情報通信の未来をつくる

研究者たち

Ⅲ

第

章

未来ICT基盤技術
大岩和弘
寳迫 巌
武岡正裕
佐々木雅英
大友 明
王鎮
成瀬 康
今水 寛
平林美樹
岩本政明

Ⅲ

未来ICT基盤技術

量子・超高周波・ナノ・バイオ研究による先端技術確立を目指して
大岩 和弘（おおいわ かずひろ）
未来 ICT 研究所
研究所長

甲子園を目指した高校時代の野球を引きずりつづけ「メ

タボの冷や水」ならぬ草野球に興じる。最近はバットではボールが打てなくなり、面積の広いラケットを頻繁に使うようになった。主戦場も球場からコートに移行中。

「未 来 ICT 基盤技術の研究開発は、
将来の情報通信技術の基礎となる
新概念の創出と新たな道筋を開拓するものです。現 行技 術の延 長ではない 革 新 的 機 能 や原 理 応 用によって ICT の性能と機能の飛躍的向上を目指します。」
はじめに題が今後生じることが予想されています。コミュ
ニケーション技術の観点からの課題は、ユーザにクリックひとつで地球の反対側の情報に一瞬にとって意味のある情報と単なるデータとが区別さしてアクセス、クラウドコンピューティングで大量れずに情報提示が行われていることが挙げられデータをいつでもどこででも容易に操作するなます。技術開発が進んでいるヒューマン－マシン・

ど ICT の技術革新によって私たちの生活は大変

インターフェースにおいても、利用者の状況によっ

便利で豊かになりました。社会活動が情報通信ては一層使いづらい場合もあるかもしれません。

ネットワークへ依存する度合は高まるばかりです。
2010 年に新たに生まれたデジタル情報は 1,200

明日の未来のためにエクサバイトを超え、新規のデータ量は 2 年ごと162に 4 倍に増えているといわれています。このため、

このような情報通信技術の課題の解決を目指

情報通信機器の消費電力の大幅増加やセキュリした研究開発として、NICT では 2020 年頃の実

ティの脆弱性、ネットワーク制御の複雑化等の課現を目指した新世代ネットワーク基盤技術やユニ光ネットワーク技術

Ⅰ−１

ワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２

ネットワークセキュリティ技術

Ⅰ−３

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

Ⅰ−４
図1

未来ICT研究所の研究領域

バーサルコミュニケーション基盤技術の研究開発

超高周波 ICT 研究室に取り組んでいます。この新たな情報通信技術で領域に位置するテラヘルツ帯の電磁波に関するでしょう。2020 年以降に顕在化するであろう課題

研究開発を進めています。様々な分野での応用を見据えて、
未来 ICT 基盤技術として、
ICT の能力、が期待されているテラヘルツ帯デバイスの研究

安全性、利便性を大きく発展させていくことと、新開発に私たちはいち早く取り組み、基盤技術をたな ICT の開発を着実に今から進めていくことが、確立してきました。100Gbps にも及ぶ高速・大私たち未来 ICT 研究所に求められています。

容量通信を可能にするテラヘルツ帯の電磁波をⅢ 未来

る情報量の増大に将来窮する場面が出てくること

ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

超高周波 ICT 研究室では、光と電磁波の境界

Ⅱさえも、飽くことのない人間の知識欲や好奇心によ

使って数十 Gbps 帯域幅の無線通信技術を確立するアクセス系の研究開発を進めています。波長

I
C
T

基盤技術

未来 ICT 研究所の短さを活かすことで、送受信用のアンテナサイ
ズを小さくすることができます。装置の小型化・

波 ICT、量子 ICT、ナノ ICT、バイオ ICT、脳情報軽量化のニーズに対応できるのです。これに加え通信）を結集、これまでに培ってきた競争優位のて、NICT で開発したテラヘルツ帯デバイス作製

研究開発力を活かして情報通信技術のブレーク技術を中心に、超高周波デバイスの開発環境をスルーにつながる技術シーズを創出し、芽吹か整備しています。ここでは、テラヘルツ分光やイ

せ、社会展開可能な苗木まで一貫して育てるこ

メージングなど全てを 1ヶ所で試すことができるとができる研究体制を構築しました。

世界で唯一の開発環境を提供しています。減衰௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

未来 ICT 研究所では、5 つの研究室
（超高周

163

Ⅲ

未来ICT基盤技術

図2

未来ICT基盤技術が創りだす将来技術が早いテラヘルツ帯の電磁波の研究開発には、

東 京 QKD ネットワークが稼 働しています。こあらゆる素子を 1 つのパッケージの中に作り込むの 東 京 OKD を 使って、約 45km 離 れ た 拠 点ことが必要です。ユーザがすぐに利用できる研究間での動画伝送の完全秘匿化に成功しています。

開発施設を整備することによって、企業・大学研

この東京 QKD ネットワークを更に改良すること

究室でのテラヘルツ研究開発を支援し、この技で、実用に耐え得る信頼性の確保と低コスト化、術の実社会への展開を後押しします。

さらに現代暗号技術との相補的組み合わせによって、ニーズとコストに応じたセキュリティシス

量子 ICT 研究室

テムの構築を目指しています。量子ノード技術では、これまでの伝送容量限界を超える量子の復量子 ICT 研究室は量子力学効果を応用して

号原理を検証し、実証してきました。この技術を

情 報 通 信における絶 対安 全 性、あるいは究極チップの上に小型化して安定動作させることを目の大容量化を実現することを目指した量子暗指した研究開発を進めています。

号技術と量子ノード技術の研究開発を推進しています。量子暗号技術は量子力学の原理によっ

ナノ ICT 研究室て、伝 送 途中の 盗聴を完 全に検 知するシステ

164

ムです。都内に敷設されたネットワークの上にナノ ICT 研究室では、既存デバイスでの実現

量子暗号の鍵配送ネットワーク試験システム、が難しい、高速化と低消費電力化を両立する技

構築しています。有機材料には、高効率・高速動共鳴画像法や脳磁場計測装置を駆使してコミュ

作、低コストの利点があります。これまでに、電ニケーション技術の視点から脳機能研究を進め

気光（EO）特性の高い有機材料を開発してきましるユニークな存在です。研究開発が長期にわたるた。この材料の性能をさらに向上させ、ポリマー

脳機能研究は、情報通信技術分野においては国の中に織り込んで配向させる技術を開発するこ立研究機関である NICT が中心となって進めるとで、現有の材料の 2 倍以上の EO 効果を持つべき研究です。一方で、研究分野が多岐にわたる

有機材料を作り上げ、高速光変調器の実現を目

脳機能研究を単一研究機関だけで実施すること指しています。

には限界があります。そこで私たちは総合大学との研究協力関係、脳情報分野で高い開発力を持す。私たちは 20 年の長い時間をかけて、窒化ニ

つ企業との連携を進め、平成 23 年度に脳情報

オブの薄膜形成技術を確立し、高周波特性に優

通信融合研究（CiNet）をスタートさせました。

術のキーデバイスとなっている単一光子検出器

瞬時に行います。このようなひらめきに似た予測（SSPD）
がその代表です。光キャビティ の導入やはどのようなメカニズムで起こっているのでしょ

SSPD のアレイ化によって、検出効率を 50%にまうか。データを点として扱わず、多様な結び付けで向上させ、カウントレートも GHz 帯まで向上を行うことで予測を行っている脳の情報処理のさせます。高性能化した SSPD は、様々なアプリ

仕組みは、その解明自身が情報通信技術への大ケーションで使われることになります。

きな貢献となるでしょう。チャレンジングな研究＊課題ですが、情報科学と脳・神経科学が成熟しバイオ ICT・脳情報通信研究室てきた今こそ、脳科学と情報科学の融合的研究

Ⅰ−４

私たちの脳は、わずかな情報を使って予測を

Ⅰ−３

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

れた超伝導技術を生みだしました。量子暗号技

Ⅰ−２

ネットワークセキュリティ技術

ナノ ICT 研究のもう 1 つの柱は超伝導技術でⅠ−１

ワイヤレスネットワーク技術

計測法に特徴を持つこの研究室は、機能的磁気

光ネットワーク技術

術の確立として、有機材料を用いた ICT 素子をⅡ
ユニバーサルコミュニケーション基盤技術を進める絶好の時期なのです。
トップクラスの国際誌に掲載された研究成果の数々は、バイオ ICT 研究室の存在を輝かせておわりにいます。細胞生物学・生物物理学分野での重要究に磨きをかけるとともに、応用に向けた研究開

ルツ帯の電磁波を使った情報キオスク技術や量発を始めています。ナノテクノロジーと生体分子子情報通信、量子暗号技術、さらには高速低消操作技術を融合した分子センサー、分子信号処

費電力の有機 ICT などを開発していきます。脳理の研究開発を進めています。

を中心としたコミュニケーション技術の大きな

脳情報通信研究室では、将来、ICT 分野で重要な位置を占める脳機能研究について、情報通

I
C
T

基盤技術

前述のとおり、未来 ICT 研究所では、テラヘ

Ⅲ 未来

な成果を発信し続けてきた同研究室は、この研変革を狙う研究開発もあり、まさに明日の未来のための研究開発を進めているのです。

す。情報の受け手や送り手の主体が人間の脳であることを考えれば、情報をより正確に伝えて人間同士のコミュニケーションを快適かつ効率的に行うためには、脳における情報処理を知ることが大事だとわかります。人間の脳活動の非侵襲

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

信技術との融合を目指した研究を推進していま
用語解説＊ 光キャビティ
光を閉じ込める（共振させる）ために、2 枚の鏡を向かい合わせて作る構造。2 つの鏡の間の距離が光の波長の整数分の 1 のときに、光を閉じ込めることができる。検出効率の大幅な改善を可能にする構造です。

௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

165

Ⅲ

未来ICT基盤技術

超高周波の挑戦：超高速無線通信や未踏センシングへ向けて／寳迫 巌

ICT

超高周波ICTの挑戦:
超高速無線通信や未踏センシングへ向けて「超 高速無線や非破壊検査・分析の新しい方法を実現するための手段として、テラヘルツ帯電磁波の利用のための研究開発を行っています。」

寳迫 巌（ほうさこ いわお）
未来 ICT 研究所 副研究所長
超高周波 ICT 研究室 室長

1988 年東京大学教養学部基礎科学科卒。1993 年同大学院博士課程了（理博）。同年日本鋼管（株）入社。LSI 製造技術の研究に従事。1996 年郵政省通信総合研究所（現
NICT）
採用、テラヘルツ帯の検出器、光学薄膜、レーザ、
イメージングシステム、分光システム、超高速無線等の研究に従事。

はじめに
最近、「テラヘルツ波」という言葉を耳にする機会が増えたように思います。この言葉は周波数で言えば 100GHz ～ 10THz の電磁波を指す場合が多く、それはちょうど、電波と光の境界領域にある電磁波という意味でもあります。ちなみに電波法には「『電波』とは、三百万メガヘルツ以下の周波数の電磁波をいう。
（第二条第一号）」とあります。三百万メガヘルツは 3THz を指していますので、法律上の電波と光の区切りもこの周波数領域にあることが分かります。
近年、電子デバイスの微細化に基づく高速化が進み、数百 GHz 辺りまでのローノイズアンプが開発されつつあります。半導体レーザでは、テラヘルツ帯で動作可能な量子カスケードレーザ

166光ネットワーク技術

Ⅰ−１（THz-QCL: Terahertz-Quantum Cascade
Laser）が 2004 年に初めて実現され、その後、動作温度の高温化が進み現在では 200K 程度となっています。また、超短パルスレーザ（中心波
長 : 780nm、パルス幅 < 100fs＊1 ）で電界が印

ワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２

加されたキャリア寿命が短い半導体（低温成長
GaAs など）を励起し、発生したキャリア（電子）
がごく短時間だけ実 空間を運 動することにより、ピコ秒（10 -12s）程度のパルス幅を持つモノ
サイクル電磁波パルスを発生させることができるようになっています。このモノサイクル電磁波

ネットワークセキュリティ技術

Ⅰ−３

パルスには、100GHz 以上数 THz までの範囲の周波数成分が含まれるため、テラヘルツ帯分
光分析の道具としてよく用いられています。この方 法 は THz-TDS（Terahertz Time-Domain
Spectroscopy）と呼ばれています。さらにこの

図1

キオスクダウンロードモデルの概念図



新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

Ⅰ−４電磁波パルスを用いた測距技術が実現されており、光の領域（赤外線～ X 線）では可視化できな

300GHz 帯の搬送波を用い、ネットワーク情報

い複合材料（プラスティック、セラミックス、紙、

端末（Info. Kiosk）から数秒内で Blu-ray Disc布など）を用いた構造体の内部構造の調査などに記録されている動画等の大容量データ相当に用いられ始めています。

（1 層 25GB）を携帯情報端末（PDA: Personal

Ⅱ

超高速無線通信への挑戦

ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

Digital Assistant）にダウンロードできるようなハードウェアの開発（図 1 参照 : キオスクダ
ウンロードモデルの概念図）を目指しています。
ス開発やシステム開発（THz-TDS システムやそ進展しているため、このような超高速無線リンの要素技術、カメラ技術等）を行うだけでなく、クの実現は今後必須のものとなると予想されま

数十 Gbit/s 以上の超高速無線やテラヘルツ帯

す。この他にも様々な超高速無線応用が提案さでのみ実現可能な「未踏センシング」応用を目指れつつあり、近い将来、人々の生活スタイルをした応用開発や様々な応用が実用化される際に大きく変える要因となるとの予想も出てきてい必要となる技術基盤の開発（周波数標準、パワーます。
光ネットワーク（有線）との連携技術としては、

らの開発は NICT 内の多くの研究室、NICT 委

光信号の変調フォーマットを変えることなく無線託研究、総務省の電波利用料財源による研究開

伝送する技術の開発を実施しています。現状で発との連携によって進められているものです。

は無線区間は W バンド（75-110GHz）を用いて「超 高 周 波 搬 送 波による数 十 ギガビット無

いますが、20Gbit/s 以上伝送ができることが実

線 伝 送 技 術 の 研 究 開 発（電 波 利 用 料 R&D、

験的に示されています（p.26-29 参照）。光ネッ

2011-2015、NTT/Fujitsu-Lab/NICT）」で は、トワークの伝送容量が増加することに対応する

௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

標準、計測手順の標準化）も行っています。これ

I
C
T

基盤技術

PDA に装備されるメモリは大容量化が急速にⅢ 未来

超高周波 ICT の研究開発では、自らデバイ

167

Ⅲ
超高周波
の挑戦：超高速無線通信や未踏センシングへ向けて／寳迫 巌

I
CT

未来ICT基盤技術には、より高い周波数のテラヘルツ帯を使うこと

物質（プラスティック、セラミックス、紙、布、煙になると考えています。

など）に対してある程度の透過性があることが挙げられます。また波長は 3mm ～ 30 μ m で

未踏センシングへの挑戦あるため、可視光カメラと同程度のレンズ径（開口）で、数 cm ～ 数 mm 程 度 の 空 間 分 解 能を

テラヘルツ帯の特徴には大容量特性の他に、実現できる点も実 用上 重 要な特 徴です。その分子や分子間結合（水素結合、ファンデルワー

ため、バイオメディカル・薬 学応用、複合材料

ルス結合）に特有な吸収があることや、非極性開発での材料評価、様々な対 象に対する非破壊検査などの応用が提案されています（p.246249 参照）。これらの応用開発を支え実用化を促進するため、実時間イメージングの基盤技術としてテラヘルツ帯カメラ及びイメージング 時の照明用となる高輝度光源として THz-QCL シ
ステム（図 2、3）をそれぞれ開発して来ています。
両者を組み合わせたイメージングシステムを利用して、火災時に発生する煙の中を可視化する技術のデモが 東京理科大学火災科学研究セン
ター実験棟を利用して 2011 年 2 月に行われました。この研究では煙中の有害ガスをテラヘル
ツ波でリモート検出する技術も開発しており、そのデモも同時期に実施しています。これらの技術開発やデモの詳細は YouTube＊2 を参照してください。
THz-TDS の高精度化・ロバスト化・可搬化を目指した超短パルス光源の開発も基盤技術の開発として実施しています。NICT で開発したマッ

図2

液体窒素冷却THz-QCLシステム

ハーツェンダー変調器による平坦光コム発生技術を応用し、100fs 級の超短パルス光源を実現しようとするもので、この光源を用いることによって、THz-TDS が高精度化・ロバスト化・可搬化され様々な応用シーンに適用できると考えられ
ています
（図 4）
。
おわりに
テラヘルツ帯の開拓では、デバイス技術の完成度が高くないため、それ自体が研究対象です。

図3

168

QCLチップ写真

デバイスの研究開発と同時に無線通信や様々な光ネットワーク技術

Ⅰ−１

ワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２

図4

可搬型THz-TDSの予想図

ネットワークセキュリティ技術

Ⅰ−３

センシング応用を開発して行く必要があり、研究遂行上の困難さは高いと言えますが、その分、研究成果が現実の応用に直結しています。今後の発展性は非常に大きく、やり甲斐のある内容だⅠ−４

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術と言えるでしょう。
＊１ フェムト秒（10 -15 秒）＊2	www.youtube.com/user/tokyouniversityTHZ

Ⅱ
ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

Ⅲ 未来
基盤技術

I
C
T

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

169

Ⅲ

未来ICT基盤技術

究極の光通信技術を目指 し て ／ 武 岡 正 裕

究極の光通信技術を目指して－現代光通信の限界を超える量子受信機－

武岡 正裕（たけおか まさひろ）
未来 ICT 研究所
量子 ICT 研究室 主任研究員

大学院修了後、2001 年に入所。以来、量子情報理論、
量子光学などの研究に従事。日本物理学会若手奨励賞、文部科学大臣表彰若手科学者賞受賞。2011 ～2012 年に総 務 省へ 出 向。趣 味はチェロの 演 奏など。音楽で学んだ感覚を研究に活かしたいと思って
います。

170

「光 通信の性能を物理的に許される
極 限まで高めることを目指し、最新の物理学である量子力学の理論を駆使した『量子情報通信』の研究に取り組んでいます。」

光ネットワーク技術

Ⅰ−１

はじめに
光通信の性能は、0, 1 の信号を識別する際のビット誤り率と、その後の誤り訂正によって決まりま

ワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２

す。ビット誤り率は光源や受信機で生ずる雑音を除去することで小さくできますが、それでも原理的に消せない雑音、「量子雑音」が存在します（図 1）。量子 雑音は、物理の基 本原 理である
「量子力学」
性質です。その影響は、通信路の

図1

ネットワークセキュリティ技術に基づき光が持っている基本的な

Ⅰ−３
光通信における量子雑音

なるほど相対的に顕著に現れてきます。従来の論では、これは最適な受信方法です。このときの光通信理論では量子雑音は制御不可能とされ、受信誤り率の限界が「ショット雑音限界」または

現在実用化されている光通信の最新方式でも、「標準量子限界」と呼ばれるもので、特に光信号が「ショット雑音」と呼ばれ除去できないものとさ

微弱な領域では通信性能を大きく制限します。

れています。

この限界を超えるには、量子雑音をミクロレ間では、光通信と量子力学を融合するための先駆

よれば、物質の状態は「波動関数」で表現されま的な理論研究が進められ、量子雑音を適切に制御す。波動関数が何かという説明はさておき、特徴することで、ショット雑音を超えてビット誤り率を極的なのは、その状態を測定するとき、測定の方法

限まで低減できる可能性が指摘されていました。

（どのようなパラメータを測定するか）によって状しかし当時は技術的な問題もあり、こうした研究は態の性質の見え方が大きく異なってくるという点今日に至るまで理論研究のレベルにとどまっていです。また、一度測定を行うとその影響により波ました。NICT では、近年の光検出技術や量子物

動関数の状態は変化してしまいます。このため物理学の急速な発展を利用してその実現に向けた質（波動関数）の全像を一度の測定で見ることは研究にいち早く取り組み、世界で初めて光通信のできず、影絵のように見ている方向（選んだ測定ショット雑音限界を破ることに成功しました。

方法）からの断片的な情報だけしか測れないので

I
C
T

基盤技術

などミクロの世界の物理を記述する量子力学にⅢ 未来への応用が検討され始めたころ、一部の研究者のユニバーサルコミュニケーション基盤技術

ベルで制御して検出する必要があります。原子Ⅱ

一方、1960 年代にレーザーが発明され、光通信

Ⅰ−４

量子雑音をただの雑音とみなす現在の光通信理

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

伝送損失が大きく、また信号密度が高くなればす。図 2 左に、光通信の場合の例を示します。光
信号の波動関数を干渉計で測定すれば波としてⅣ 電磁波センシング基盤技術

光信号の識別と量子雑音の位相の性質が現れ、一方、エネルギーを測れば現在最新の光通信方式である「コヒーレント光

強度（光子の数）の性質が現れます。そして、それ通信」
では、レーザー光の波の大きさ（振幅）やタぞれ状態の性質は異なって見えますが、いずれ

イミング
（位相）
を変えて情報を載せ、受信側ではの場合も量子雑音の影響が強く現れ、信号識別

それらの値を直接測り情報を取り出しています。

にはショット雑音の限界が課されてしまいます。

௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

171

Ⅲ

未来ICT基盤技術

究極の光通信技術を目指 し て ／ 武 岡 正 裕

量子受信機の実現

今後の展望

ではショット雑音限界を超えるためにはどうす

本成果の意義は、まずは基礎科学の進展に寄与ればよいのか？それには量子雑音の影響が最もする点です。一方、今の通信事業者は光子レベルの排除されて見える最適な方向から、波動関数の微弱な信号で通信をしているわけではなく、そんな測定を行えばよいのです。このように量子力学的研究が必要なのか疑問に思われるかもしれません。

に最適化な測定を行う装置が「量子受信機」です

しかし、例えば衛星通信では、通信距離が極端に長（図 2 中及び右）。この最適な測定は、理論的にく中継増幅も出来ないため、受信側に到達する信号

は数式できれいに書き下せますが、強度や位相のは極端に減衰します。実際、最近の人工衛星 - 地上

単純な測定ではないため、物理的にどう実現す間のフィールド試験では、受信器に到達する信号のるかは非常に難しい問題です。NICT では、その光子数は100個以下にまで減衰されています。
今後、ような測定を光の干渉（波の制御）と光子検出（粒

衛星光通信の適用範囲が拡大し、例えば月 - 地球の測定）を組み合わせることで近似的に実現できを結ぶ通信などを行う場合、さらに光子数の少ないる新しい受信法を提案しました（図 3 参照）。さ

信号を受信・識別する必要が生じるでしょう。また地らに独立行政法人産業技術総合研究所の最新の上においても、一部の基幹ネットワークでは通信の光子数識別器（超伝導転移端センサ）を導入した

大容量化に伴い光ファイバーが溶け出す限界近くま

量子受信機を構築し、平均光子 0.2 個という極で光信号が詰め込まれており、
ビットあたりの光電力

めて微弱な信号の送受信において、世界で初めて（光子数）を極限まで下げることは重要な課題になっコヒーレント光通信のショット雑音限界の壁を打ています。今回実現した量子受信機に、さらに量子ち破ることに成功しました。1960 年代の理論的的な誤り訂正の概念を取り入れると、限られたエネな予言から半世紀後に、ようやくその正しさが実

ルギーの信号で物理学的に許される究極の通信容

験的に証明されたことになります。

量を達成できることが理論的に知られています。このような装置「量子復号器」の実現には、より本質的

図2

172

波動関数（光の量子状態）の測定

化・省エネルギー化の要求に 20 年後 30 年後も応実験物理やデバイス技術の大きなブレイクスルー

えていくため、このような革新的な技術の実現に向が必要です。今後ますます増大する通信の大容量けた研究をこれからも続けてまいります
（図 4）
。

Ⅰ−１
光ネットワーク技術に光の波動関数を制御しなければならず、それにはワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２

ネットワークセキュリティ技術

Ⅰ−３

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

Ⅰ−４

Ⅱ
ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

図3

準最適な量子受信機の実現

Ⅲ 未来
基盤技術

I
C
T

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

図4

量子受信技術の将来像௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

173

Ⅲ

未来ICT基盤技術

限りなく速く、そして絶対安全な通信に向けて／佐々木 雅英

限りなく速く、そして絶対安全な通信に向けて佐々木 雅英（ささき まさひで）
未来 ICT 研究所
量子 ICT 研究室 室長

1992 年、大学院博士課程修了後、日本銅管株式会社（現在の JFE ホールディングス）入社。1996 年、郵政省通信総合研究所（現 NICT）入所。それ以来、量子情報通信の研究開発に従事し、2011 年量子 ICT 研究室室長に。6 階にある私たちの研究室では、窓から見える景色の半分以上が空です。遠くまで広がる大きな空を臨みながら、はるか未来を見据えた研究に日々励んでいます。

「量子情報通信は、盗聴不可能な暗号
通信（量子暗号）や、低電力・大容量通信（量子通信）を実現する技術として期待されています。長期に亘り
情報通信社会を支えるための必須の技術となるでしょう。」

174

が終結した頃で、核による抑止力から、情報通信

Ⅰ−１
光ネットワーク技術

量子通信の源流

技術でいかに優位に立つかということが国家の存亡を左右する時代になっていたため、現代暗号まで遡ります。それまで通信は電波を利用して行を解読する量子コンピュータをどの国よりも先にわれていましたが、レーザーに使う光の粒子のエ

持とう、あるいはより安全性の高い量子暗号技

ネルギーは、周波数が電波に比べ 10 万倍あり、術を獲得しようという話になり、学術研究という温度に換算すると光子 1 つで 1 万度くらいに相当より国家戦略として研究開発が行われるようになします。光が粒子であるという量子効果が顕在化りました。
我が国でも、2000 年に科学技術振興事業団

伝送できるだろうというアイデアがあって、そこか（現在の（独）科学技術振興機構）が、量子暗号のら少しずつ量子通信は発展しました。ただ、当時プロジェクトを採択し、当時の郵政省でも量子暗はまだ光ファイバが実用化の段階にはなく、物理号や大容量化に向けた量子通信の研究開発をプ

学の理論的な学問でしかありませんでした。

ロジェクト化して、2001 年に通信総合研究所（現

しかし、1980 年代に入って、量子通信は非常に大きな転換点を迎えます。完全に盗聴を見破

在の NICT）で量子情報通信の本格的な研究開発が始まりました。

る量子暗号が発明されたり、光子だけでなく原計算などあらゆる情報通信に量子効果を利用
生まれるようになりました。量子暗号の発明はを毎回使い捨てで一度きり使って暗号化する）と偶然で、1982 年に IBM の物理学者のチャール

いう 2 つのステップがあり、量子鍵配送では「0」

ズ・ベネットとモントリオール大学の暗号学者ジと「1」のランダムな数列を使った鍵を作り、送受

ル・ブラサールがプエルトリコのプールで偶然

信者以外には絶対傍受されない状況で共有しま

出会って、何気ない会話から量子暗号が生まれす（図 1）。データに鍵を足し算して送信し、受信たと言われています。1984 年の国際会議で彼らしたデータにもう一度鍵を足せば元のデータにユニバーサルコミュニケーション基盤技術

量子暗号は、量子鍵配送とワンタイムパッド（鍵Ⅱするという量子情報技術のアイデアがどんどん

Ⅰ−４

量子暗号の暗号化技術

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

子や分子を操る技術が実現されたことで、量子Ⅰ−３ネットワークセキュリティ技術

するとともに、電波よりももっと大きな情報量を

Ⅰ−２
ワイヤレスネットワーク技術

量子通信の源流は 1960 年のレーザーの発明が発表した最初の量子暗号プロト
コルは、BB84 と名付けられましⅢ 未来

た。しかし、しばらくは大して注目されていませんでした。ところが、1994 年に 米ベル 研 究 所 のピー

基盤技術

I
C
T

ター・ショアが「量子コンピュータが実現すれば、現在の暗号はすべ

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術て破られてしまう」という理論を発表したことで、量子情報技術研究が一気に広がりました。量子暗号
は量子コンピュータでも破れない
究極の暗号として一気に注目されるようになりました。ちょうど冷戦

図1

量子暗号における操作の概要図
量 子鍵を共有していなければ、たとえデータを傍受できたとしても元のデータに戻すことはできない。

௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

175

Ⅲ

未来ICT基盤技術

限りなく速く、そして絶対安全な通信に向けて／佐々木 雅英

戻るという、極めて単純な方式です。量子暗号でた秘匿通信をしたいという用途に特化されます。

は傍受されれば必ず分かり、更に同じ状態での複国家機密や個人の生命にかかわる医療情報の安製が不可能という特性を持っているので、安全な全な通信などが用途として想定されます。欧米で暗号が可能となります。

はすでに製品も市販されています。購入している

現在の暗号化技術でも鍵は使われていますが、単純な足し算ではなく素因数分解を使った複雑のは研究機関がほとんどですが、一部は銀行などにも納入されています。

な仕組みを使っており、めったに解けるものでは

日本 では、2001 年から日本 電 気 株 式 会 社

ありませんが、コンピュータの能力が上がれば解（NEC）と三菱電機株式会社（三菱電機）、日本

けるようになります。1 つの暗号化方式が破られ電信電話株式会社（NTT）が、ま た、2011 年

るまでの平均寿命は、約 13 年と言われています。

からは新たに株 式会社 東 芝（東 芝）も加わって量子暗号は、理論上こうした問題はありません。

NICT からの委託や共同研究で量子暗号技 術の開発を行っています。特に、NICT が 有する量子暗号の利用用途

光テストベッド JGN-X を用いて、都市圏 敷 設
ファイバで量子暗号ネットワークを構築し長期

量子暗号は原理的に盗聴できない究極的暗号運用試験を行っています。図 2 は 2010 年末時

ですが、性能はまだ低く、敷設ファイバ 50km で点でのネットワーク構成を示したものです。図 3

秘密鍵の生成速度が数 100kbps で MPEG4 のは実際の量子暗号装置の一部です。2010 年 10

動画データをワンタイムパッド暗号化できるレベ

月に公開した実験では、6 カ所の拠点を結んでルです。1 対 1 でこの程度の距離で厳格に管理し量子暗号ネットワークを構築し、途中に高度な

図2

176

2010年10月に行われた実験。各ノードに配置された量子暗号装置は、既存の光回線で繋がれている。

かるか」「、傍受されたら別の経路に迂回させらには、約半世紀ほどかかったことになります。量れるか」「、その間データは途切れることはない

子通信が実際の我々の生活に使われ世の中を変か」、といった試験を行いました。2015 年頃にえていくのにも半世紀はかかるでしょう。半世紀

は、実際のネットワーク環境で利用する計画で後の社会はおそらく現在想像もできないような技術のブラッシュアップが進んでいます。ただ新機能を自在に使いこなしているかも知れませ

し、一般のユーザーが量子暗号を利用するようん。その夢を 1 つひとつ見つけ出していこうと思になるためには、伝送距離や伝送速度の課題がい、今日も産学官連携で研究開発に取り組んであるため、まだ 10 年以上はかかるだろうと思

います。

Ⅰ−１

Ⅰ−２
ワイヤレスネットワーク技術

は、最近のことです。現実が理論に追いつくため

光ネットワーク技術

傍受装置を配置し、「実際に傍受されたことが分われます。

ネットワークセキュリティ技術

Ⅰ−３

大容量化に向けた量子通信の必要性
実利用に近づいた量子暗号に比べ、大容量化に向けた量子通信はまだ基礎研究の段階です。
今の光通信は、光パルスの有無で
「0」と
「1」の信

Ⅰ−４


新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術号を表し光をエネルギーの塊としてしか制御していません。しかし、光を波と考えた場合、波と波がぶつかると波が強くなったり弱くなったりと相互に作用し、このような性質まで使うと、今の光通信よりもはるかに多くの情報量を伝えることⅡ
ユニバーサルコミュニケーション基盤技術ができるようになります。さらに、光は波であると同時に粒子でもあり、光子としての性質を制御することで、与えられた送信エネルギーを最も効率よく使い、今よりも遙かに多くの情報を伝送す
る量子通信が可能になります。実現には受信側で光子を制御し、光子 1 個 1 個から最大の情報だ実験室での原理実証の段階であり、今後多く

量子暗号ネットワーク監視装置
一般に普及するためには、小型化する必要がある。

I
C
T

基盤技術

の未踏技術の開発が必要ですが、実現の暁には

図3

Ⅲ 未来

を取り出せる量子受信器の開発が必要です。ま通信のほか計測技術にも革命をもたらすと期待されています。

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

現在、誰もが使っている携帯電話も、元々の理論は 1948 年にクロード・シャノンが発表した、「0」と「1」で画像や音声などの情報を送るための「情報理論」が最初で、当時はどうやって実現すればいいのかは全く分からない状態でありました。シャノンが予言した通信性能に到達したの௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

177

Ⅲ

未来ICT基盤技術

超高速光通信への扉を開く、高機能フォトニックポリマー／大友 明

超高速光通信への扉を開く、
高機能フォトニックポリマー－光変調・光スイッチをさらに高速で低消費電力に－「有機電気光学ポリマーは、情報通信の超高速化と省電力を実現する材料として期待されています。超高速光変調器や光スイッチなどの実現に向けた取り組みを紹介します。」

大友 明（おおとも あきら）
未来 ICT 研究所
ナノ ICT 研究室 室長

夜空に天の川が流れる田舎で育ち、高校までサッカーで鍛えた体力には自信あり。でも今では愛犬との散歩が唯一の運動で衰えるばかり。日本代表の試合は深夜でも熱いエールを送り、近所迷惑と妻に叱られること度々。
大学から自動車に興味を持ち 86 でラリーに興じる。現在の愛車は A4 クワトロ。

はじめに
いつでもどこでも誰とでもコミュニケーションを可能にした情報通信技術（ICT）は、今や私たちの暮らしにとって不可欠な社会基盤の 1 つになっています。情報通信ネットワークの発達の原動力となったのが、光通信技術の高速化と大容量化です。近年の通信量の増加傾向は、今後さらに加速すると予測されており、光通信技術のさらなる高速化と大容量化が求められています。しかし、情報通信システムが消費する電力は、既に無視できない存在となっており、消費電力の削減も同時に行うことが必須となっています。また、膨張し続け制御不能になりつつあるネットワークを根本から見直す動きが、NICT の推進する「新世代ネット
ワーク」
を始めとして世界中で活発化しています。

178

光ネットワーク技術

Ⅰ−１

ワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２

ネットワークセキュリティ技術

Ⅰ−３

Ⅰ−４


電気光学変調器とフォトニックネットワークの高速化

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

図1

おいても低消費電力化は不可欠の課題です。しか（LiNbO3: LN）です。LN は結晶成長技術とデバし、既存技術の効率化による消費電力削減だけでイス加工技術の向上により、今日までフォトニッ

は今後の通信量増大に対応するには限界があり、クネットワークの高速化を支えてきましたが、無大幅な低消費電力化に導く革新的なデバイスが求機誘電体結晶固有の限界からこれ以上の高速化

められています。このような状況を背景に NICT では望めない状況になっています。

は、有機材料の優れた光・電子機能を光制御デバ

EO 効果は、電場をかけると屈折率が変化する

イスに応用し、通信機器の高速化と同時に低消費効果で、液晶モニターからパルスレーザーまでオ

電力化を図ることを目指した研究を行っています。

プトエレクトロニクスの発展を担ってきた物理現

ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

材料は無機誘電体結晶であるニオブ酸リチウム

Ⅱ

そのような新しいシステムを支えるハードウェアに有機材料が光通信をさらなる高速化に導くⅢ 未来象です。光変調器では、電場による屈折率の変化
を光の位相や強度の変化として光信号に変換します。代表的な光変調器の構造は図１に示すマッところから始まり、これには電気光学（Electro-

後に屈折率の差によって相対的に位相を変化さ

Optic: EO）効果を用いた光変調器が使われてせ、再び交えることで干渉により出力光の強度を

います
（図１）
。この光変調の速度が光通信の速変化させます。材料の電気光学効果が大きい程、度を左右することから、変調速度の高速化が進低い電圧で駆動することが可能になります。一口められてきました。今日の商用システムでは、変に EO 効果と言っても、メカニズムは材料の種類

調速度は１チャンネルあたり 40Gbps にまで達によって異なり効果の大きさや応答速度が異なりしています。現在、光変調器に用いられている

ます（図２）。液晶は、分子の回転に起因する効果௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

ハツェンダ ＊1 型光変調器です。入力光を分岐した

基盤技術

光通信ではまず電気信号を光信号に変換する

I
C
T

179

Ⅲ

未来ICT基盤技術

超高速光通信への扉を開く、高機能フォトニックポリマー／大友 明

で非常に大きな屈折率変化を示しますが、応答速見出されていますが、ドナー構造については、30 年

度は遅くミリ秒程度です。LN に代表される無機誘

近く続くEO 分子研究の間、大きな進展は見られ

電体結晶は、イオンの変位に起因する効果で EOていませんでした。NICT では、ある構造をドナー構効果は小さいですが 高速変調が可能です。しか造に加えることで、EO 効果を増強させる方法を見し、GHz を超えるマイクロ波領域では屈折率が大出しました。シンプルな方法ですのでほとんどの分

きいために光パルスとの速度差が生じ、動作速度

子に適用可能であり、特に基になる分子の EO 効果

は 10GHz 程度が限界とされてきました。それでが大きい程、増強効果が大きくなる傾向にあります。

も最新のデバイス技術では、導波路構造の工夫に

有機 EO 分子を用いて光変調器を作製するには、より 40GHz 程度まで高められていますが、LN 変

ポリマー中に EO 色素分子を分散、配向＊3 して導調器の高速化は既に限界に達しています。有機色

波路構造を作製します。ポリマー中の有機 EO 分

素分子は、π電子応答による電子分極に起因す

子濃度と配向度が高い程 EO 効果が高くなります

る効果で、最も高速でかつ比較的大きな EO 効果

ので、分子の配向度を高めることも研究課題の1つが期待できます。近年の通信容量のさらなる拡大として取り組んでいます。今後は、独自に開発した高の要求や、情報処理装置の高速化におけるチップ

性能の EO ポリマーを用いて変調器構造を作製し、内光配線が必須の課題となってきたことに伴い、超高速の光変調技術の研究を進めていきます。

＊2

小型で低電力駆動の超高速光変調器が求められるようになり、有機 EO 材料の研究開発が活性化

有機 EO ポリマーの耐久性は？

してきています。NICT でも屈折率変化が LN の２倍を超える材料の開発に成功しています。

私たちの身近にある有機物は日光に当たるとEO 色素分子の基本構造は、図３に示すように、色が褪せたりすることから、一般的に有機色素

電子供与基
（ドナー）
と電子受容基（アクセプター）をは光に弱いと思われています。有機色素の退色のπ共役でリンクした内部分極構造です。内部分極がメカニズムは主に酸化によるものです。空気中の大きい分子は高い EO 効果を示すことから、EO 色

酸素分子は安定でありそのままでは有機物との素分子の開発では、
ドナー /π共役 / アクセプター

反応性は低く、いわゆる活性酸素種の状態になの部位ごとに優れた特性を持つ構造を見出す努力

ることで強い酸化作用を生じます。光励起で生成が成されてきました。
これまで、π共役とアクセプター

される活性酸素種で主なものは、オゾンと一重構造については、大きな EO 効果をもたらす構造が項酸素＊4 です。一方、酸素分子がオゾンや一重項酸素になるには紫外線や可視光の様に約 1eV よりも高いエネル
ギーの（1.27μ m よりも波長の短い）光が必要です。光通信には波
長 1.3 μ m 帯 か ら 1.55 μ m 帯の赤外光を用いていますので、この光でオゾンや一重項酸素を直接発生することはありません。しかし、光強度が高くなると２光子吸収により一重項酸素を発生する可

図2

180

代表的な電気光学材料の比較能性がでてきます。通常の光変調

光ネットワーク技術

Ⅰ−１

ワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２

図3

有機EOポリマー光変調器

キーデバイスを創る研究開発も行っています。

今後導入が進む多値変調技術ではレーザー光が有機物は軽く、宇宙線の影響も受け難い材料

高出力化していくことから、酸素の影響を除外すですので、衛星や惑星探査機等への搭載にも適しる研究も必要になってきます。

ています。加えて有機物は、炭素、水素、窒素、酸

200℃以上であり、デバイス作製プロセスにおいくりあげることが出来る安価な材料ですので、資ての問題はありません。しかし、EO ポリマーは源確保が容易なレアメタルフリーの機能材料としガラス転移温度以上になると配向が緩和し EOて、広範な応用展開が期待できると考えています。

効果を失活 してしまいます。開発した EO ポリ＊5

長期の信頼性を確保するために、有機 EO ポリ
マーの熱安定性向上にも取り組んでいます。
さらに未来へ向けて

有機 EO 材料の開発を今後も続けていきます。有機ポリマー材料は、フレキシブルで他のデバイス

＊2

π電子

＊3

配向

分子の二重結合は結合軸に沿ったσ結合と直交したπ結合とからなり、π結合上の電子をπ電子と呼びます。二重結合と単結合が交互に連なったπ共役構造を持つ分子では、π電子は非局在化しており分子全体に広がっています。

分子の向きをそろえること。ポリマー中の色素はばらばらな方向を向いているため、色素の集合体であるポリマーの EO 効果は相殺してしまいます。電場をかけ分子を一方向にそろえることにより、ポリマーの EO 効果を発現させることができます。

一重項酸素

クナノ構造と組み合わせることにより、光制御デバ

基底状態の酸素分子は、共有する電子のスピンの向きがそろった
三重項状態にあり、一重項酸素は、基底状態より 0.98eV エネル
ギーが高い励起状態の酸素分子で、電子のスピンの向きが反対になっています。一重項酸素は、光励起により直接発生することはなく、光励起された色素の三重項状態を介して生成されます。

イスのさらなる低消費電力化やミクロンサイズま＊5失活

精度の高いシリコン加工技術を用いたフォトニッ

での超小型化、光バッファなどのオンチップ化に及
ぶまで、未来のフォトニックネットワークを支えるⅣ 電磁波センシング基盤技術＊4と融合しやすいことも特徴の1つです。
NICT では、

I
C
T

基盤技術

な値が得られると見積もられており、NICT では

マッハツェンダ

L.Mach と L.Zehnder によって 1891 年にほぼ同時に考案された干渉方法で、同一の光源から出た光を 2 つに分けて別々の光路を通した後に重ね合わせるシンプルな構成であることから、光導波路での構築が容易です。

Ⅲ 未来

有機材料の EO 効果は、理論的にはさらに大き＊1

ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

ないものの、大規模サーバー等の発熱環境下で

用語解説

Ⅱ

度ですので、通常の使用環境では問題にはなら

Ⅰ−４

素、硫黄などの汎用元素を用いて様々な機能をつ

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

熱安定性については、EO 色素の分解温度はマーのガラス転移温度は現在のところ135℃程

ネットワークセキュリティ技術に用いられる光強度は問題がないレベルですが、

Ⅰ−３

ガラス転移温度以上になるとポリマーが柔らかくなり分子が動きやすくなるため、分子がバラバラな方向を向いてしまうことで、ポリマーの EO 効果が失われます。

௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

181

Ⅲ

未来ICT基盤技術

高感度・高速超伝導ナノ ワ イ ヤ 単 一 光 子 検 出 器 ／ 王 鎮

高感度・高速超伝導
ナノワイヤ単一光子検出器－マルチチャンネルシステム開発と量子情報通信応用－「超 伝導窒化ニオブ（NbN）を用いた
高感度・高速ナノワイヤ単一光子検出システムを開発し、通信波長帯において世界最高性能の達成と量子
情 報 通 信 などの 応 用 へ 展 開しています。」

王 鎮（ワン チン）
未来 ICT 研究所
主管研究員

学生の頃から巨視的量子現象である超伝導に魅せられ、
約 30 年間一筋にやって来ましたが、まだ分からないことが多い。NICT に入所してから始めたテニスはなかな
か上達しないけど、部員の少ない未来 ICT 研究所では貴重な戦力となっています。最近、15 年以上疎遠になっていた二胡を再び手に取り、稽古に励んでいます。

研究の背景
量子暗号や量子情報通信技術の実現には、高感度、高速かつ低雑音で単一光子を検出する技術の開発が 1つの鍵となっています。光子検出器としては、光電子倍増管（PMT）、Si や InGaAs/InP な
どの半導体材料を用いたアバランシェフォトダイ
オード
（APD）
がすでに開発され、通信波長帯（波
長 : 1,550nm）
では InGaAs/InP 半導体 APD が主に使用されています。しかし、半導体 APD は材料及び検出原理により検出効率や動作速度などが制限され、量子情報通信技術を実現するために光子検出技術のブレークスルーが必要とされています。そのため、我々は半導体 APD と全く異なる材料と原理で動作する超伝導ナノワイヤ単一光
子検出器（SNSPD）の研究開発を行ってきました。

182

その性能を左右するキーテクノロジーとしては、

Ⅰ−１
光ネットワーク技術

なぜ超伝導？

高品質・極薄超伝導薄膜の作製、ナノワイヤ微細

極低 温で動 作するため、通 信波 長帯においてネル検出システムの開発が必要不可欠です。我々

PMT や半導体 APD の性能をはるかに凌駕するは、基礎研究で蓄積してきた NICT 独自の高品

ポテンシャルを有しています。また、SSPD の波

質窒化ニオブ（NbN）超伝導薄膜作製技術とナ

長 感 度 領域が極めて広く、素子 1 つで Si-APD

ノ微細加工技術を駆使して、厚さ 5 nm 以下、線と InGaAs/InP-APD の感度領域を全てカバー

幅 80 ～ 100 nm のナノワイヤ単一光子検出素できます。さらに、SNSPD は APD のようなゲー子（図 1）の作製に成功しました。また、光ファイバ

ト同期動作が不要であるため、実用化の際にシにより入射した光子を検出素子に効率良く結合さステムの構築も容易とであるなど非常に大きなせるために、光ファイバと SNSPD 素子の実装技

メリットがあります。表 1 では、各種光子検出器術を開発し、ミクロンオーダーの精度で光ファイの性能を比較しています。SNSPD は、他の光子

バと素子を合わせることを可能にしました（図 2）。

検出に比べて暗計数率が極めて低く、トータル

さらに、実用化を目指して、無冷媒かつ家庭用性能を表す指標である性能指数が現時点でも100V 電源で駆動可能な小型可搬式ギフォート・

既に 100 倍高く、研究開発の進展によりさらに

マクマホン（GM）冷凍機を用いたマルチチャンネ

性能向上が期待されています。

ル SNSPD システムを開発しました
（図 3）
。開発
したマルチチャンネルシステムには、光ファイバをマルチチャンネル SNSPD システム開発実装した SNSPD パッケージ 6 個を実装しており、同時に 6 チャンネルの光子検出が可能となって状態から常伝導状態に移行する際に生じた急激測定した 6 チャンネル検出器のシステム検出効

な抵抗変化を利用して光子検出を行っています。

率と暗計数率です。全てのチャンネルは暗計数率

表1

Ⅰ−４

ユニバーサルコミュニケーション基盤技術います。図 4 は 1,550nm 通信波長帯において

Ⅰ−３

Ⅱ

SNSPD では、超伝導ナノワイヤにおける超伝導

Ⅰ−２

られます。また、実用化のために、マルチチャン

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術がもたらした高速な電子・フォノン相互作用とネットワークセキュリティ技術

加工、入射光子と素子の高効率結合などが挙げ

ワイヤレスネットワーク技術

SNSPD は、巨視的な量子現象である超伝導

通信波長帯光子検出器の性能比較

Ⅲ 未来
基盤技術

I
C
T

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

183

Ⅲ
高感度・高速超伝導ナノ ワ イ ヤ 単 一 光 子 検 出 器 ／ 王 鎮

184

未来ICT基盤技術

100c/s（カウント / 秒）において 20%を超える

子暗号鍵配送に成功しました。また、2010 年に高い検出効率を示しています。表 2 に、システム

は東京 QKD ネットワークに 2 台の SNSPD シス

仕様・性能をまとめています。現時点では、量子テムを導入し、都市圏敷設光ファイバ網で世界初検出効率が 20%、動作速度が 100MHz、暗計の量子暗号通信によるテレビ会議の実現に貢献

数率が 100c/s など世界最高性能を達成してい

しました。

ます。
今後の展望
量子情報通信応用
SNSPD による単一光子検出技術は、将来の
我々は、開発したマルチチャンネル SNSPD シ

量子情報通信技術を支えるコア技術として、実ステムを用いて、2007 年にけいはんな地区に用化に向けた研究開発が始まったばかりです。

おいて量子暗号鍵配送（QKD）のフィールド実験

現在、この技術は半導体 APD を超える性能をを行い、実際の敷設光ファイバで世界最長距離示しており、素子の改良とシステムの最適化を図（97km）かつ最高速（10 kbits/s/photon）で量ることにより、更なる性能アップが期待できます。

図1

窒化ニオブSNSPD素子とナノワイヤ受光部の電子顕微鏡写真

図2

光ファイバを実装したSNSPDパッケージ

図3 マルチチャンネルSNSPDシステム

光ネットワーク技術

Ⅰ−１

今後、この技術は、光子検出器として、量子情報通信分野だけではなく、量子光学、宇宙物理学、
生体質量分析、新薬開発、低エネルギー粒子検出など様々な分野への応用が可能と考えられることから、その実現に向けて我々はチャレンジをワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２

続けていきます。

ネットワークセキュリティ技術

Ⅰ−３

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

Ⅰ−４

図4 1,550nm波長帯におけるマルチチャンネルSNSPDシステムの検出効率と暗計数率

Ⅱ

マルチチャンネルSNSPDシステム仕様・性能

ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

表2

Ⅲ 未来
基盤技術

I
C
T

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

185

Ⅲ

未来ICT基盤技術

脳との融合：脳情報通信技術の確立に向けて／成瀬 康

ICT

脳とICTの融合:
脳情報通信技術の確立に向けて－真に伝えたい情報を伝える未来のICT技術－「私 たちは、脳から情 報を取り出しそれを通信することにより、より自由なコミュニケーションを実現するというあたかも SF のような世界の実現を目指した研究を行っています。
」

成瀬 康（なるせ やすし）

未来 ICT 研究所
脳情報通信研究室 主任研究員

子供のころからパソコン好きの理系でありながら、歴史や経済にも興味があり、研究の道に進むか金融の道に進むかを悩んだほど。研究者になった今も、読書といえばビジネス書や歴史書が多い。歴史や経済を学ぶ過程で人の心理への興味が生じて脳研究を開始し、今に至る。趣味は職場の人と行うフットサルと飲み会。ビール腹撃退の為にスポーツジムにも通ってます。

はじめに
脳情報通信技術というのは、脳から情報を取り出し、それを通信することにより、言語等にとらわれることなく、より自由な、よりスムーズなコミュニケーションを実現することを目指す未来の情報通信技術です（図１）。例えば、アニメや映画のガンダム、攻殻機動隊やマトリックスなどで描かれているような世界の実現を目指す技術といえます。しかし、脳情報通信技術に関する研究は始まったばかりですので、このような世界の実現はまだまだ先の話ではありますが、目指すイ
メージはつかんでいただけるのではないかと思います。私たちは、脳情報通信技術の確立を目指して様々な角度から脳についての研究を行っ
ています。

186

というものです。脳の 今 の 状 態を検 出で きる

Ⅰ−１
光ネットワーク技術

脳情報を高精度に抽出する新しい手法という技術を発展させることでたとえば、与えられた情 報を受け手が正しく分かったかどう

じめに確 立するべき技 術は、精 度 良く、容 易

かをその人の脳活動の状 態を調べることで定に 脳 情 報を取り出すことが で きる 技 術です。

量 化 することが で きると考えられます。現 在

そこで、私 たちは、比 較 的 簡 単に測ることがは、より簡 単に脳 波 が測 れる脳 波システムのできる脳波、特にアルファ波に注目し、脳波に開発も併せて行っており、精度良く、容易に脳適した信号 処 理手法を開 発しました。脳波の情 報を取り出すことが で きる技 術を日々、向信号は複 雑であることから、これまでの 手法上させています。
が何を思ったか、どう感じたか、どう考えて研究及び 数理モデル的研究の成果から得られい る の か、と い っ た そ の 人 の 脳 の 状 態 に 関た知見をもとに脳波に適した確率モデルを構す る 情 報 を 取 り 出 す た め に は、脳 内 の 情 報

築し、ベイズの定 理を利 用して脳 情 報を抽 出処 理・ 情 報 通 信 メ カ ニ ズ ム を 解 明 す る 必 要するとい 統 計 的 手 法を構 築しました。この 手があります。脳科学的、工学的、医学的といっ

法 の 概 要 は図 2 に 示すように、まず、脳 波にた 多 角 的 な ア プ ロ ー チ を 利 用 し て、取 り 出

含まれる雑 音成 分を軽 減しつつアルファ波をし た 脳 情 報 か ら、脳 の 状 態 に 関 す る 情 報 を抽出し、それを振幅、位相に分解します。脳の取 り 出 し、脳 情 報 通 信 技 術 の 実 現 を 目 指 し状態が 変化した場合、振幅や位相の状態が 変ています。

わるため、その状 態 変 化を検出することで脳の状 態 変 化が 起こったタイミング を見つける

Ⅰ−３

Ⅰ−４


ませんでした。私 たちは脳 波における実 験 的

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

一方、この取り出した脳情報から、その人

ネットワークセキュリティ技術

では精度の良い脳情報を抽出することが でき

Ⅰ−２
ワイヤレスネットワーク技術

脳 情 報 通 信 技 術の 実現のために、まず、はⅡ
ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

Ⅲ 未来
基盤技術

I
C
T

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

図1

脳情報通信技術の一例

௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

187

Ⅲ

未来ICT基盤技術

脳との融合：脳情報通信技術の確立に向けて／成瀬 康

ICT

脳情報通信融合研究のスタート

ます（図 3）。前述した研究内容は、この枠組
脳情報通信技術を確立するためには、前述

みにおいては計測基盤技術に含まれるもののように、非常に様々な分野と融合する必要

で あ り、今 後、こ れ を 利 用 す る こ と に よ り、があります。現在、NICT では、脳情報通信技

HHS、BFI Network、BMI 研 究 を 加 速 し、脳術の確立を目指すために、これまでの脳科学

情報通信技術の確立を目指したいと考えていに情報工学等の様々な分野を融合させた、脳ます。

情報通信融合研究をスタートさせました。こまた、脳情報通信技術ができてしまうと心がの脳情報通信融合研究には、①こころとここ読まれてしまいそうで怖いと考えられる方も多ろのコミュニケーションを脳機能から科学す

くいらっしゃるかと思います。私たちは、何をる Heart to Heart Science（HHS）、②脳に伝えて何を伝えるべきではないかという倫理・学ぶ情報ネットワーク技術を創成する Brain-

安全面も研究と同時に検討しております。そのFunction installed Information Network

ような倫理面への取り組みの 1 つが、NICT の（BFI Network）、③こころを機械につたえる研究者が委員として参加していた総務省におけ技 術 を 確 立 す る Brain-Machine Interface

る「脳と ICT に関する懇談会」の最終取りまと（BMI）、④これらを支えるための脳計測技術

めにまとめられております。

0-50-1000-800 -600 -400 -200

angle (rad)図2

0

200 400 600 800 1000

振幅

40
20

0
-1000-800 -600 -400 -2000

200 400 600 800 1000

0200 400 600 800 1000

位相

2p

0
-1000-800 -600 -400 -200

変わってる

状態変化の確率 脳の状態変化を検出！ タイミングがprobability

振幅と位相の状態変化を統計的に検出。

脳波50

amplitude (µV)

amplitude (µV)

脳の状態がいつ変わってる？

188を確立する計測基盤技術、の 4 つの柱があり

わかった！

1

0.5
0
-1000-800 -600 -400 -2000

200 400 600 800 1000

私たちが構築した統計的手法を用いた高精度脳情報抽出法の概要

Time (ms)

脳波をアルファ波の振幅と位相に分解。

光ネットワーク技術

Ⅰ−１

ワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２

ネットワークセキュリティ技術

Ⅰ−３

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

Ⅰ−４

図3 脳情報通信融合研究の概要

今後の展望

Ⅱ
ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

脳情報通信技術に関する研究は始まったばかりであり、実現にはまだ 時間がかかります。
しかし、中 長 期 的な視 点のもと、脳 情 報 通 信
融合研究という新しい枠 組みを利用して脳情報 通 信 技 術の 確 立を目指します。私 たちはこⅢ 未来の 技 術を、まず は、高齢 者や 体 の不自由な方のよりよいコミュニケーション手段として提供し、将来的には、すべての方の生活に役立つものに

基盤技術

I
C
T

していきたいと考えています。

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

189

Ⅲ

未来ICT基盤技術

思い通りに操作できるブレイン マ-シン・インターフェィスに大きく前進／今水 寛

思い通りに操作できるブレイン-マシン・インターフェィスに大きく前進－脳活動から早い運動をなめらかに再現－「脳 の外に置いた磁場センサーで脳活動を計測、手の動きに関する重要な情報を効率的に選び出して、早い運動
をそのまま滑らかに再現することに成功しました。」

190

今水 寛（いまみず ひろし）
未来 ICT 研究所
脳情報通信研究室 副室長

専門は実験心理学。不可思議なヒトの行動に、合理的な理由を見いだすとき、心の底から面白いと思います。趣味という程ではありませんが、料理を楽しんでいます。毎年クリスマスにはローストチキンを焼きます。段取りと思い切りが重要なのは料理も実験も同じです。鍋の蓋を開けるときと、解析結果を見るときの高揚感も似ています。料理は９割成功する
が、実験は９割失敗します・・・でにありましたが、頭の外に設置したセンサー

Ⅰ−１
光ネットワーク技術

背景で計測した信号をそのまま使っていたため、脳人 間 の 脳 活 動 から運 動 を再 構 成 する 技 術のどの部分から発生した信号であるかを正確には、ブレイン - マシン・インターフェィス（BMI）

特定できず、手の運動に関連する脳活動を効率の基礎技術として注目されています。特に、脳的に抽出することは難しい状況でした。

号を 利 用して再 構 成 することは、BMI が、広Ⅰ−２
ワイヤレスネットワーク技術を傷つけずに計測（非侵襲計測）した脳活動信
実験と解析

く一 般に使われるための重 要な 鍵とされていに素 早く動 かしているときの 脳 活 動 から、指は、手 の 速い運 動（運 動 時間 約 0.4 秒）を、非

先 がど こに あ るか を、0.02 秒 の 時 間 間 隔 で侵襲で計 測した 脳活動から滑らかに（0.02 秒予測
（再 構 成）し ま し た。私 た ち は、速 い 運おきに）再 構成することに成 功しました。本研

動 に 関 連 する 脳 活 動 を 計 測 するた め に、高究は、ユーザーをトレーニングすることなしに、い時間解像 度で計 測可能な脳磁 計（MEG:

普段、運動を行っているときの自然な脳活動か

Magnetoencephalography）を利用しました

ら、手の運 動に関係する脳情 報を効率的に抽（図 1）。MEG は、神経細胞が活動することで生出し、自然で滑らかな運 動を高い精度で再 構じる微細な磁場の変化を検出する装置です。し成できることを世界で初めて示しました。このかし、MEG は、頭の外に置いたセンサーで磁場

成 果は、BMI が 医 療 応用だけでなく、情 報 通を計測するため、受信した信号が脳のどの場所

信のための自然で使いやすいインターフェィス

から発生したものであるか、正確に知ることはとして、広く一 般に使われる道を切りひらくとできません。また、センサーの信号は、さまざま

Ⅰ−３

Ⅰ−４


所
（ATR）脳情報解析研究所の佐藤雅昭所長ら

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

本研究では、人間が 指先をさまざまな方向

ネットワークセキュリティ技術ます。私たちと㈱ 国際電気通信基 礎技 術研究Ⅱ
ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

考えられます。
脳活動から運 動を再 構成する
技 術は、脳に電 極を挿 すなどの侵 襲 的な方法で、主に米国の 研究者が成功をおさめましたが、手術やウィルス感染の危険性などかⅢ 未来

ら、近年では、非侵襲で計測した脳活動を利用する研究が盛んになってきています。従来の非侵襲

基盤技術

I
C
T

的な手法では、脳波でコンピュー
タカーソルを操 作 する研 究がよ

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術く知られていますが、これはコンピュータに読み取りやすい脳波パ
ターンを生じさせるように、ユー
ザーを長 期間訓練する必要がありました。訓練を必要とせずに速い運 動を再 構成した例はこれま

図1

M EG装置の外観と、これを使った実験風景。矢印は人差し指の先端を示す௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

191

Ⅲ

未来ICT基盤技術

思い通りに操作できるブレイン マ-シン・インターフェィスに大きく前進／今水 寛

な脳の部位から発生した信号が入り混じってい

研究の意義

る
（図 2A）ので、手の運動に関連する脳活動を効率的に選び出すことは難しいのです。そこで、これまでの非侵襲 BMI は、脳活動のパターン

まず、センサー信号を脳表面上の電流信号（皮から運動の種類を識別したり、数カ所の標的の中質電流）に変換する関数（逆フィルター）を推定

から、どの標的に手を伸ばすかを当てることなどしました（図 2B）。逆フィルターの計算には、佐が主流で、人間の速い動きをそのまま再構成しよ

藤所長らが開発した「階層変分ベイズ法」を用いうとする試みは少ない状況でした。速い動きを滑ました。この方法は、脳の血流の変化を、優れらかに再構成することで、ユーザーが「自分自身がた空間解像度で計測できる機能的磁気共鳴画像

操作している」という主体感・操作感を増すことが（fMRI）のデータも補助的に用い、数ミリメートできます。遠隔地からロボットアームを制御する場ルの精度で、センサー信号から信号源である皮合など、そのような感覚は不可欠です。

質電流を計算できます（図 3 オレンジの矢印）。
この方法で変換した皮質電流を利用すれば、手今後の展望の運動に関連する信号を選択的に抽出して、高い精度で運動を再構成することが 期待できま

本研究では、脳活動をオフラインで解析・再す。実際、佐藤所長らが開発した「スパース推定

構成しましたが、今後はリアルタイムで運動を再法」を用いて、皮質電流の中から重要度の高い

構成することに取り組んで行きたいと思います。

ものを選び出し、選び出された皮質電流の重み

同様の手法は、イメージしたときや動かす前の付き総和（図 3 緑の矢印の線形予測モデル）で脳活動から再構成することにも利用できる可能

手先の位置を予測したところ、センサー信号を性があり、意図しただけで自在に操作できるイン

そのまま使う場合よりも、高い精度で予測する

ターフェィスの開発に繋がると期待されます。現ことができました。

代の情報端末は次第に操作が複雑になり、操作方法をマスターできないひとはますます情報か

図2 MEGのセンサー信号にはいろいろな部位の脳活動信号が混在（Ａ）。センサー信号から脳活動を推定する逆フィルター（Ｂ）

192

光ネットワーク技術

Ⅰ−１

ワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２

ネットワークセキュリティ技術

Ⅰ−３
図3

手先の運動を脳活動から再構成する手法の概要

ら遠ざかってしまうという情報格差が問題になっています。意図しただけで自在に操作できるインⅠ−４

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

ターフェィスは、そのような問題の解決に役立つと考えられます。

Ⅱ
ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

Ⅲ 未来
基盤技術

I
C
T

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

193

Ⅲ

未来ICT基盤技術

ＤＮＡナノ構造体でつくる分子ロボットを利用したアンビエントセンサーネットワーク／平林 美樹

ＤＮＡナノ構造体でつくる
分子ロボットを利用したアンビエントセンサーネットワーク「複 雑 な 生 命 維 持 活 動を実 現 する
ソフトウェア、ハードウェア一体型のインテリジェントな情報素子である
DNA を利用した未来 ICT 技術の開発を行っています。」

平林 美樹（ひらばやし みき）
未来 ICT 研究所
バイオ ICT 研究室 主任研究員

私たちの脳は、DNA が造りだした究極のコンピュータです。その潜在的な能力を最大限に発揮するには、右脳と左脳をバランスよく活性化させることが重要であると考え、右脳への刺激を求めて、最近日本画を始めました。
目覚めた脳と旺盛な好奇心を学際領域の研究に活かして、夢はノーベル賞のグランドスラムです。

研究の背景
私たちは、
「細胞や生体分子システムの優れた機能を利用した情報通信の新概念につながる萌芽的な要素技術の開発研究」の一環として、プログラムに基づいて自律的に環境をコントロールすることができる生体材料で造られたセンサーロ
ボットに関する研究を行っています。
ここでいうロボットとは、人間に代わって与えられた作業をこなす装置または、生物のような形や機能を持つ人工物を指します。私たちが目指すのは、ナノ/ ミクロ世界の分子通信物質や環境シグナルをセンシングし、それらの情報に基づいて、微小世界の状態を自律的に管理することができるインテリジェントな DNA ナノマシンです。例えば、微小世界の住人である微生物は、

194

光ネットワーク技術

Ⅰ−１

放射性物質のような環境汚染源の除去や、農作物の品質や生産性の向上を可能にする様々な能力をもっていることが知られています。
ナノロボットが作るセンサーネット

ワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２

ワークを利用して、微小世界をコントロールすることで、そこに生きる微生物の多彩な能力を活かして、エネルギー、農 業、漁 業、医療などの分野で現代社会が抱える問題を解決し、次世代の安心・

ネットワークセキュリティ技術

Ⅰ−３

安全で快適な生活の実現に貢献することが可能になります（図 1）。

図1

DNAセンサーネットワークとミクロワールド

センシングターゲットⅠ−４

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

ここで紹介する DNA センサー
ロボットのセンシングターゲット
は、生 細 胞が生 産した核酸 分 子（DNA/RNA）です。核酸分子は、細胞内だけでなく、血液などの体図2

遺伝情報伝達の流れⅡ

湖沼などの環境中にも広く存在しています。細胞

細胞内の状態を報告したり、環境中にプールされ外の核酸分子は、細胞の崩壊によって放出されている特定の配列を回収してまわったり、細胞内るだけでなく、細菌の増殖時期の一定期間や、他

で核酸分子の変動を監視して、細胞の状態をコ生物との相互作用あるいは、細菌同士の分子通

ントロールするように設計することが可能です。

ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

液中や、私たちをとりまく海洋や信によって分泌されることが知られています。こDNA を利用した遺伝子スイッチ

Ⅲ 未来

うして生じた核酸分子は、環境中に蓄えられると共に、細菌により再び細胞内に取り込まれて、子の修復等に用いられます。細胞外に存在するログラム」からなるソフトウェアと「プログラムを核酸分子のうち、血液などの体液中に含まれる

実行して複雑な生命維持活動を実現する」
ハード

RNA は、細胞内の様子を反映して存在量が変ウェアの両者の機能を併せ持つインテリジェント

動することから、生体内の生物学的変化を把握な情報素子です。生命の設計図となる遺伝情報するための指標（マーカー）
として診断に用いられは「複製」により DNA から DNA へ、「転写」によています。

「翻 訳」により RNA からり DNA から RNA へ、

DNA センサーロボットは、このように生命活

タンパク質へと伝えられます（図 2）。生命活動は、動の状態を反映する核酸分子をセンシングして

この
「転写」
と
「翻訳」
のタイミングを制御すること௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻI
C
T

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

DNA は、「タンパク質をコードする塩基配列プ

基盤技術

貧栄養条件下での栄養源、変異を起こした遺伝

195

Ⅲ

未来ICT基盤技術

ＤＮＡナノ構造体でつくる分子ロボットを利用したアンビエントセンサーネットワーク／平林 美樹

で実現されています。これまで、このような制御

二段目の配列には、転写酵素が近づくことがではタンパク質が行っていると考えられていました

きないため、ここにプロモータ配列を配置するこが、近年タンパク質をコードしていない核酸配列とにより、G4 スイッチ同様、転写機能をオフにすが積極的に関わっていることが明らかになってきることができます。TX 構造のオン / オフの切替ました。たとえば、DNA を構成する 4 つの核酸

えは環境中の情報分子（ここでは細胞が生産す

塩基アデニン（A）、グアニン
（G）
、シトシン
（C）
、

る核酸分子）のセンシングにより行います。

チミン（T）のうち G に富んだ配列は、図 3 左に示すような立体的な四重鎖が連なるグアニン四重鎖（G4 ）とよばれる構造をとって、転写酵素の認識配列であるプロモータ配列に転写酵素が近RNA ア
TX スイッチは、プロモータの下流に、づけない状態を作ることで、「転写」のタイミング

プタマーをコードした配列を組み込むことによ制御を行っていると考えられています（G4 スイッり、アプタマーが持つ様々な機能を実装することチ）。G4 構造のオン / オフの切替えは特定のイオができます。アプタマーとは、ターゲット分子とンを利用するなどして行われます。

特異的に結合して、様々な機能を発揮する核酸

一方、DNA センサーロボットが搭載している等から成る機能性分子です。例えば、ターゲットのは、人工的に設計されたトリプルクロスオー

分子の持つ蛍光を増幅したり、毒性を弱めるなバー（TX）タイルを利用した人工遺伝子スイッチ

どの機能を実現することができます。また天然（TX スイッチ）です。TX タイルは三段構造をもっG4 スイッチと違って、人 工 TX スイッチは、TX

た DNA モチーフです。図 3 右に TX スイッチを構造のオン / オフの切替えに、システムの目的にDNA 上に構成した例を示します。TX タイルが合ったセンシングターゲットを使用できるように

ネットワークを形成しているときは、三段構造の設計することが可能です。

図3

196

機能設計

人工遺伝子スイッチ光ネットワーク技術

Ⅰ−１

図 4 に TX スイッチを搭載したシステムの例を示します。ここでは、TX モチーフは、4 本の短い一本 鎖 DNA が 自己 組 織化により相補鎖を交換して三段構造を作っワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２ています。次に末端に相補配列を持つモチーフ同士が結合して、ナノ構造体ネットワークを形成しま
RNA/DNA シ
す。この集合体は、グナルをセンシングターゲットとして、これを認識すると構造変化

ネットワークセキュリティ技術

Ⅰ−３を起こし、モチーフに組み込まれたプロモータ領域に RNA ポリメ
ラーゼとよばれる転写酵 素が作用できる状態になります。その結果プロモータ下流に組み込まれたⅠ−４

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

RNA アプタマー配列の転写が開始されます。これが 転写スイッチ
オンの状態で、オフになるまで繰
り返し転写が実行されます。このアプタマー配列に MG（マラカイ

Ⅱ
ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

トグリーン）アプタマーとよばれる配列を採用すると、センシング結果を MG の蛍光増加の有無により可視化することができます。その他の目的に応じた新しい機能を

図4

センサーロボットのイメージもったアプタマーは、人工進化とよばれる方法に今後の展望とができます。また人工材料と違って、複製、修アンビエントセンサーネットワーク社会は環境中に埋め込まれたアンビエントインテリジェンス（環境知能）が、自身でセンシングした情報を利易で、複雑な生命活動を実現することができる

用して、私たちの暮らしを豊かにする様々なサー優れた能力を持ったインテリジェントマテリアル

ビスを提供してくれる社会です。生体材料の特性です。これらの特性を十分に活かすことにより、を生かした人工 DNA ナノ構造体を、ミッション

情 報 通信の新概 念につながる新しいナノセンを遂行する能力と判断力を持つインテリジェン

サーネットワークの構築が可能になると考えら

トロボットへと機能強化することで、本格的なれます。

アンビエントネットワーク社会が訪れると期待Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

DNA はこのように、機能や構造の設計が容

I
C
T

基盤技術

復、再生といった機能も実装可能です。

Ⅲ 未来

より、ランダム配列のプールから取り出してくるこ

されます。

௶ၡฆఒɈ

჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

197

Ⅲ

未来ICT基盤技術

２種類の遺伝情報を使い分けて生きるテトラヒメナ／岩本 政明

２種類の遺伝情報を使い分けて生きるテトラヒメナ－単細胞生物の高度な生存戦略－「巧 妙な生存戦略を駆使して力強く生きる単細胞の微生物。彼らが持つユニークな生物システムは、様々な技術応用の可能性を秘めています。
ここでは、その一例を紹介します。
」

岩本 政明（いわもと まさあき）
未来 ICT 研究所
バイオ ICT 研究室 主任研究員

大学院博士過程修了後、米ハワイ大学博士研究員を経て、2004 年、特別研究員（JST）として NICT に入所。現在は主任研究員。博士（理学）。子供の頃から自然と生き物が好きで、それが高じていつの間にか生物の研究者になっていました。研究以外の趣味は、釣り、川遊び（ガサガサ）、
自然観察（野鳥など）、水族館巡り、他。

生 物システムに学ぶには、まず生物を知る
ことから
今日、情報通信分野に限らず、さまざまな領域で、生物の特性を応用した技術開発が行われています。生物が持つ自律性、頑強性、環境適応性、情報処理能力、自己修復および自己複製能
力など、そのいずれもが新技術を開発する際のお手本となり得ます。生物は、進化の過程でこれらの特性を獲得し、生存競争を通じて、それらに修正を加え、より良いものを作り上げてきました。
その中には、人間が到底考えつかないような奇抜なシステムが無数に存在しています。そこから人間にとって有用なものを効率的に抽出するた
めには、まず対象となる生物をよく理解することが必要です。

198

れた環境適応性と頑強性を持つ、細胞進化にお（Tetrahymena thermophila ）という単細胞生

けるひとつの頂点を極めた存在であるということ物です（図 1）。
「単細胞」とは、俗に単純なものができます。

Ⅰ−１
光ネットワーク技術

私が研究対象としているのは、テトラヒメナ

を形容する言葉として使われますが、それは誤り
独 特な方法で遺伝情報を使用・継承する

雑な細胞の構造と機能を持っています。ヒトのテトラヒメナⅠ−２
ワイヤレスネットワーク技術

で、実際のところ、多くの単細胞生物はとても複場合、60 兆個もの細胞の共同作業で行っている生物がもつ遺伝情報は、DNA として細胞核の行っているのですから彼らが複雑なのは当然と中にしまい込まれています。DNA 鎖の本数は生いえます。また、動物の細胞が体内という安定な物種によって異なりますが、細胞核内のひと揃い環境にあるのと違い、単細胞生物は激変する環の DNA 鎖のセットをゲノムと呼びます。細胞を境下で生活しています。そのような過酷な環境でコンピューターと見なした場合、細胞核はハード生存競争を勝ち抜いてきた彼らは、とりわけ優ディスク＊1、ゲノムは情報ということになります。

Ⅰ−３
ネットワークセキュリティ技術

個体としての生命活動を、たった 1 個の細胞でハードディスク内の情報は使えば使うほど、損傷、すなわち DNA に傷が入ります。細胞はこれを修復する機能を持っていますが、間違って修復されす。これが細胞老化であり、また時には制御が効かなくなって、ガン化してしまうこともあります。
遺伝情報を傷つけないためには、遺伝情報を使

細胞コンピューターは正常に作動しなくなりまⅠ−４
新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術たり、修復できなかった箇所が蓄積してくると、Ⅱ
ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

わないことが得策ですが、生命活動を行う以上そのようなことはできません。
ところが、テトラヒメナはそれを実現している
図1

繊毛虫テトラヒメナ（Tetrahymena thermophila ）大 核と小核という2種類の細胞核をもつ。DNAを特殊な色素で染めて可視化した。

のです。彼らはゲノム（情報）を重複させ、それらを 2 種類の細胞核（ハードディスク）に分けて保

Ⅲ 未来
基盤技術

I
C
T

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

図2

編集と増幅によって形成される大核のゲノムDNAもとは1つの小核から新たな大核と小核が作られる。各DNAの末端にはテロメア＊2（黄）が存在する。

௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

199

Ⅲ

未来ICT基盤技術

２種類の遺伝情報を使い分けて生きるテトラヒメナ／岩本 政明

持するという方法を獲得しました（図 1）。一方をるわけですが、ハードディスク内のゲノム情報に

生命活動に使用し、他方は通常は使用せずバッ

アクセスするためのオペレーションシステムはどクアップとして保存しています。使用されるゲノム

うなっているのでしょうか。我々は、テトラヒメナ

は、大核に包含されており、遺伝情報を効率よくの特殊な遺伝情報制御を可能にしている分子基大量に取り出すために DNA 配列は編集され、盤はそこにあると考え、この仕組みを明らかにすかつ数十～数百倍に増幅された状態になっているための研究を行っています。細胞核は、核膜にます（図 2）。この大核ゲノムは、日常的に使用さより細胞質と仕切られ、区画化された構造になっれますが、一世代で使い捨てられます。片や小核

ています
（図 3）
。核膜には核膜孔と呼ばれる穴がのゲノムは、高度に圧縮された状態で、通常の生

あいていて、細胞質から核内へのアクセスと、核活では使用されません。しかし、いざという時（具内から細胞質への遺伝情報の取り出しは、この体的には、栄養が無くなってしまった時）にそれ

核膜孔を通して行われます。したがって、核内へは使われます。栄養が枯渇すると、彼らは異性細のアクセス経路である核膜孔が同じ構造をしてして子孫を作りますが、子孫細胞のいては、2 種類のハードディスクを見分けて、個新しい細胞核を形成するために小核ゲノムが使別に制御することはできません。我々は、核膜孔われるのです。

を形づくっているタンパク質成分を同定し、それ

胞と交配

＊3

らの機能解析を行うことで、2 種類の遺伝情報
2
 種類のゲノム情報にアクセスするシステムにを間違えずに制御する仕組みを明らかにするこ

明確な違いが存在とを試みました。
核膜孔は、核膜孔複合体という構造体が形づ

テトラヒメナは、1 台のコンピューター
（細胞）

くる穴です
（図 3）。核膜孔複合体は約 30 種類に 2 種類のハードディスク（細胞核）を搭載していの異なるタンパク質が組み合わさって構築されています。大核と小核の核膜孔複合体の成分を比較したところ、穴の内側に露出するタンパク質成分の 1 つであるヌクレオポリン 98（Nup98）が、大 核と小 核では全く違ったものであることが分かりまし た（図 3）。Nup98 は、細 胞質と細 胞核の間で行われる双 方向の物質輸送に必須の機能性タンパク質です。テトラヒメナの場
合、大核の核膜孔に存在する大核型 Nup98 は、小核へ運ばれるべき物質が 誤って大 核内へ侵 入す
ることを阻止し、同様に、小核の図3 テトラヒメナの核膜孔複合体とNup98
大核、

小核とも二重構造の核膜（グレー部分）
によって細胞質と仕切られている。
右側のモデル図はともに上側が細胞質、下側が核内。大核のNup98をオレンジ、
小核のNup98を青色で表わす。

200

Nup98 は、大核物質が小核へ侵入することを阻止していることが分かりました（図 4）。このようにし光ネットワーク技術

Ⅰ−１て、それぞれのゲノムの制御に関わる因子は、正しい細胞核へと正確に運び分けられていることが明らかになりました。テトラヒメナ
は、核内へのアクセス経路に構造

ワイヤレスネットワーク技術

Ⅰ−２

的な違いをつくり、それを利用して、2 種 類のハードディスク内の遺伝情報を巧みに制御していたの
です。
おわりに

ネットワークセキュリティ技術

Ⅰ−３

テトラヒメナやゾウリムシなどの 繊 毛 虫 類 は、2 ～ 3 億 年 前 の図4

Nup98による誤方向への核内輸送に対する阻害効果琥 珀化石から現存種とほとんどく、彼らの起源は、そこからさらに数億年をさ大きなブレークスルーをもたらすものとして、

かのぼることになるでしょう。そんな太古に、彼2010 年度の日本原生動物学会賞を受 賞しまらがすでに遺伝情報の大量利用とバックアップ

した。

構築を両立させたシステムを完成させていたことに驚かされます。そのことは同時に、そのシ

Ⅰ−４

明らかにしたこの 研究は、原 生 動 物 学 研究に

新世代ネットワーク基盤構成技術／
テストベッド技術

変わらない形のものが見出されています。恐らⅡ
ユニバーサルコミュニケーション基盤技術

ステムが、彼らを進化の勝者へと導いた堅牢性と柔軟性を持ち合わせた秀逸なものであったことを推測させます。この遺伝情報の使い分けシ
ステムは、生物学的に非常に興味深い現象であるだけでなく、その仕組みを理解することによって、細胞工学的な応用が期待できます。例えば、
イクロマシンが作製されるようになれば、それらを持たせ、使用するディスクと情報を自在に切り替えることができる多機能マシンを設計したり、アップから自動的に新しいハードディスクを再構築するシステムを持たせたりすることも可能になるかもしれません。
これま で 謎 とさ れていた 繊 毛 虫 が 2 種 類の細胞核に物質を正しく運び分ける仕組みを＊1

細胞核ハードディスク

I
C
T

細胞核ハードディスク内の遺伝情報は基本的に読み出し専用で、生物が自身の DNA 配列に新たな情報を書き込むことはできない。

＊2

テロメア

DNA を保護するために末端に存在する特殊な配列領域。大核では DNA が 断片化されているため、テロメアも大量に存在する。テロメア配列はテトラヒメナで初めて発見され、その研究は 2009 年にノーベル医学生理学賞を受賞した。

＊3

Ⅳ 電磁波センシング基盤技術

さらには、使用ディスクが破損した時に、バック

用語解説

基盤技術

に異なった情報を含んだ複数のハードディスク

Ⅲ 未来

人工細胞や、DNA コンピューターを搭載したマ

交配

単細胞生物の交配は「接合」と呼ばれ、接着した 2 つの異性細胞間で、遺伝情報（細胞核）の交換が行われる。接合後は 2 つの細胞由来の遺伝情報が混ざり合った新たな遺伝型の細胞となり、新しい世代がスタートする。

௶ၡฆఒɈ჎ᅰɬȾȩɥॸ࢞ଞȹȻ

201