
second p=2 pulse terminates this free evolution about the z- Gaussian decay, obeying the 1=f noise model [19] to obtain
fli
4.746
4.748
4.750
relax inbacktothe ground
光子数→量子ビットの状態:
interferometry
Qubit
axis andbrings the coherent superposition states into one of the coherenceRamsey
time.
magnetic
field
resultsaphotonbe
Storage
E
Frequency(GHz)
Hidden statessethe basis states.
Readout
cavity. (b) Qubit spectroscopy
reve
A fundamental question that arises at this point is, how to 2.3b Improvement in measuring coherence time by using
j0gi
j0ei
T
po
2
designBloch球赤道上に置かれた状態の回転の速さが量子ビットのor choose pulses that can convert the basis states into charge echo: The 1/f noise (low-frequency charge noise)
N Repetitions
population
is imprintedcoupledasaPggshiftofthFIG. 1. Observed
Superconducting
transmonqubit
dispersively
P
P
P
00
00
ge
a superposition of states or vice-versa? For this, the energy is the main reason for the inhomogeneity in the precession
Qubit State
Initial Cavity State(c)
6
10
1 Q storage cavity. (a) Schematic
The photon-number-dependentshift
to highof photon counting
difference between the ground state and the excited state of frequency and limits the coherence in the Ramsey
6 Pdevice
P
P00
Pee
all
6 00 egT¼
the qubit
should be known. Microwave spectroscopy [29] is experiment. Since the precession frequency depends on
振動数で決まる10
6P P
consisting of storage and readout cavities bridged by a transmon
ge
4 10 gg P10 Ppr
commonly used to measure the energy differences between the noisy detuning parameter, a slightly different final state0
qubit1 [29]. The interaction between the dark10 matter and electrothe states of the qubit and also yields information about the is reached after each iteration of the pulse sequence.
P10 Peg P10 Pee
10re→ 回転時間の調整で光子数の偶奇 終状態の|0⟩/|1⟩となる
magnetic field results in a photon being depositedin the storage
100The elementsem
20 spectroscopy
30
0
10 reveals
20
30that the storage
cavity. 0 (b) 10Qubit
cavity of thequNumber of Parity
Parity Measurement ( )readout
fidelities
of
the
sig
Measurements
population is imprinted as a shiftof the(N)qubit transition frequency.
qubit (FgG ¼ 95.8 % 0.4
thThe
photon-number-dependent shift is 2χ per photon.
from the first stage cry
FIG. 2. Photon counting protocol and hidden Markov model

トピック3: 超伝導量子ビット
Photon counterとして

H = ω (a a+ )+ ω σ + g(a σ + aσ )
ω ,ω
a, a
σ ,σ

H ∼ ω a a+ ω σ +a aσParityMeasurement

0

-1

0

-7

-14

さらに分散読み出しが非破壊測定であることを利用し、analysis. (a) Pulse sequence for photon counting includes cavity
readout fidelity
initialization and repeated parity measurements, consisting of a π=2
測定を繰り返すことで精度を上げている
pulse, a wait time of t , and a −π=2 pulse followed by a qubit141302-2p↔︎

Uddin et al., Bull. Mater. Sci. 45 46

readout. (b) Cavity and qubit states evolve under transition matrix T,
readout measurements are governed by emission matrix E. (c) Left:sequence of qubit readout signals for two events. Right: reconstructed initial cavity state probabilities. We observe an exponential
suppression of the detector error-based false positive probability.

2

6
6
E ¼ 12 6
6
4

21

トピック3: 超伝導量子ビット
その他の用途アイディア
Dark photonアンテナ•

Single-photon counter

質量μeVスケールのHidden photon dark matterは•Josephson equation I = I0 sin δ に従ってジャンO(1-10) GHzで振動する古典場のように振る舞う•

クションの位相差δがwashboard potential（下

光子とのkinetic mixingによって同じ周波数の電磁
波を生じる

•

図）の元で運動する粒子のように振る舞う量子ビットのω01と共鳴すれば、|0⟩ ↔ |1⟩遷移を誘引する→ ポテンシャル極小近傍に留まる•

光子を吸収すると極小から抜け出し、一気にポテ
ンシャルを駆け下りて常電導状態に遷移する•

Transition-edge sensorのように単一光子検出に→ |0⟩に初期化した量子ビットの一定時間後の測定で|1⟩が得られる確率からmixingパラメータと暗黒物質密度の積を算出できる

Phase qubit: JJにバイアス電流Ibをかけると、

5
使え、マイクロ波領域で感度を持つ
in Eq. (30) with nq = 1 (100) assuming T = 1 mK.
4
The dashed lines show the sensitivity with T = 30 mK
with the top and bottom line corresponding
to nq = 1
tunnelingand 100, respectively. Notice that the discovery reachis insensitive to the value of Q in this evaluation ignoring the measurement time or interval, since p⇤ / Q2
while Ntry / Q 2 . The unexplored frequencies in the
1 10 GHz range can be fully covered by the mass scanwith one year of the measurement time. The sensitivityof the hidden photon DM search of our proposal is comparable to or better washboard
than those of otherproposals withpotentialcondensed-matter excitations (e.g., electric excitations[48–52], phonon [53, 54], magnon [55], and condensedmatter axion [56–58]).

FIG. 1.

Chen et al., 2212.03884

Contours of constant p⇤ ⌘ pge (⌧ ) on mX vs. ✏A.L. Pankratov et al.

Conclusions and discussion: In this letter, we have proFig. 3 The switching probability of the SPC (blue dots with error bars computed as standard errors) versus the normalised power of theposed a new detection scheme
for the hidden
photonPankratov
et al.,
npj
Quant. Info. 8, 61 (2022)
signal for different bias currents I from 16 to 12nA, corresponding to detection of 1–5 photons, respectively. The ﬁtting red curves are
DM using transmon qubits. Due to the small kineticplottedagainst the middle x-axis “mean photon number”. The lower x-axis is the power in Watts, obtained from the PAT steps (the22

トピック4: ペロブスカイト半導体
ポイント•

もともと天然ペロブスカイト＝CaTiO3•

現在はABX3構造を持つ結晶の総称•

A, B, Xによって様々な性質を発揮•

高効率・安価なペロブスカイト太陽電池の発見（2009）•

太陽光スペクトルでの発電に適したバンドギャップ（~1.5eV）•

GaAs（1.4eV）より遥かに安価

一般に、バンドギャップを調整できる・安価である、加工しやすいなどの点がアドバンテージ
NATURE PHOTONICS DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.41
ARTICLES
NATURE PHOTONICS•

DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.41

Large
MAPbBr3
3 crystal
3 single

A2•

T2/T1 (%)(CH NH )PbX (X=I, Brなどハロゲン)
100
S

T2
S2

1

80

−

PbとXのZが大きく、X線の吸収効率が高い

MR = 1.0

Opaque part on surface

60

0
600

→ 高感度・大面積なX線検出器に
650

700

750

e

−2 V
−4V

100

h

2

d = 3.7 mm

−+ −+
C60
BCP
Ag or Au

300

10−1

200
150

Lightgenerated
charges80
CdTe
MAPbI360

MAPbBr3
MAPbCl3

40

Si

0.5

20
0.0
0

1

2

3

4

5

6

60

Thickness(mm)
NATUREELECTRONICS

c

80

1
Time

d

b

0

0.3
de

ctro
Top ele
MAPI

f

rid

Pixel g

−4 V
−8 V

1.0

0

Photons oflight or X-ray−1 −1

Wei et al., Nat. Photon. 10, 333 (2016)= 0.8(2021)
Deumel et al., Nat. Electron. 4,MR
681−+

X-raygenerated
chargesaocurrent (nA)ized current (a.u.)

d = 3.0 mm

MR = 1.0
10−1−+

ARTICLES

800−0.5 V−2.5 V
γ線や荷電粒子の検出への応用検証が進行中µ = 217 cm V s−1 Vµh =•206 cm2 V−1 s−1100−+

医療用に注目されているが、HEPでも応用可能か
ized current (a.u.)

d

−+

−+

Wavelength (nm)

•

−+
−+

+

半導体として電荷回収効率が高い
40
MR = 1.0
MR = 0.8
MR = 0.8
20
MR = 1.0• 安価、加工しやすい
•

−+

b

100

X-ray current (a.u.)Small•3 single 3
MAPbBr
crystalGrowthT1aPixel e

102

50 µm

lectrode

w/o passivationeckplana

TFT b

UV–O3 passivation
c

1

d
70

–1

5.0 lp mm

Relative response (dB)

高物質量半導体のX線検出器
MR = 0.8

Au
MAPbBr3 single
crystalAttenuation efficiency (%)

R1
Incident light
I0

Growthc

Crystal sample

Current density (nA cm−2)

b

)

a

−1

−2
2次元ピクセル型も

0.2

0.1

−3
−4

0.0
Dose (nGyair per frame)

0

1

8
7

2 6

3 dB frequen

−5
3

4

5

102

23

トピック5: ピコ秒タイミング測定
Particle Separation with TOF at 35 ps

4

Pion
Chapter
1. Overview of the MIP Timing Detector ProjectKaonδt = 100 ps (cδt = 3 cm)• トラッカーでパイルアップ識別

ProtonCMS Collaboration, CMS-TDR-020 (2019)800

vertex time (ns)“Timing revolution”:
コライダー用検出器での「第四次元」活用の本格化

Delta M (MeV/c^2)

1000

600

400

200

0

2

4

6

8

10

同一バンチ交差中バーテックスの時間広がりを利用 FIG. 15: Mass resolution for a TOF system with
FIG. 14: The time distribution of beam
background hits in the SiD Vertex Detector Endcap

δt = 10 ps (cδt = 3 mm)•

p (GeV/c)

HL-LHC level performance of 35 ps time resolutionin SiD

5D Calorimetry

カロリメータで荷電粒子と中性粒子の分離
matrix element methods to support the event inter-(cm)
Particle
Separation
withreconstructed
TOF at 10 ps
Figure 1.2:
Simulatedandvertices in a bunchvertex
crossingzwith
200 pileup inter-

Delta M (MeV/c^2)

The ultimate goal of such an Precision
approachtiming for collider-experiment-based
calorimetry
et. al.]actions assuminga MIP[Chekanov,timing detector
with ⇠30 ps time resolution covering the barrel and• ToFで π / K / ppretation.
の分離（upto
5-10
GeV/c）
Pion
would be to predict the Feynman diagram based on
endcaps.
Thehorizontal
axis
is
the
z
positionalong the beam line, where the “0” is the center
Kaon
1000
Protonthe set of raw detector inputs. While this• goalisof theThe verticalflow
axis is the time with “0” being the point in“5Dtime when
the beams comPerformanceofIR.particle
calorimetry”
δt = 1 ps (cδt = 0.3
quite mm)likely out of reach for the start of the ILC,
re800pletely overlap in z. The simulated vertices are the red dots. The vertical yellow lines indicate
reconstruction depends on the ability
search in this sector can inform the detector design
3D-reconstructed(i.e.particles
no use of timing information) vertices, with instances of vertex merging
to associate
showers to600• b / c ジェット中の中性粒子識別visible throughout the display. The black crosses and the blue open circles represent tracks
in the future and will improve the understanding
o ofChallenging
when showers overlap in
detector sensitivity to a variety of physics models. space 400and vertices reconstructed using a method that includes the time information and is therefore

referred to as “4D”. Many of the vertices that appear to be merged in the spatial dimension are
高時間分解能センサー（荷電粒子） • Precision timing
clearly separated
when timecan
information
is available.
information
help
Breidenbach
et al.,
200

resolve close-by
particles,
exploiting
2110.09965
POTENTIAL NEW SUBSYSTEMS
0reduces the number of tracks from pileup vertices that are incorrectly associated with the hard-

the full space-time structureofSchwartzman,
LCWS
2023
p (GeV/c)interaction
vertex.
This
reductionis quantified in Fig.
1.3. The left plot shows
the meannumbershowers,
improvingthejetenergy
FIG.
16:
Mass
resolution
for
a
TOF
systemwithaoftracksincorrectly
associatedtotheprimaryvertexasafunction
of
the
line
densityofthe colThe most obvious addition to SiD is takingresolution
adDifferent
approaches:
10 ps
in SiDlisionperformancevertices. For aofline
densityof 1.9 collisions per mm, which is the peak density for the
IX.

検出技術

δt実証値

2

4

6

8

10

vantage of the recent improvements in fast-timingo separatecase
delayedshower≳10 ps“Volume”(cell-level)シリコン
200 pileup collisions, the mean number of•incorrectly
associatedtrackstiming
reaches over 20
detectors.
特にδt= 10ofpsは他分野でも重要（光センサー）
components
fromneutron induced＋シリコン光検出器

A.

≳10 psTiming layers•

As noted above the introduction of timing layers into the HCAL could allow beneficial identificaガス検出器 (Micromegas)<100 fromps prompt comtion of slow shower components
ponents. This would provide an extra dimension
to resolving track-cluster associations, and following<1 topsshower development from layer
layer (by associatマイクロ波チェレンコフ
ing equal-time items) in(sim.
the PFA.
Timing resolution
only)
at the nanosecond level should be sufficient for thisapplication.
In Figurethe timing distributionofChekhanov
et al.14Snowmass
21

Number of pileup tracks / PVシンチ（LYSO, plastic）•
processes
CMS Phase-2 Simulation(14 TeV)•50o • resolve
associations
車載LiDARorder track-clusterof 10 ps whichisroughlyafactor
three
to
five
〈PU〉=200.
Fast-sim
following showertpt events.
development>0.9 GeV, |ηtarget|<3.
betterthantheresolution
bythetiming layers
cell-to-cell (PFA
40 pattern recognition)
No MTD

Dedicated timing cells
Timing layers within the calorimeterT

ToF-PETof ATLAS [46] and MTD
CMS[47]. A first performance
60 ps

MTD 50ps
study of a TOF
locatedbetween the tracker
30 layer
MTD 40 ps
and ECAL is shownMTD
in 35Figures
15 and Figure 16.
ps

10

20
10
0
0

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
B.
ParticleLine
IDdensity (mm-1)

Figure 1.3: Left: Number of pileup tracks incorrectly associated with the hard interaction ver-24

トピック5: ピコ秒タイミング測定
電荷増幅シリコンセンサー

LGAD模式図

原理
シリコンセンサーのタイミング測定：• 荷電粒子が欠乏層中で電子・ホール対を生成（連続分布）•

電荷は一定速度で電極へ移動 → 時間広がりを持った電流信号•

信号のピーク／立ち上がりなどで粒子の通過時刻を決定

時間分解能 σt = σs ⊕ σn
電荷量のランダウゆらぎ＋電場の不均一性

アンプのノイズ

電荷の移動時間の>1乗でスケール

S/N比に反比例→ 薄く広いセンサーがよい→ 電荷量が多いとよい

ほぼ同原理

Low-gain avalanche diode (LGAD)•

薄い欠乏層とカソードの間に強電場領域

Single-photon avalanche diode (SPAD)•

ゲインはO(10)程度•

Avalanche photodiode (APD) とほぼ同原理•

ただしAPDは欠乏層厚い＆ゲイン高い

ガイガーモード（Vbias > Vbreakdown）APD→ 比例増幅ではないので単一光子検出向け→ 電子雪崩の発生、電荷が比例増幅•

Currás et al., NIMA 1031, 166530 (2022)•

δt = O(10) psの光検出器アレイ化してフォトンカウンターにSilicon photomultiplier (SiPM)

25

トピック6: 量子計算
概要
広義：量子系を特定の状態に初期化し、操作を施して得られる状態を計算に利用→ 量子回路型、測定型、アニーリングなど多くの方式が存在→ 超伝導共振回路、イオントラップ、中性原子、光学系、ダイアモンドNVCなどで実装
主流は量子回路型。超伝導共振回路量子ビットの開発に多くの資源が集中•ゲートの実行時間が短い（O(10) ns）•

コヒーレンス時間（O(100) μs）はイオントラップなどより短い→ エラー訂正が実現すると、速いことが大きなアドバンテージに•

量子ビット（＝2準位系）n個の系＝量子2n次元系•→ Poly(n)の操作（ゲート）を使って、2n次元の変数空間を利用•→ 特定の演算が（古典）計算機より「指数関数的に」早くなる
例：離散フーリエ変換 {cj}N−1
j=0 → dk = ∑N−1 2πijk/N
e
cj
j=0

演算回数＝古典O(N log N )、量子O((log N )2)

計算原理
量子回路

初期化

jのヒストグラムから測定（プログラム）

計算結果を読み取る
2| initial⟩∑k ψk | k⟩

確率 | ψj | で| j⟩を得る

×多数回繰り返し26

トピック6: 量子計算
キーワード・展望
物理研究で何に使えるか？
i.e. 量子超越（対応する古典計算より指数関数的に早くなる）のあるアプリケーションは？
既知のアプリケーション：•

素因数分解 ← フーリエ変換の応用

量子系のダイナミクスシミュレーション• 勾配降下によらない最適化（主にアニーリングマシン）
有用可能性（未証明）：••

量子系の状態を量子ビットの状態にマップし、ハミルトニアンをゲートで表現する

機械学習（データ点の超多次元空間への埋め込み → 相関の検知）

エラーと展望ゲート操作や読み出しが可能＝必然的に外部からノイズあり
エラーをリアルタイムで訂正しながら量子回路を実行する必要
現在：Noisy, intermediate-scale quantum (NISQ) systems → エラー訂正未実装
エラー訂正の実現には• 多数の高品質量子ビット

各社・研究所がそれぞれの技術で2020年代中のエラー訂正実現を目標に

高速読み出し• 高速フィードバックなど多数のマイルストーンがある•

超伝導 → 量子ビットのコヒーレンス・エラー率がネック•

イオントラップ・中性原子 → スピードがネック•開発を進める

小規模なエラー訂正は実証済み

27

トピック7: 機械学習原理
確率分布 p(x) から無作為に抽出されたサンプル xi ∈ ℝd をもとに、p(x) の近似 p̃(x) を得る•

分布推定：p(x) そのもの

未知データの識別：p(x1)/p(x2)ニューラルネットワークなど
バックプロパゲーション＋勾配降下法など• 疑似データの生成：p(x) からのサンプリング•p̃(x) はパラメトライズされた関数（モデル）。サンプルデータにフィットする（訓練）。
過去10年の最も大きなブレイクスルー

JAHEPコミュニティアンケート（2023年3月）の結果→ HEPでも大いに注目・利用拡大

現在の実験で、MLで改善できそうな局面は？

CompF3: Machine Learning
Phiala Shanahan, Kazuhiro Terao, Daniel Whiteson (Editors)
Including contributions from White Paper authors:•

大気や気象変化などの影響の抑制•

飛跡・イベントetc再構成•

系統誤差の見積もり•

統合解析（global t）

09.07559v1 [physics.comp-ph] 15 Sep 2022

Gert Aarts1,2 , Andreas Adelmann3 , N. Akchurin4 , Andrei Alexandru5,6 , Oz Amram7 , Anders Andreassen8 , Artur Apresyan9 , Camille Avestruz10 , Rainer Bartoldus11 ,Keith Bechtol12 , Kees Benkendorfer13,14 , Gabriele Benelli59 , Catrin Bernius11 , Alexander Bogatskiy15 , Blaz Bortolato16 , Denis Boyda17,18 , Gustaaf Brooijmans19 , Paolo
Calafiura13 , Salvatore Calì20,18 , Florencia Canelli21 , Grigorios Chachamis22 , S.V. Chekanov17 , Deming Chen23 , Thomas Y. Chen40 , Aleksandra Ćiprijanović9 , Jack H.
Collins11 , Andrew J. Connolly24 , Michael Coughlin25 , Biwei Dai26 , J. Damgov4 , Gage DeZoort27 , Daniel Diaz28 , Barry M. Dillon16,29 , Ioan-Mihail Dinu7 , Zhongtian
Dong30 , Julien Donini31 , Javier Duarte28 , S. Dugad32 , Cora Dvorkin33 , D. A. Faroughy21 , Matthew Feickert28 , Yongbin Feng9 , Michael Fenton58 , Sam Foreman17 , Felipe
F. De Freitas34 , Lena Funcke20,18,35 , P. G C4 , Abhijith Gandrakota9 , Sanmay Ganguly36 , Lehman H. Garrison15 , Spencer Gessner11 , Aishik Ghosh58 , Julia Gonsk19 ,Matthew Graham48 , Lindsey Gray9 , S. Grönroos37 , Daniel C. Hackett20,18 , Philip Harris20 , Scott Hauck24 , Christian Herwig9 , Burt Holzman9 , Walter Hopkins17 ,Shih-Chieh Hsu24 , Jin Huang38 , Yi Huang38 , Xiao-Yong Jin17 , Michael Kagan11 , Alan Kah19 , Jernej F. Kamenik16,39 , Raghav Kansal28 , Georgia Karagiorgi40 , Gregor
Kasieczka41 , Erik Katsavounidis20 , Elham E Khoda24 , Charanjit K. Khosa42,43 , Thomas Kipf44 , Patrick Komiske20 , Matthias Komm37 , Risi Kondor45 , Evangelos
Kourlitis17 , Claudius Krause46 , K. Lamichhane4 , Luc Le Pottier13,10 , Meifeng Lin38 , Yin Lin20,18 , Mia Liu47 , Nan Lu48 , Biagio Lucini49,1 , J. Martinez4 , Pablo
Martín-Ramiro13,50 , Andrej Matevc16,39 , William Patrick McCormack20 , Eric Metodiev20 , Vinicius Mikuni21 , David W. Miller45 , Siddharth Mishra-Sharma33,18,6 ,Samadrita Mukherjee32 , Daniel Murnane13 , Benjamin Nachman13,51 , Gautham Narayan23 , Mark Neubauer23 , Jennifer Ngadiuba9 , Scarlet Norberg60 , Brian Nord9,4 ,Inês Ochoa52 , Jan T. Offermann45 , Sang Eon Park20 , Kevin Pedro9 , Cristían Peña9 , Alexx Perloff61 , Mariel Pettee13 , Maurizio Pierini37 , T. Quast37 , Dylan Rankin20 , Yihui
Ren38 , Marcel Rieger37 , Jean-Roch Vlimant48 , Avik Roy23 , Veronica Sanz42,53 , Nilai Sarda20 , Claire Savard61 , Alexander Scheinker54 , Uros̆ Seljak13,51,26 , Brian
Sheldon28 , David Shih46 , Chase Shimmin55 , Aleks Smolkovic16 , George Stein13,26 , Cristina Mantilla Suarez9 , Manuel Szewc56 , Savannah Thais27 , Jesse Thaler20 ,Dmitrii Torbunov38 , Nhan Tran9 , Steven Tsan28 , Silviu-Marian Udrescu20 , S. Undleeb4 , Louis Vaslin31 , Francisco Villaescusa-Navarro15,27 , V. Ashley Villar57 , BrettViren38 , Jean-Roch Vlimant48 , A. Whitbeck4 , Daniel Williams19 , Daniel Winklehner20 , Si Xie48 , Tingjun Yang9 , Haiwang Yu38 , and Mikaeel Yunus20

実験の異常検知、制御、安定化• 実験装置のデザイン、最適パラメータ探索• 自動翻訳、資料作成•

1 Swansea University, Swansea SA2 8PP, UK

2 European Centre for Theoretical Studies in Nuclear Physics and Related Areas (ECT*) & Fondazione Bruno Kessler Strada delle Tabarelle 286, 38123 Villazzano (TN),Italy

3 Paul Scherrer Institute, 5232 Villigen PSI, Switzerland
4 Texas Tech University, Lubbock, TX, 79409, USA
5 The George Washington University, Washington, DC 20052, USA

Modern Machine Learning

6 University of Maryland, College Park, MD 20742, USA
7 The Johns Hopkins University, Baltimore, MD 21211, USA
8 Google, Mountain View, CA 94043, USA

9 Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, IL 60510, USA
10 University of Michigan, Ann Arbor, MI 48109, USA
11 SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford, CA 94309, USA
12 University of Wisconsin-Madison, 1150 University Avenue Madison, WI 53706-1390
13 Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA
14 Reed College, Portland, OR 97202, USA
15 Flatiron Institute, 162 5th Avenue, New York, NY, 10010, USA
16 Jožef Stefan Institute, Jamova 39, 1000 Ljubljana, Slovenia
17 Argonne National Laboratory, Argonne, IL 60439, USA
18 The NSF AI Institute for Artificial Intelligence and Fundamental Interactions
19 Nevis Laboratories, Columbia University, 136 S Broadway, Irvington NY, USA
20 Massachusetts Institute of Technology, 77 Massachusetts Ave, Cambridge, MA 02139
21 University of Zurich, Winterthurerstrasse 190, 8057 Zurich, Switzerland
22 Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP)
23 University of Illinois at Urbana-Champaign, Champaign, IL 61820, USA
24 University of Washington, Seattle, WA, 98195, USA
25 University of Minnesota, Minneapolis, MN 55455

Modern Machine Learning will enable us to extract much more physics fromdata than ever before

Data

ModernMachine Learning

26 Berkeley Center for Cosmological Physics, University of California, Berkeley
27 Princeton University, Princeton NJ 08544, USA
28 University of California San Diego, La Jolla, CA 92093, USA
29 University of Heidelberg, Heidelberg, Germany
30 University of Kansas, 1251 Wescoe Hall Dr., Lawrence, KS 66045, USA
31 Université Clermont Auvergne, France
32 Tata Institute of Fundamental Research, Mumbai 400005, India
33 Harvard University, 17 Oxford Street, Cambridge, MA 02138, USA

Apologies inadvance if I can’t cover everything in this talk!!
34

New physics searches
TriggeringfiSnowmass 2021

Instrumentation
Measurement
Theory…

（教師）データが準備できない• 新たなプロジェクトに着手する余裕（人手）がない• ブラックボックス化・誤差の不明確さへの懸念•

Fast simulation

Departamento de Física da Universidade de Aveiro and CIDMA Campus de Santiago, 3810-183 Aveiro, Portugal
35 Co-Design Center for Quantum Advantage (C 2 QA)
36 ICEPP, University of Tokyo, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-0033
37 European Organization for Nuclear Research (CERN), CH-1211, Geneva 23, Switzerland
38 Brookhaven National Laboratory, Upton, NY 11973, USA
39 University of Ljubljana, Jadranska 19, 1000 Ljubljana, Slovenia
40 Columbia University, New York, NY 10027

導入への障壁は？

6

28

トピック8: 計算機
異種計算機の活用

HEPの現状・展望•

現行の計算機利用法をHL-LHCなど次世代実験のデータ量に外挿 → 計算資源不足と予測•

CPU計算性能＆ディスク容量単価は下げ止まり•

機械学習の利用が広がり、さらに逼迫する可能性

従来のHEP計算機システムモデル
各研究機関にx86_64 CPUサーバーとディスクストレージ(on premise)

ARMアーキテクチャ
クラウド利用の検討

HPC（スパコン）

GPUなどコプロセッサ

業界のトレンド•

回路集積度は向上、1コアあたりの速度は横ばい→ メニーコア化、コプロセッサ利用拡大

資源共有化
複数の実験／分野／機関で共通の計算機インフラを利用• 利用効率の改善、運用コストの削減•

実験データの共有や長期保存 → オープンサイエンス

例

Horowitz et al., Rupp et al.

ESCAPE (EU)NII RDC (JP)mdx (JP)29

トピック8: 計算機
異種計算資源ARM

GPU•IntelなどのCPUと異なる命令セットアーキテクチャ•

低コスト、省電力•

High Energy Accelerator Research Organization

Geant4によるCPUの電力性能評価 (2)ecal_e1000
Intel Core i9-13900K

4500

Apple Silicon (M2 Pro)

4000

Apple Silicon (M1)

EPS (#Events/sec)

OLD MADEVENT(CURRENT: LHC PROD)SINGLE-EVENT API

C. Rougier, CTD 2022

2000

n 消費電力固定 (50W) で計算速度を比較➜ M2 Pro は Core i9 よりも5倍も高速

1500
1000

n パフォーマンス固定 (EPS=2.5k) で消費電力を比較➜ M2 Pro は Core i9 の約26%の電力で済む

500

2023/4/26

2. NEW MADEVENT(GOAL: LHC PROD)
MULTI-EVENT API

60

80

RAMBO

消費電力
(W)
計算機ワークショップ 2023 ＠東大

FORTRAN:(Amdahl...)FORTRAN:SCALAR:NEW
BOTTLENECK?

RANMARMADEVENT

MOMENTAMOMENTA

CUDA/C++ or PFs:

CUDA/C++ or PFs:

MEKERNELS

MATRIX ELEMENTS

https://doi.org/10.1007/JHEP07(2014)079
Madgraph5_aMC@NLO on GPUs and vector CPUs: experience with the first alpha release100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

50W

CUDA/C++ or PFs:

MEKERNELS

040

1. STANDALONE(TOY APPLICATIONS)
MULTI-EVENT API
CUDA/C++ or PFs:

MATRIX ELEMENT:CPU BOTTLENECKIN OLD MADEVENT

2500

20

Then we modified the existing
all-Fortran MadEvent
into a multi-event framework
and we injected the new MEs into it• One of the workhorses for event generationin ATLAS and CMS!
cuRANDM2 Pro0First we developed
the new ME engines
in standalone applications

Madgraph5_aMC@NLO (MG5aMC)

Core i9

AMD EPYC 7313P (Milan)

3000

MG5aMC: old and new architecture designs
深層学習以外の応用も広がっている• トラッキング、シミュレーションなど

Xeon

Intel Xeon Gold 6326 (Ice Lake) x 2

3500

単純な計算を多数並列に実行する→ 配列の全要素に同じ演算を施す場合などに有効

KEK

5000

•

PARALLEL:
MUCH FASTER!

MATRIX ELEMENTS

8

S. Hageboeck – CHEP, Norfolk, VA, 08 May 2023

S. Hageboeck, CHEP 2023

S. Okada, 計算機ワークショップ2023
14• MG5aMC production version is in Fortran

クラウド

HPC

使いたいときに使いたい分だけ使える• 運用コストが省ける• 実際のコスト見積もり・計算は複雑
Elastic processing on Google Cloud
•

100k

•

– Outer shell: Madevent (random sampling, integration and event generation + I/O, multi-jet merging...)– Matrix Element (ME) core
• MG5aMC generates ME code for each physics process̅• MEs may take >95% of the CPU time for complex processes (e.g. gg®ttggg)• High potential for acceleration on CPUs / GPUs

多数の計算ノード（サーバー）を繋げて構成
Fundamental Science on EuroHPC→ 小規模の計算を多数こなすこともできる
Madgraph5_aMC@NLO on GPUs and vector CPUs: experience with the first alpha release•

S. Hageboeck – CHEP, Norfolk, VA, 08 May 2023

各国で大規模投資 → 科学研究利用が促されている
LHC実験などでも実際に利用が拡大

Execution of Monte Carlo simulation chains:
Event generation →Simulation →Pile up →Derivation•
O(105) vCPUs
4
O(10 ) Pods
O(103) Nodes
1 managed K8S cluster<1 Engineer

F. Megino, CHEP 2023

A. Filipcic, 計算機ワークショップ2023

6

30

トピック9: 集積回路
テクノロジースケーリング
テクノロジースケーリング

8

ムーアの法則高機能化するに 素子数を増やせ よい→小さなサイズで回路を作る
集積回路 性能向上と製造コスト 低減を同時に達成できていたムーア 法則と呼 れるスケーリング則に っとり微細化を行ってきた。
しかしながら原子サイズに到達し、単純な微細化 終わりを迎えた。

スケーリング則・ムーアの法則

Parameters

Scaling ratio

Channel length

1/kChannel width

1/kGate thickness

1/kVoltage

1/k

Current

1/k

Gate cap

1/kGate delay

1/kGate power

1/k2

Device area

1/k2

Wiring delay

1

1000
Technology Node (nm)1/k
k: scaling factor

1990頃まで
k=4/3years
1990年以降
k=1.4/2years

100

Planer CMOS
The end of
Moore’s law.

10

?
1
1990

高エネ将来委員会 「集積回路技術 トレンド」

•

9

2000

2010
Year

2020

高エネ将来委員会 「集積回路技術

FinFET
GAA, Forksheet, CFET,,,,,

2030

コスト、消費電力 スケーリング
効かなくなっているトレンド」

回路をより小さくすることで性能向上、消費電力削減、製造コスト低減を同時に達成できていた

ムーアの法則＝面積あたりのトランジスタ数（集積度）が2年ごとに約2倍10微細化の今後→ かつてはkに対する法則。しかし線幅が原子サイズに達し、単純な微細化は続かなくなった
どにより微細化を延命しており、2030年以降も集積度の向上は続くと言われている。
10
微細化の今後• 構造の工夫、材料変更などで集積化自体は今後も続く•構造の工夫、材料変更などにより微細化を延命しており、2030年以降も集積度の向上は続くと言われている。

チップレット
•

集積度向上 → 面積あたり発生しうる製造上の問題増→ 歩留まり悪化•

チップを機能で分割し、機能ごとに適切な集積度で製造し、集積化する＝「チップレット」•

出典： MNC2021 発表資料
東京エレクトロン永原氏
出典： MNC2021
発表資料 東京エレクトロン
永原氏
高エネ将来委員会 「集積回路技術のトレンド」
高エネ将来委員会 「集積回路技術のトレンド」

例：AMDのCPU歩留まり monolithic 4% → chipset 21%

31

トピック9: 集積回路
その他回路技術のトレンド
データ転送
データ転送速度のトレンド

17

データ転送（有線・無線）速度も指数スケーリング
17 • プロトコル（エンコーディング＋エラー訂正）の改善• 高度なプロトコルを両端でリアルタイム処理する演算能力の改善のトレンド

有線の伝送距離が長い場合は光通信
光 電気コンバージョンの伝送速度や消費電力が課題→ シリコンフォトニクス（基板上に導波路やマルチプレクサ）
出典： ISSCC2022 Press kit

術のトレンド」

無線でも1Tbit/s級の伝送速度達成に向けた研究が進行Flashメモリのトレンド 出典： ISSCC2022 Press kit 27
高エネ将来委員会 「集積回路技術のトレンド」

Flashメモリ

メモリ密度も指数スケーリング
微細化、メモリ素子の多値化に加え、積層化により密度の向上を続けている•

微細化、積層化、素子多値化

DRAMメモリ帯域も術のトレンド」

出典： ISSCC2022 Press kit
Flash memoryの容量密度のトレンド@ISSCC2001～2022↔︎

高エネ将来委員会 「集積回路技術のトレンド」

出典： ISSCC2022 Press kit

DRAMメモリ帯域

32

ECFA detector R&D roadmap•

European Strategy of Particle Physicsにしたがって、ECFAの下で検出器のR&Dのロードマップが策定されている•

ガス／液体／半導体製検出器、光検出器、量子センサー、カロリメータ

THE 2021 ECFA DETECTORRESEARCH AND DEVELOPMENT ROADMAPThe European Committee for Future Accelerators
Detector R&D Roadmap Process Groupなどカテゴリーにわけて既存＆新興技術をサーベイ•

日本からも「半導体」「量子＆新興技術」「カロリメータ」分野で参加

ECFA 2021

ドキュメントのChapter 5（Quantum &emerging technologies）を委員会で108 CHAPTER 5. QUANTUM AND EMERGING TECHNOLOGIES DETECTORS

委員会でレビューしたトピックとオーバーラップも多い

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スタディした• 原子時計• スピン系センサー• 超伝導センサー• キャビティ• オプトメカニクス• 原子系センサー• 低次元物性Bro•

European Committee
for Future Accelerators

現在はImplementation phase → トピックごとにDetector R&D Collaboration

10
0m

•

ECFA

Section< 20252025-2030

2030-2035

>2035

5.3.1
5.3.2
Spin-based sensors
5.3.3
Superconducting sensors
5.3.3
Optomechanical sensors
5.3.4
Atoms/molecules/ions
5.3.5
Atom interferometry
5.3.5
Metamaterials, 0/1/2D-materials 5.3.6
Quantum materials
5.3.6
Clocks and clock networks
Kinetic detectors

Must happen or main physics goals cannot be met

Important to meet several physics goals

Desirable to enhance physics reachR&D needs being met

33

国内の検出器開発リソース：KEK ITDC
今回取り上げた技術の多くはKEK測定器開発センター（ITDC）でも扱っている
測定器開発センター
コミュニティやKEK内所施設とともに共同研究を推進する測定器開発の国際拠点
イノベーションの芽と人材の育成

大学共同利用部門• テストビームラインなど

•

•

•

KEKならではのインフラ活用による大学共同利用
機能の強化
測定器開発の効率向上→ 開発速度の向上，開発コストの削減

コミュニティ

次世代技術開発部門
次世代プロジェクトを支える基幹技術開発←出口応用は各プロジェクトで実施
๏ 各プロジェクトのサポートも継続
コミュニティと共に開発を推進する測定器開発
プラットフォームを複数定義し，ボトムアップ
研究๏ 数と種類は機動的に更新
๏ 研究者の交流を促進するインターフェース

素核研内連携

測定器開発
プラットフォーム
低温技術
メカニクス技術

KEK内所施設連携

センサー技術光センサ＋シンチ
半導体センサー• センター自身の開発テーマ

๏ 極低温冷凍機，強磁場・低物質量超伝導磁石
๏ モノリシックピクセルセンサー

ガス＆アクティブ媒質

エレクトロニクス技術
センサfrontend

大学との連携

センサ高機能化

低温
サブグループエレクトロニクス
サブグループ

テストビームライン
サブグループ

計測システム構築
コライダー
エレクトロニクス
フォーラム
SPADI alliance

メカニクス
サブグループ

コンピューティング技術

産学連携

K. Hanagaki シン・測定器開発センターキックオフミーティング34

まとめ・今後の展開•

量子技術・新奇素材・機械学習・計算などのトレンドに結びついて様々な革新的技術が生まれている•

それらを素粒子実験に取り入れる動きも確実にある•

ただし、新興技術は概して量産（大型実験）応用されていない→ 小規模実験でノウハウを蓄積すれば将来的に量産化も可能か••

HEPでの独創的な応用・技術発展を若手にアピールすべき

日本のHEPコミュニティがより広く新興技術に慣れ親しむには？
•

この資料でまとめたような内容を気軽に話し合える場を設ける（例：大学・研究機関毎、実験毎、コミュニティー内・外など）•「新技術を組み合わせて新実験（の夢）を考案するハッカソン」の企画などを積極的に開催する

35

付録：技術レビュー担当者一覧（敬称略・所属は2023年11月現在）•

原子系量子センサー：三部勉（KEK）•

量子ドット：南條創（大阪大学）•

超電導量子ビット：新田龍海（東京大学）•

ペロブスカイト半導体：山中隆志（九州大学）•

タイミング測定：末原大幹（東京大学）•

量子計算：飯山悠太郎（東京大学）•

機械学習：中浜優（KEK）•

計算機：齊藤真彦（東京大学）•

集積回路：宮原正也（KEK）