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、10～20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。
研究を進める上では、NTT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「 N T T-B R L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 、コロナウイルスにより集 合型イベントの開催が難しい状況であったため、2021年は残念ながら「ＮＴＴ-ＢＲＬスクール」の開催は断念しました。しかし、「ＩＳＮＴＴ」はオンラ
インにて開催する事ができ、国内外の著名な先生方や学生の方に数多
くご参加いただけました。また当研究所のアドバイザリボードの先生方ともオンラインにて研究報告を行い意見交流いたしました。このようにウィ
ズコロナ期 間においても、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ております。
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。

NTT物性科学基礎研究所

所 長

02

活動報告
Activity Report

Advisory Board
外 部 の 著 名 研 究 者 に 研 究 成 果ならびに研 究 計 画を客 観 的に評 価していただき、今 後の研 究マネジメントに反映させるために「アドバイザリボード」を設置しています。隔年で開催されているこのボードミーティングで頂いた提案や助 言は、研 究マネジメントや実 際のAdvanced Applied Physical Science Laboratory

Photonic Nano-structure Research GroupWe are aiming to establish ultimate large-scale photonic integration technology for massively and ultimately
integrating ultra-small optical devices with various functions by using nanophotonics such as photonic crystal,silicon photonics, plasmonics technologies. We also conduct research aiming at the ultimate reduction of energy
consumption of optical information processing. In future we will introduce sophisticated optical network in theprocessor chip and aim to realize ultra high speed ultra low energy consumption processor.

Ultra-compact and ultra-low power Integrated nano-photonics and circuits
NanophotodetectornShrink of opticalcommunication distance

Bias
p

Au

outputSignal B

Optical transistor

Optical data-com(1m–100m)

Optical logic gate

Signal A

NanomodulatorpnOptical fiber tele-com(> 1 km)Hybrid system with nano-material and nano-photonics
MIM WG+
Converter

Optical layerθ

Optical switch

Inter-chip-com(1mm–1cm)

Graphene
2 µm

Si WG

SiN PhC+
ZnO NW

Nano Laserθ≧60°

Topological
Photonics

Novel photonic phenomena in nanostructures

Many-core CMOS layer
Intra-chip nanophotonic
computing ( < mm)Students

Dr. M. Notomi(Project Manager)

Dr. A. Shinya(Group Leader)

Dr. E. Kuramochi

Dr. H. Taniyama

Dr. H. Sumikura

Dr. K. Nozaki

Dr. M. Takiguchi

Dr. M. Ono

Dr. S. Kita

Dr. K. Takata

Dr. N. Takemura
Dr. T. Yoda
(Research Associate) (Research Associate)

T. Uemura ( Tokyo Tech )W. Dai( Tokyo Tech )K. Kawasaki ( Tokyo Tech )T. Honda( Tokyo Tech )T. Kurihara ( Tokyo Tech )S. Otuka( Tokyo Tech )H. Yamada ( NAIST )NTT Basic Research Laboratories Advisory Board Meeting 2021

研究に反映されています。第11回ボー
ドミーティングはコロナウイルスの 世
界 的な感 染 拡 大 のためオンラインで2021 年2月に開催し、最新の研究成果をご報 告するとともに、パンデミック下での研究所運営について貴重なご意見を頂きました。

ISNTTInternational Symposium on Novel maTerials andquantum Technologies

新しいアイデアの 創 出と研 究 の 推 進を目的に、
国 際シンポジウム「 I S N T T 」を隔 年で開 催しています。2021 年はコロナ情 勢を踏まえオンライン開 催となりましたが、より広い分 野 間での交 流を目指し、対 象 分 野を物 質 科 学、物 性 物 理、量子科学に拡大して開催しました。
P a b l o J a r i l l o - H e r r e r o 教 授 ( M I T )、平 山 祥 郎 教 授 ( 東 北 大 学)、 香 取 秀 俊 教 授( 東 京 大 学 / 理 化 学 研 究 所 ) 、L a u r e n s W .
M o l e n k a m p 教授 ( W ü r z b u r g U n i v e r s i t y )による特 別 基 調 講 演、17 件の招 待 講 演を含めた53 件 の 口 頭 発 表と84 件 のポスター発 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 論しました。前 回までは200 名 前
後 の 参 加 者でしたが、今 回は20ヵ国346 名 の参加登録者がありました。

表紙モチーフについて

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

ナノフォトニクス
フォトニック結 晶 やプラズモンを利 用することで光の 波 長と同 程 度 ～ 深 サブ 波 長 の 大きさの 構 造 中

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 生をで光を制 御 することが 可 能です 。こうしたナノフォ

対 象とした「 N T T - B R Lスクール 」を隔 年で開 催しておりましたが、トニクス 技 術を利 用 することで 、我 々はこれまで

2017 年から同時開催しておりましたI S N T Tが2021 年はオンライ
ン開 催となったこともあり、世 界 各 国から学 生を研 究 所にお招きす
ることは断念せざるを得ませんでした。

に 高 速かつ 超 低エネルギーで動 作する光トランジ
スタや 光 共 振 器 等 の 開 発をしており、将 来 的 には高 密 度 に 集 積 化された高 度な光 情 報 処 理チッ
プ の 実 現を目指しています 。

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 ）…９5 名（１2 名 ）●リサーチアソシエイト・リサーチスペシャリスト… 9 名● 共 同 研 究 協 力 者 … 8 名 ● 海 外 研 修 生 … 1 名＊
● 一 般 実 習 生 … 1 5 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 2021 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＊… 2021年1月～12月累計

04
2021 年12月31日付

アド バイザリボード
Advisor y Board
Chalmers University of Technology, Sweden

Prof. Per Delsing

Max-Planck-Institut für Festkörperforschung,Germany

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

Laboratoire Kastler Brossel,
Sorbone Universite, Ecole Normale
Superieure, CNRS, France

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

CEA Saclay, France

University of Twente, The Netherlands

Prof. Klaus von Klitzing

Imperial College London, U.K.

Prof. Sir Peter Knight

Prof. Sir Anthony J. Leggett

Prof. Allan H. MacDonald

Prof. Elisabeth Giacobino
Forschungszentrum Jülich, Germany

Prof. Andreas Offenhäusser

ナノフォトニクスセンタ

センタ 長

P11

納富雅也

Prof. Christian Glattli

理 論 量 子 物 理 研 究センタ

センタ 長William John Munro

P11

Prof. Dave H.A. Blank

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.

東北大学 教授

友池 仁暢

森田 雅夫

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

富山大学 教授

山本 喜久

玉木 潔

05

Multidisciplinar y Materials Design and Science Laborator y
グループ・研 究テーマ

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 1 年 の 主な研 究 成 果Achievements in 2021

200 nm[11-2]

3

400

2

200

1
0

250 500 750 1000

磁化 (µemu)

4

強磁性

超常磁性

磁化反転を抑制する
高いエネルギー障壁

熱揺らぎによる
磁化反転[-110]

エピタキシャルインターカレーション0

温度 (K)

エネルギー

[111]

超常磁性

600

0

Feナノ粒子

強磁性

800

磁化の向き

（左） 独自のプラズマ CVD 技術によって作製した Fe ナノ粒子が埋め込まれたダイヤモンド薄膜（右） Fe ナノ粒子の強磁性および超常磁性状態による特異な磁気特性の観測と磁気特性の発現機構の模式図

ダイヤモンド薄膜中に埋め込まれた
Feナノ粒子の磁気特性N

B

Cu上のh-BN成長

HH

B N B N H
C C C

Cu

Cu

B N B N H

N

Cu

h-BNエッジの水素終端

h-BN/Cu界面におけるグラフェン成長

エピタキシャルインターカレーションによる六方晶窒化ホウ素/グラフェン積層構造のＣＶＤ成長プロセス。走査型電子顕微鏡像のスケールバーは2μｍ。

エピタキシャルインターカレーションによる六方晶窒化ホウ素/グラフェン縦型ヘテロ構造の高品質化

新しい情報担体であるスピン（磁石の性質）を利用したトランジ

2 次元物質は、厚みが原子1 層分と極限的に薄い場合でも多種多様な機能

スタは、その不揮発性を特長とした超低消費電力素子として期を発現できることから、次世代ナノデバイス材料として期待されていますが、デ待されています。ダイヤモンドは半導体として有望な物質である

バイス応用に向けては、異なる2 次元物質を積層したヘテロ積層構造の高品だけでなく、スピン輸 送 特 性が室 温 以 上でも特に優れていると質化・大面積化が課題です。本研究では、２次元物質の界面を結晶成長の場予測されているため、我々はダイヤモンドのスピントロニクス応用とする新コンセプト「エピタキシャルインターカレーション」を提案し、大面積合成を進めています。本研究では、磁石の性質をもつF eナノ粒子がが可能な化学気相成長法（C V D）と組み合わせることで、積層角が一致する

埋め込まれたダイヤモンド薄 膜の作 製とF eナノ粒 子に特 有の高品質な六方晶窒化ホウ素（h - B N）/グラフェン積層構造を作製しました。こ

磁気特性の観測に成功し、その磁気特性の発現機構を明らかの新手法で作製したグラフェンは高いキャリア移動度を示すため、「エピタキシャにしました。実用的なスピン素子実現への道が拓かれる大きなルインターカレーション」は、2 次元物質デバイスの実用化に資する基盤技術と一歩となる成果です。

して期待されます。

M. Kawano, K. Hirama, and K. Kumakura, International Conference on New Diamond and Nano Carbons
2020/2021.

生体 内 環 境の再 現に向けたオンチップ型ハイドロゲル流 路の創製

S. Wang, J. Crowther, H. Kageshima, H. Hibino, and Y. Taniyasu, ACS Nano 15, 14384 (2021).

ウェアラブルデバイスで動作する
心異常判定技術を開発

生 体 組 織に類 似した構 造・性 質の足 場を生 体 外で再 現する

機能性素材h i t o e ®を活用して深刻な心異常を早期に検出す技術は、高度な細胞機能を発現・評価する上で重要です。我々るため、ウェアラブルデバイス内部で動作する心異常判定アルは、高い生 体 適 合 性・物 質 透 過 性を示すハイドロゲルを用いゴリズムを開 発しました。生 体 電 極の浮きや体 動ノイズに起 因て、血 管などの間 質を模した流 路 構 造をオンチップで作 製するする心 異 常の誤 検 知も抑 制します。リハビリテーション支 援ロ

手法を見出しました。加えて、積層したゲル上で細胞を培養し流ボット利用者の心異常検知手段として、グループ会社に本技術

路 内へ薬 剤を注 入することで、分 子 拡 散を通じた細 胞への局を提供しました。

所 的な化 学 刺 激に成 功しました。本 成 果は、生 体内の環 境を今後、より多くの心疾患の検出や、潜在的な心疾患リスク状態

再現し、精細な細胞動態を探る基盤技術として発展が期待されの可視化など、日常生活を支える新しいサービス実現に向けたます。

研究開発を進めていきます。

R. Takahashi, H. Miyazako, A. Tanaka, and M. Yamaguchi, Lab Chip 21, 1307-1317 (2021).

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

保磁力 (Oe)

Feロッド

ダイヤモンド薄膜

5

1000

プラズマ

07

Advanced Applied Physical Science Laborator y
グループ・研 究テーマ

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 1 年 の 主な研 究 成 果Achievements in 2021

(b)
ゲート
電極 f

単電子

e量子
ドット
絶縁層

結合強

結合弱

シリコン

ゲート電極と量子ドットの容量結合強さ(a) シリコン単電子転送素子の概略図。ゲートに印加する高周波信号(周波数f)で電子を1つずつ転送 (b) 転送誤り率の容量結合強さ依存性

単 電 子 転 送エラー率 最 小 化の指 針を発 見
量子ドットを介した単電子転送は正確な電流を生成できる技術

光のエネルギー損失が極めて小さい
オプトメカニカル素子の実現であり、電流の物差しに対応する量子電流標準応用が期待さ

オプトメカニカル 素 子は発 光デバイスなどの 光 学 素 子に機 械れます。その応用に向け、単電子転送の誤り率が十分低い必

自由度を付 加した機 能 素 子として近 年 注目されています。これ

要があります。今回、理論計算により、シリコン単電子転送素子

までオプトメカニカル素 子には微 細 加 工が 容 易な半 導 体 材 料(図a)での転送メカニズムを詳細に検討し、ゲート電極と量子ドッが用いられてきましたが、私たちは半 導 体よりも優れた光 学 特トの 容 量 結 合が 中 間 的な領 域で転 送 誤り率が 最 小となる精性を有する希 土 類 添 加 結 晶を用いることにより、従 来よりも光度最適点が存在することを発見しました( 図b )。中間領域の構のエネルギー損 失が桁 違いに小さなオプトメカニカル素 子を創造を持つ素子作製を行うことで、超高精度な単電子転送実現

出することに成 功しました。微 小な振 動を利 用した光 増 幅 器なが期待できます。

ど、超 小 型かつ低 損 失な光 素 子の創 出につながる成 果として期待されます。

G. Yamahata, N. Johnson, and A. Fujiwara, Phys. Rev. B 103, 245306 (2021).

-20
-30

-18

Insertion Loss (dB)

Propagation Loss (dB/cm)

-10

-20

-22

0

0.06

0.12

0.18

Waveguide Length (cm)

0.24

-40
-50

Si

SiN
REO
200 nm

SiO2

-60
1400

1430

1460

1490

Er3+ ions absorp�on

1520

Wavelength (nm)

1550

1580

20

SE = Pout(Ppump = 230 mW)/Pout(Ppump = 0)

Peak: ~16 dB/cm

15

2.4

1.8

Probe

1.2

Pump

10

0.6
5
0

Signal Enhancement (dB)α = 4.70±2.05 dB/cm (@ 1445.8 nm)

Signal Enhancement per Unit Length (dB/cm)

0

R. Ohta, L. Herpin, V. M. Bastidas, T. Tawara, H. Yamaguchi, and H. Okamoto, Phys. Rev. Lett. 126,047404 (2021).

0
1510

(a)

1520

1530

1540

Wavelength (nm)

1550

-0.6
1560

(b)

( a ) 希土類酸化薄膜導波路の伝搬損失スペクトル( b ) 希土類酸化薄膜導波路の信号増強スペクトル

低損失希土類酸化薄膜導波路
及び光信号増強の実現

埋め込み量子井戸フォトニック結晶による
励起子非線形効果

シリコン基 板 上にエピタキシャル 成 長される単 結 晶 希 土 類 酸

埋め込み量子井戸は励起子と呼ばれる準粒子を強く閉じ込め化薄膜は、シリコンベースのアクティブフォトニックデバイスおよることができる構造です。我々は、光閉じ込めの強いフォトニック

び 量 子 光デバイスに非 常に有 望な材 料です。B I C ( B o u n d

結 晶ナノ共 振 器にこの埋め込み量 子 井 戸を導 入することで、S t a t e s i n t h e C o n t i n u u m )に基づいて低損失導波路構造

励起子と光の相互作用を強め、非常に大きな非線形屈折率変を提案および実現し、通信帯領域において大きな光信号増強化を誘起することに成功しました。本技術を利用すれば超低パを実証することに成功しました。この結果は、シリコン基板上でワーで動作する光スイッチなどが実現可能であり、将来の高性の高 性 能 集 積 化 光 増 幅 器やレーザーの実 現に向けた重 要な

能な光演算プロセッサへの貢献が期待されます。

ステップであると共に、オンチップ量子メモリ有望なプラットフォー
ムとして期待できます。

X. Xu, T. Inaba, T. Tsuchizawa, A. Ishizawa, H. Sanada, T. Tawara, H. Omi, K. Oguri, and H. Gotoh, Opt.
Express 29, 41132 (2021).

M. Takiguchi, K. Nozaki, H. Sumikura, N. Takemura, T. Fujii, E. Kuramochi, A. Shinya, S. Matsuo, and
M. Notomi, Appl. Phys. Lett., 118, 111101 (2021), Editors' PickA 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

電流:ef

精度最適点

Log(誤り率)(a)09

Quantum Science and Technology Laborator y
グループ・研 究テーマ

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 1 年 の 主な研 究 成 果Achievements in 2021

(b)

(a)
カット値

位相感応増幅器(PSA)
DOPOパルス

光ファイバ(5 km)

⾼速⾏列
演算回路

(c)

計算時間 [秒](動作条件１)(動作条件２)(計算時間1秒)(計算時間0.5秒)

光変調器
頻度

?
カット値

( a ) C I M の概念図

( b ) 計算時間の評価結果( c ) 解精度の評価結果

100,000スピン コヒーレントイジングマシン

マッハ＝ツェンダー干渉計における2つの量子ウォーカーの干渉パターン

2次元プログラマブル62量子ビット超伝導プロセッサーによる量子ウォーク

コヒーレントイジングマシン( C I M )は、縮退光パラメトリック発振

量子ウォークはこれまでに世界的な注目を集めてきており、光の実装からイオントラッ

器( D O P O ) のネットワークを用いて組合せ最適化問題を解く新プといった様々なプラットフォームで実現されています。しかしながら、多粒子の量子

しい計算機です。今回、世界最大規模となる10 万個のD O P O

ウォークをプログラマブルなデバイスに実装することは、技術的にチャレンジングな課

ネットワークからなる超 大 規 模C I Mを実 現しました。10 万 要 素

題として残されていました。本研究では、62個の量子ビットが動作する8×8四方のの全結合グラフの最大カット問題において、焼きなまし法( S A )プログラマブルな超伝導量子ビットアレイを設計・作製しました。この設計では、量子に比べて約1000 倍の速さで同じ精度の解を得ることに成功しウォーカーの役割を担う励起子を複数作り出すことができます。今回、高精度のシグました。また、D O P Oを発振閾値付近で動作させた際には、S A

ナルと２つの粒子による量子ウォークを実現することで、情報の伝播速度を測定すと比較して、高い解精度を維持しつつ様々なスピン状態を幅広ることや、2粒子によるマッハ＝ツェンダー干渉計を実証しました。2次元量子ウォー

く取ることも確認できました。

クの実証は、量子探索やユニバーサル量子計算における量子優位性をもつ将来的なアプリケーションへ向けた超伝導デバイスの可能性を示すものです。

T. Honjo, T. Sonobe, K. Inaba, T. Inagaki, T. Ikuta, Y. Yamada, T. Kazama, K. Enbutsu, T. Umeki, R. Kasahara,
K. Kawarabayashi, and H. Takesue, Sci. Adv. 7, abh0952 (2021).

M. Gong, et al ., Science 372, 948 (2021).

( a ) 試料の電子顕微鏡写真 ( b ) 微小接合部の拡大図 ( c ) 測定系の概念図( d ) 微小接合の伝導度 I / V i n の V S 依存性の測定結果。1を超える伝導度はアンドレーエフ
反射による透過電流の増大を示す( 挿入図) 微小接合で生じる分数電荷準粒子のアンドレーエフ反射の模式図

超伝導量子ビットによる高周波数欠陥の検出

分数電荷準粒子のアンドレーエフ反射

超伝導量子ビットにデコヒーレンスを引き起こす２準位系( T L S )高品質半導体で発現する分数量子ホール（F Q H）系では、分欠陥は未解明な点が多く、様々な研究が行われています。我々

数電荷（例えばe /3）を持つ準粒子が電流を運びます。分数電は、従来法では検出できない、量子ビットと非共鳴な高周波数

荷 準 粒 子がF Q H 系と整 数 量 子ホール 系 の 界 面に入 射する

T L S 欠陥を検出する新しい分光法を見出しました。量子ビットを際、電子が透過し、分数電荷の正孔が反射される現象を観測

強く励起すると、TLS欠陥との間に動的な結合が生じ、量子ビッ

しました。これは常伝導体と超伝導体の界面でクーパー対が透トの緩和が促進されます。この緩和を調べることでT L S 欠陥の過し、正孔が反射されるアンドレーエフ反射と類似の現象で、超特 性が理 解され、量 子ビット作 製 技 術にフィードバックすること

伝 導 体 以 外におけるアンドレーエフ型 反 射の初めての観 測 例により、さらなる超伝導量子ビットのコヒーレンス向上が期待でです。本成果は、分数電荷準粒子を用いた量子情報デバイス

きます。

実現に向けて重要な知見を与えます。

L. V. Abdurakhimov, I. Mahboob, H. Toida, K. Kakuyanagi, Y. Matsuzaki, and S. Saito, APS March Meeting
2021, abstract J28.00002 (2021).

M. Hashisaka, T. Jonckheere, T. Akiho, S. Sasaki, J. Rech, T. Martin, and K. Muraki, Nat. Commun. 12,2794 (2021).

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

位相・振幅測定器

ビームスプリッタ

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。
フロンティア機能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。

研 究テーマ
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●

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●

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●

ナノマテリアルとナノフォトニクスの結合による新しい光のプラットフォーム●

ナノフォトニクスを用いた光電融合演算技術

センタ概 要Over view

物 質 や 光 の 原 子レベルでの 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 解を変えるとともに、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 。2 0 1 7 年 に 設 立された
理 論 量 子 物 理 研 究センタでは、これら最 先 端 研 究 の 遂 行を目指し、N T T 研 究 所 の 垣 根を超えた、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 。

研 究テーマ

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

●

量子物質
●

●

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 や A Iを活用したデータ駆 動 型 医 療 の 創 造を目標 に、関 連 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 。

研 究テーマ●

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）●

AI-テレ聴診器やhitoe® 心電計測を活用した心臓モデリングとリハビリ活動支援●

非侵襲血糖センサや深部体温センサ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創製

12

2 0 2 1 年 の 主な研 究 成 果Achievements in 2021

結合フォトニック結晶レーザを用いた例外点における発光観測
例 外 点とは、利 得や損 失といったエネルギーが 保 存しない過 程の

(b)

(a)

影響により起こる、複数の固有状態の特異な縮退を指します。我々

pドープ

クトル狭窄及び発光増強を実証することができました。本成果は、ナノフォトニクスにおける新たな光制御技術の可能性を拓くものです。

40000

1530.230000

1529.8

し、各レーザの吸収損失に差をつけることで、例外点における自然放出の観測に初めて成功しました。その結果、例外点に特有のスペ

50000

1530.6波長 (nm)は、電流制御が可能なフォトニック結晶レーザ2つの結合系を作製

光子計数

1531.02 μm

1529.4

nドープ

Ch2

例外点
(ピーク合体)1529.0埋込利得媒質Ch1
電極

1528.686420チャネル 1, 電流 (μA)

20000
10000
0

(a) 電流注入結合フォトニック結晶レーザの顕微鏡像（グレースケール）及び構成図（色付き）(b) 素子自然放出スペクトルのカラープロット。チャネル2 (図(a)左)への電流を100 μAに固定した時のチャネル1(同図右)電流依存性を示す。黒点︓実験結果の解析により推定された固有モード波長。

K. Takata, K. Nozaki, E. Kuramochi, S. Matsuo, K. Takeda, T. Fujii, S. Kita, A. Shinya, and M. Notomi,
Optica 8, 184-192 (2021).

シンプルで低遅延なリアルタイム認証可能量子乱数生成器
私たちの日常生活で使われるアプリケーションの多くでは、乱数が多用されています。乱数は重要なリソースなのですが、真正乱数の発生は現
実的にはそう容易なことではありません。一方で、量子力学に従う系への測定を通して、真正乱数を発生できることが知られており、量子乱数生成と呼ばれています。従来の生成法では、乱数が必要になった時点から、実際に乱数列が届けられるまでの間の待ち時間が長いという問題を抱えていました。私たちは、光のタイムビンを用いた状態を測定すること
で、低遅延でかつリアルタイム検証可能な乱数生成を実現しました。量子力学で許される任意の攻撃下においても、0 .12 秒ごとに8192ビットの認証可能な乱数列を生成します。この乱数生成器は、高セキュリティ
で高速かつ連続動作する量子乱数ビーコンの実現に有用です。

Y. Zhang, H.-P. Lo, A. Mink, T. Ikuta, T. Honjo, H. Takesue, and W. J. Munro, Nat. Commun. 12, 1056 (2021).

脳卒中リハビリ入院患者の活動量モニタリング
脳卒中の回復には、通常割り当てる療法士との訓練に加え、自主ト
レなどを通じた活動量の確保が推奨されます。しかし片麻痺症状は様々であり、個人の適切な活動量把握には新たな支援技術が必要です。我々は、機能性素材h i t o e ®を用いたウェアラブルシステムを大学病院に構築し、入院患者をモニタリングする臨床研究を進めています。本システムではアンサンブル平均という手法の応用により、活動の日日変動の影響を抑えつつ、従来法より有意な欠測補間に成功
し、運動強度と呼ばれる活動量指標を精緻に可視化しました。

T. Ogasawara, M. Mukaino, Y. Otaka, H. Matsuura, Y. Aoshima, T. Suzuki, H. Togo, H. Nakashima,
M. Yamaguchi, S. Tsukada, and E. Saitoh, J. Med. Biol. Eng. 41, 322–330 (2021).

タイムビン型量子乱数発生器の模式図

13

N T T フェロー
NTT Fellow「 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

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。

2021 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

Masaya Notomi

Hiroshi Yamaguchi

ナノフォトニクスセンタ長量 子・ナノデ バイス研 究 統 括

研究テーマ

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

薄膜合成法による新奇超伝導及び納富雅也

Koji Muraki

山口浩司

Hideki Yamamoto

村木康二

山本秀樹

多元マテリアル創造科学研究部長

磁性物質の創製と物性解明

Hiroki Takesue

Shiro Saito

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

超伝導量子回路研究グループリーダ

研究テーマ

研究テーマ

研究テーマ

研究テーマ

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

超伝導量子回路を用いた

コヒーレントイジングマシン

量子情報技術の研究

Akira Fujiwara

藤原

聡

齊藤志郎

武居弘樹

William John Munro

極限エレクトロニクス

特別 研究員Distinguished Researcher

Norio Kumada

熊 田 倫 雄Katsuhiko Nishiguchi

西 口 克 彦Haruki Sanada

眞 田 治 樹Imran Mahboob

Kengo Nozaki

Takahiro Inagaki

Koji Azuma

Hajime Okamoto

野 崎 謙 悟東浩 司

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 2 0

2 0 2 1 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6 7 件です 。

Publication List

（ 1 論 文あたりの 平 均 I F = 7 . 1 2 2 ）NATURE COMMUNICATIONS (14.919)

4

PHYSICAL REVIEW LETTERS (9.161)

4

PHYSICAL REVIEW B (4.036)

4
4

APPLIED PHYSICS LETTERS (3.791)
PHYSICAL REVIEW APPLIED (4.985)

3

OPTICS EXPRESS (3.894)

3

PHYSICAL REVIEW A (3.14)

3
3

APPLIED PHYSICS EXPRESS (2.895)
SCIENCE (47.728)

2

NATURE PHYSICS (20.034)

2

OPTICA (11.104)

2

SCIENTIFIC REPORTS (4.38)

2

REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS (1.523)

2

JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS (1.48)

2
2

PHYSICAL REVIEW RESEARCH (N/A)
ACS NANO (15.881)

1

SCIENCE ADVANCES (14.143)

1

PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA (11.205)

1

NANOPHOTONICS (8.449)

1

NPJ QUANTUM INFORMATION (7.385)

1

1

2

Awards

令和3年度科学技術分野の文部科学大臣表彰

若手科学者賞

シリコン量子ドットを用いた高精度単電子制御の研究

山端 元音

4

国際会議発表件数

特許出願件数Presentations

Patents

1 5 6 件（うち招 待 講 演 3 3 件 ）社外表彰受賞者一覧

3

55件

APSIPA Industrial Distinguished Leader
N a n o f i b e r - E l e c t r o c o n d u c t i v e T e x t i l e“h i t o e”f o r E C G M o n i t o r i n g a n d C a r d i a c P a c e m a k e r E l e c t r o d e s

塚田 信吾

電子情報通信学会 第82 回功績賞
納富 雅也

応用物理学会 第11 回女性研究者研究業績・人材育成賞（小舘香椎子賞）研究業績部門（若手）
大面積グラフェンを用いた新機能デバイスに関する研究

American Physical Society

高村 真琴

Outstanding Referee

William John Munro
高田 健太

電子情報通信学会 論文賞
Methods for Reducing Power and Area and BDD-based Optical Light Circuits

松尾 亮祐、塩見 準、石原 亨、小野寺 秀俊、新家 昭彦、納富 雅也

応用物理学会 第12 回超伝導分科会研究奨励賞
E l e c t r o n P a r a m a g n e t i c R e s o n a n c e S p e c t r o s c o p y U s i n g a S i n g l e A r t i f i c i a l A t o m C o m m u n i c a t i o n s P h y s i c s 2 , M a r c h 2019 , 33

応用物理学会 講演奨励賞
M B E 法により作製した新規高温超伝導体( C a C u O ₂ ) n / ( C a ₂ F e ₂ O ₅ ) m 人工超格子

池田 愛

応用物理学会 講演奨励賞
グラフェン自己組立て電極による三次元神経ネットワークの成熟評価

酒井 洸児

応用物理学会 講演奨励賞
強磁性ペロブスカイト酸化物S r R u O ₃ 高品質薄膜中でのワイルフェルミオンを示す量子伝導現象

化学とマイクロ・ナノシステム学会 ビジュアルムービー賞
オンチップゲル薄膜流路を用いた血管様組織の構築

高橋 陸

瀧口 耕介

樋田 啓