Institute for Nano Quantum Information Electronics The University of Tokyo 東京大学ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構
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Institute for Nano Quantum Information Electronics The University of Tokyo 東京大学ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構 研究機構について about NanoQuine ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構は、ナノ科学技術や情報科学に立脚したイノベー ションの創出および人材育成を目的に、東京大学が平成18年10月に設立した総長室直轄の学 内横断組織です。東京大学が擁するナノ技術、量子科学、I Tの「知」を結集し、海外を含めた 学外研究組織とも強い連携を図りつつ、ナノ量子情報科学技術分野における世界拠点形成に 向けて、その充実化を図っています。 本機構は、平成18年度科学技術振興調整費（現・地域産学官連携科学技術振興事業費補助 事業）先端融合領域イノベーション創出拠点プログラムの一つとして採択された「ナノ量子情 報エレクトロニクス連携研究拠点」プロジェクトを推進する中核的研究組織とも位置づけてい ます。その連携研究拠点プロジェクトも平成20年度における3年目絞り込み再審査や７年目の 中間評価を順調に通過し、現在、産学連携によるイノベーション創出、人材育成というさら なるミッション達成を目標に活動を一層強化推進しています。 拠点にはシャープ、NEC、日立製作所、富士通研究所、QDレーザの5協働企業が各「東大 企業ラボ」を設置し、特定研究テーマを幹にしながら、広く東京大学内にシーズを探索する 「Ｔ型連携」のもと、産学協働研究を推進しています。現在では複数企業間の連携研究への発 展など、連携スタイルも含めて、世界に誇る成果を着々と生み出しています。またベンチャ ーであるQDレーザはビジネスモデルも含め、多様な分野への量子ドットレーザの市場展開を 図り、イノベーション創出の実績を上げてきました。 拠点形成を通じ、本機構では、量子ドットをはじめとするナノ技術、量子科学、ITの先端 プロジェクト総括責任者 東京大学総長 五神 真 Project Leader President of the University of Tokyo Professor, Dr. Makoto GONOKAMI 領域の融合による次世代デバイスの開発を推進するとともに、より高度な量子暗号通信や量 子計算機の動作実証に向けた量子情報技術の確立を図ってきました。また、量子ドット太陽 電池など、エネルギーデバイスの基盤研究も推進しています。これらの技術革新により、将 来の安全・安心・グリーンな情報社会に向けた、さらなるイノベーションの創出を目指しま す。同時に部局横断組織として、システム改革に努めています。イノベーション創出の加速 を図るため、知財改革や雇用システム改革、国際拠点にふさわしい研究交流、理学、工学の 枠を超えた、協働企業も含めた横断的教育プログラムの実践を通じた将来の俯瞰的人材育成 など、多くの改革事業を積極的に推進しています。 皆様の一層のご支援・ご鞭撻を期待しておりますので、どうぞ宜しくお願い申し上げます。 The University of Tokyo established the Institute for Nano Quantum Information Electronics（NanoQuine）in October 2006 as a cross-departmental organization under the direct control of the university president. The objectives of NanoQuine are to realize technical innovation for future advanced electronics based on nanotechnology, nanoscience, and information technologies, as well as mentoring young researchers who will take a leadership role in the future. NanoQuine facilitates industrial and research collaboration with several leading domestic companies, domestic universities, and overseas universities in order to become an international“state-of-the-art”center of excellence in the field of nanoscale quantum information electronics. NanoQuine is the core organization for executing a large scale national project, titled the “Center of Excellence for Nano Quantum Information Electronics”, which is supported by the“Creation of Innovation Centers for Advanced Interdisciplinary Research Areas（CICAIRA）” program. 3 years after the project’ s inception, as a result of an evaluation of our research progress, our project was selected as one of the continuing major research programs in Japan. Since then we have also passed a 7th year interim appraisal, and NanoQuine is continuing to pursue further technological advances and the nurturing of human resources through industrial and academic collaborations. Five leading Japanese electronics companies ─ Sharp, Hitachi, NEC, Fujitsu and QD Laser Inc.─ are fully involved in the project, promoting the creation of innovation through intensive collaboration. In order to establish strong university-company links, NanoQuine has opened on-campus joint laboratories with each of these companies, and has recently led the development of collaborative research projects between these labs. This in turn has led to an intensive research output. QD Laser Inc., for example, has revolutionized optical communications based on quantum dot technology, and has achieved the creation of innovation through the market expansion of QD lasers. We are developing nanotechnology, such as quantum dots, for making next generation devices based on the convergence of quantum science and the cutting edge of information technology. Through this we are planning to establish quantum information technologies for the realization of highly-developed quantum cryptography and computation systems. Furthermore, we are carrying out research into quantum dot solar cells and energy devices. We hope that the innovation brought about by these technologies will inspire even further innovation towards the development of a safe/secure and green information society. In addition to pioneering innovations in technology, NanoQuine has a flexible management and organization structure, enabling the smooth operation of collaborative research, promoting international exchange as a worldwide institute with foreign researchers, and further facilitates the creation of intellectual property. NanoQuine’ s education and outreach include the establishment of interdisciplinary and interdepartmental training programs for graduate students and young researchers to educate a skilled and diverse workforce. We wish your strong support and encouragement for the success of our projects. 研究機構長 生産技術研究所教授 荒川 泰彦 Director of NanoQuine IIS Professor, Dr. Yasuhiko ARAKAWA 拠点諮問委員長 横浜薬科大学学長 （一財）茨城県科学技術振興財団理事長 江崎 玲於奈 Chair of International Advisory Committee Yokohama College of Pharmacy, The Science and Technology Promotion Foundation of Ibaraki President, Dr. Leo ESAKI 研究機構の構成 Organization ■ 実施体制 東京大学 The University of Tokyo 経営委員会 Board of Director ナノ量子情報エレクトロニクス連携研究拠点 拠点諮問委員会 COE for Nano Quantum Information Electronics International Advisory Committee 総括責任者：総長 五神 真 委員長：江崎 玲於奈 協働企業 ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構 NanoQuine 東京大学関連部局 Affiliated Institutions in Univ. of Tokyo 運営・企画組織 Steering Organizations 生産技術研究所 運営委員会 企画委員会 Steering committee Sharp, NEC, Hitachi, Fujitsu, and QDL Steering Sub Committee 協力機関 先端科学技術 研究センター Organizations and Industries 理学系研究科 物性研究所 情報通信研究機構 NT T 物性科学基礎研究所 など 研究推進組織 Research Divisions 工学系研究科 情報理工学系研究科 Collaborative Companies シャープ株式会社／日本電気株式会社 株式会社日立製作所／株式会社富士通研究所 株式会社QDレーザ 機構長：荒川 泰彦 NICT, NTT etc. 機 構 長 次世代ナノエレクトロニクス研究部門 ナノ量子情報エレクトロニクス研究部門 Director 量子情報科学技術基盤研究部門 IIS, RCAST, 教 育 ・ 人 材 育 成 委 員 会 Advanced Nanolectronics Nano Quantum Information Electronics Quantum Science and Technology School of Engineering, School of Information Science and Technology, 東大シャープラボ／東大NECラボ／東大日立ラボ／東大富士通ラボ／東大QDLラボ School of Science, UT-Sharp Lab／UT-NEC Lab／UT-Hitachi Lab／UT-Fujitsu Lab／UT-QDL Lab 企業ラボ UT-Industry Labs 国内連携 Domestic Collaborations 京都大学／東京工業大学／神戸大学 慶應義塾大学／上智大学 Kyoto Univ., TITEC, Kobe Univ., Keio Univ., Sophia Univ. 国際連携 Committee for Education and Talent Training Oversea Collaborations スタンフォード大学（米）／ミュンヘン工科大学（独） デルフト工科大学（蘭）／ケンブリッジ大学（英） サレント大学（伊） Stanford Univ., TU Munich, Delft Univ. of Technol., Univ. of Cambridge, Univ. of Salento and ISSP ■ 企業ラボ UT-Industry Labs ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構 NanoQuine 東大企業ラボ UT-Industry Labs 東大シャープラボ UT-Sharp Lab 東大シャープラボの例。 左から入り口、プレート、実験風景 東大NECラボ UT-NEC Lab 東大日立ラボ UT-Hitachi Lab 東大富士通ラボ UT-Fujitsu Lab 東大QDLラボ UT-QDL Lab シャープ株式会社 日本電気株式会社 株式会社日立製作所 株式会社富士通研究所 株式会社QDレーザ Sharp NEC Hitachi Fujitsu QDL 研究部門および産学連携による研究開発成果 Research Divisions and Research Developments through Industrial Collaboration 本機構は実施体制図にあるように、3つの研究部門を持ち、ナノ量子情報エ レクトロニクスの融合による産学連携研究を進めています。より高度な量子ド ットレーザや単一光子光源の技術開発を図り、次世代 IoTに必要な超ブロードバ ンド、超高セキュリティ、超高エネルギー効率のグリーンＩＴネットワークづ くり、および高性能エネルギー変換技術の開発にも取り組んでいます。また、 フレキシブルエレクトロニクスやポストＣＭＯＳ技術開発、量子ドット高効率 光検出器の技術開発も推進しています。さらに量子暗号通信、量子中継などに よる超高セキュリティな量子情報通信ネットワークの実用化技術の確立により、 フォトニック・量子融合ネットワーク技術基盤の確立を図ります。これらと合 わせて、飛躍的な計算量の増大が期待できる量子計算機の基盤技術の確立を目 指します。右に産学連携による代表的な3つの研究開発成果を紹介します。 As shown in the schematic, NanoQuine has 3 main divisions, and is making headway in industrial research into the convergence of nanoscale quantum information electronics. We are exploring and developing advanced technologies, such as quantum dot lasers and single-photon sources, and working towards establishing green information networks with ultra-broadband, ultra-high security, and ultra-high energy efficiencies and efficient energy-conversion for the future internet of things. Other focuses of our research include the development of flexible electronics, post CMOS technology, and high efficiency light detectors. Moreover, in order to establish the technologies required for the realization of an ultra-secure quantum information network offered by quantum cryptography and quantum repeaters, we are planning to establish a quantum/photonic convergence technology platform. In tandem with this, we aim to produce the basic foundations for the development of a quantum information processor that will usher in a paradigm shift in rapid calculation. To the right we introduce 3 representative research developments. 量子ドットレーザの温度安定性、高温動作を達成 Development of High Performance Quantum Dot Lasers 量子ドットレーザ概念図と量子ドットのAFM像 量子ドットレーザの温度特性 機構は（株） QDレーザ、 （株） 富士通研究所とコンカレントな連携研究体制のも とに、量子ドットレーザのさらなる高性能化に向けて開発を進めています。通 信用途では−40℃∼125℃において安定動作を実現し、地下資源探査用途向け には220℃高温下の動作も実証しました。シリコンフォトニクス光源としても耐 高温性を実証しています。量子ドットレーザは低消費電力かつ安定動作に優れ、 低コスト化も図れることから、新世代光源として期待されています。 Together with QD Laser and Fujitsu, we are working towards increasing the performance of quantum dot lasers. Recent developments include the realization of stable operation between -40℃ and 125℃ for communications use, and also operation at 220℃for use in the probing of underground resources. We have shown that as a light source on silicon, such devices can withstand high temperatures. Quantum dot lasers are excellent for low power consumption and operational stability, and with reducing costs they are expected to play an important role as next generation light sources. ■ 拠点諮問委員会 Members of International Advisory Committee 榊 裕之 Dr. Hiroyuki SAKAKI, President 豊田工業大学学長 Toyota Technological Institute 江崎 玲於奈 Dr. Leo ESAKI, President 長野 裕子 Ms. Yuko NAGANO, Counselor 横浜薬科大学学長、 （一財）茨城県科学技術振興財団理事長 文部科学省研究振興局参事官（ナノテクノロジー・物質・材料担当） Yokohama College of Pharmacy, The Science and Technology Promotion Foundation of Ibaraki Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology 神谷 武志 Dr. Takeshi KAMIYA, Prof. Emeritus 村瀬 淳 Dr. Jun MURASE, Director General 東京大学名誉教授 日本電信電話（株） 先端技術総合研究所所長 The University of Tokyo NTT Science and Core Technology Laboratory Group 岸 輝雄 Dr. Teruo KISHI, Prof. Emeritus, Adviser ゲルハルト・アブストライタ Dr. Gerhard ABSTREITER, Prof. Emeritus 国立研究開発法人 物質・材料研究機構顧問 ミュンヘン工科大学教授 National Institute for Materials Science Tech. University of Munich 坂内 正夫 Prof. Masao SAKAUCHI, Chair of Board of Directors フェデリコ・カパソ Dr. Federico CAPASSO, Professor 国立研究開発法人 情報通信研究機構理事長 ハーバード大学教授 National Institute of Information and Communications Technology Harvard University ■ イノベーションロードマップ An innovation road map 量子・ナノ科学をEngineeringに 次世代ナノエレクトロニクス イノベーション創出に対する成熟度 高効率・低消費電力 青色量子 ドットレーザー 光電子融合 1.55μm 量子ドットレーザー 超ブロードバンド ウェアラブル エレクトロニクス フレキシブル エレクトロニクス 安全・高効率・グリーンな ユビキタスＩＴ社会 アンビエント環境 高セキュア通信 量子演算システム エネルギー創成 ナノ量子機構拠点棟の玄関（右端は機構看板） 量子暗号通信 システム 有機ＣＭＯＳ回路 1.3μm 量子ドットレーザー 量子情報エレクトロニクス エンタングル光源 量子ドット太陽電池 有機分子 有機半導体 単一光子源 ナノ技術・量子技術 量子ドット 2010 量子科学を 情報の世界へ エネルギー・環境 量子医用マーカ 2015 2020年 複数企業ラボ間の連携で進む量子暗号通信実験 通信波長帯単一光子源を用いた量子暗号通信で長距離量子鍵配付を実現 Development of a Long-distance Quantum Key Distribution System based on Telecoms-band Single Photon Sources 1.5µm帯 単一光子発生器 通信波長帯単一光子源による 量子暗号鍵配付装置 1.55μm電流駆動 単一光子発生素子 有機薄膜トランジスタで高速性や高耐熱性を達成 Development of Organic Thin Film Transistors with High Performance 短チャネルによる有機薄膜 トランジスタの高移動度化 高耐熱性DPh-DNTT有機薄膜トランジスタの 光学顕微鏡像（中）と温度による移動度特性（右） 機構および（株）富士通研究所、日本電気（株） 、 （株）日立製作所 と競合企業間の壁 機構はシャープ（株） 、日本電気（株）と連携して、大面積、フレキシブル、軽量、 を超える異色の産学連携で、量子暗号通信技術の開発を進めてきました。通信波長 の1.5µm帯単一光子源による量子暗号通信は性能的に最も期待でき、すでに盗聴の原 因となる複数光子の発生率を従来の500分の1に抑えた世界最高水準の単一光子生成 を実現するとともに、量子暗号鍵の配付距離を100km超に記録更新しています。 低コスト化が見込まれる有機薄膜トランジスタ（TFT）の高性能化に取り組んできま した。高速動作回路への応用を目指し、数ミクロンのチャネル長で3㎠/Vs以上の高 移動度を達成しました。また有機／絶縁膜界面の制御によって、250℃の世界最高 の高耐熱性も実現し、熱に弱い有機半導体の応用分野の拡大にも寄与しています。 Together with Fujitsu, NEC and Hitachi we have overcome inter-company competition and moved forward in developing quantum key distribution technologies. By using a single photon source operating in the 1.5µm wavelength band（where we can anticipate great performance）, we have been able to suppress multiphoton emission by a factor of 500（realizing the most pure single photon emission）, and have also succeeded in the secure distribution of a quantum key over distances greater than 100km. Together with Sharp and NEC we have been working to increase the performance of large-area flexible light low-cost organic thin film transistors. By using a micron scale channel length we have been able to achieve a high mobility（3㎠/Vs）, and are aiming at applications in high speed circuits. Furthermore, by controlling the organic/insulator interface we have been able to realize a record temperature resistance of our devices（up to 250℃）, thus opening up new possibilities in the field of organic semiconductors which are typically susceptible to thermal effects. 研究機構主要メンバー（大学） Leading Members of the Institute（Academic） 有田 宗貴 准教授（特任） Project Associate Prof. Munetaka ARITA 石田 寛人 教授（客員） 伊藤 公平 教授（客員） Prof. Kohei ITOH 生産技術研究所 ナノ量子情報エレクトロニクス ナノ量子情報エレクトロニクス 研究機構 半導体ナノ構造の結晶成長・ 物性制御 Prof. Hiroto ISHIDA 金沢学院大学名誉学長 科学技術政策・原子力工学 慶応義塾大学理工学部 半導体工学 今井 浩 教授 岩本 敏 准教授 Prof. Hiroshi IMAI Associate Prof. Satoshi IWAMOTO 荒川 泰彦 教授 Prof. Yasuhiko ARAKAWA 太田 泰友 准教授（特任） 情報理工学系研究科 コンピュータ科学専攻 量子情報処理工学 生産技術研究所 ナノオプトエレクトロニクス 北村 雅季 准教授（委嘱） 勝本 信吾 教授 Project Associate Prof. Yasutomo OTA 大津 元一 教授 Prof. Motoichi OHTSU ナノ量子情報エレクトロニクス 研究機構 量子オプトエレクトロニクス Associate Prof. Masatoshi KITAMURA 染谷 隆夫 教授 Prof. Shingo KATSUMOTO 物性研究所 低温物理学・量子物性 神戸大学工学研究科 有機半導体エレクトロニクス 工学系研究科電気系工学専攻 ナノ・有機エレクトロニクス 竹内 繁樹 教授（委嘱） 田中 雅明 教授 Prof. Shigeki TAKEUCHI Prof. Masaaki TANAKA Prof. Takao SOMEYA 工学系研究科電気系工学専攻 ナノフォトニクス 高橋 琢二 教授 Prof. Takuji TAKAHASHI 生産技術研究所 ナノプローブ技術 田辺 克明 准教授（委嘱） Associate Prof. Katsuaki TANABE 樽茶 清悟 教授 Prof. Seigo TARUCHA 京都大学工学研究科 電子工学専攻 量子光学・量子情報工学 工学系研究科電気系工学専攻 スピントロニクス、 電子材料物性 中岡 俊裕 准教授（客員） Associate Prof. Toshihiro NAKAOKA 中村 泰信 教授 上智大学理工学部 ナノ構造スペクトロスコピー 先端科学技術研究センター 超電導量子エレクトロニクス 京都大学工学研究科 化学工学専攻 エネルギープロセス工学 工学系研究科物理工学専攻 半導体ナノ構造の物理と応用 野田 進 教授（委嘱） 野村 政宏 准教授 Prof. Susumu NODA Associate Prof. Masahiro NOMURA Prof. Yasunobu NAKAMURA 京都大学工学研究科 電子工学専攻 光量子電子工学 生産技術研究所 量子融合エレクトロニクス Project Associate Prof. Mark HOLMES マーク ホームズ 准教授（特任） 平川 一彦 教授 平本 俊郎 教授 古澤 明 教授 Prof. Kazuhiko HIRAKAWA Prof. Toshiro HIRAMOTO Prof. Akira FURUSAWA 生産技術研究所 シリコンナノデバイス 工学系研究科物理工学専攻 量子光学・量子情報科学 生産技術研究所 量子半導体エレクトロニクス 撮影：日経BP社 ナノ量子情報エレクトロニクス 研究機構 量子ドット・ナノワイヤ・オプト エレクトロニクス 山本 喜久 教授（委嘱） 町田 友樹 准教授 Associate Prof. Tomoki MACHIDA 生産技術研究所 半導体低次元電子輸送現象 山内 薫 教授 村尾 美緒 教授 Prof. Mio MURAO 理学系研究科物理学専攻 量子情報処理理論 Prof. Yoshihisa YAMAMOTO Prof. Kaoru YAMANOUCHI 理学系研究科化学専攻 物理化学・化学反応動力学・ 強光子場科学 科学技術振興機構 スタンフォード大学 国立情報学研究所 量子情報 機構の主な歩み The History of NanoQuine ・2006.10 ナノ量子機構の設置、東大企業ラボもスタート NanoQuine is established, and on-campus joint laboratories are opened with Japanese electronics companies. ・2007.04 横断型教育プログラム「ナノ量子情報エレクトロニクス特論」スタート NanoQuine commences a special series of lectures titled“nano quantum information electronics”for students as part of interdisciplinary and interdepartmental training programs. ・2008.02 機構本部機能を駒場As棟に集約、拠点形成を充実 The head office, joint laboratories and auxiliary offices of NanoQuine are consolidated to the As building in Komaba research campus. ・2009.01 先端融合COE絞込み再審査で継続課題に決定 As a result of the CICAIRA evaluation of our research progress, NanoQuine is selected as one of the continuing major research projects to receive funding in Japan. ・2009.04 QDレーザが5社目の協働企業に参画、イノベーション創出に拍車 QD Laser Inc. joins the project as the 5th collaborative company to foster the creation of innovation. ・2010.04 QDレーザによる量子ドットレーザの出荷が2010年度に量産レベルに QD Laser Inc. begins mass production of quantum dot lasers for optical telecom applications.（2010 financial year） ・2012.09 経産・未来開拓プロ（翌年度NEDO移管）に関しPETRAと共同研究開始 Research collaboration with PETRA on the Future Pioneering Project is started.（A project which is since overseen by NEDO）. ・2013.02 文部科学省が先端融合24年度中間評価結果（7年目） を発表 MEXT released the interim appraisal results of the CICAIRA Program（7th year）. 研究機構主要メンバー（企業ラボ） Leading Members of the Institute（Industrial） 東大シャープラボ UT-Sharp Lab. 種谷 元隆 中山 純一郎 友村 好隆 和泉 真 Dr. Mototaka TANEYA Dr. Junichiro NAKAYAMA Dr. Yoshitaka TOMOMURA Dr. Makoto IZUMI シャープ（株） 執行役員 研究開発本部長 教授（客員） 基盤技術研究所長 オープンイノベーションセンター 協業推進室長 基盤技術研究所 主任研究員 江村 克己 田原 修一 萬 伸一 山本 剛 Dr. Katsumi EMURA Dr. Syuichi TAHARA Dr. Shinichi YOROZU Dr. Tsuyoshi YAMAMOTO 日本電気（株） 執行役員兼 中央研究所長 教授（客員） 中央研究所 理事 スマートエネルギー研究所 所長代理 スマートエネルギー研究所 主任研究員 小島 啓二 鈴木 教洋 山田 真治 松岡 秀行 Dr. Keiji KOJIMA Dr. Norihiro SUZUKI Dr. Shinji YAMADA Dr. Hideyuki Matsuoka 教授（客員） 研究開発グループ 社会イノベーション協創 統括本部長 研究開発グループ 基礎研究センタ長 研究開発グループ 基礎研究センタ 主管研究長 富田 達夫 矢野 映 山本 剛之 竹本 一矢 Dr. Tatsuo TOMITA Dr. Ei YANO Dr. Tsuyoshi YAMAMOTO Dr. Kazuya TAKEMOTO 教授（客員） 取締役 デバイス＆マテリアル研究所 シニアディレクター デバイス＆マテリアル研究所 主任研究員 菅原 充 武政 敬三 高田 幹 山口 正臣 Dr. Mitsuru SUGAWARA Dr. Keizo TAKEMASA Dr. Kan TAKADA Dr. Masaomi YAMAGUCHI デバイス開発部 部長 デザインエンジニア ウエハエンジニア 東大NECラボ UT-NEC Lab. 東大日立ラボ UT-Hitachi Lab. （株）日立製作所 執行役常務 研究開発グループ長 東大富士通ラボ UT-Fujitsu Lab. （株）富士通研究所 取締役会長 東大QDLラボ UT-QDL Lab. 教授（客員） （株）QDレーザ 代表取締役社長 （2015年４月１日現在） Area Map Campus Map ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構へのアクセス 駐車場 駐車場 小田急線 東北沢駅から徒歩7分／ 井の頭線 駒場東大前駅から徒歩10分／ 井の頭線 池ノ上駅から徒歩10分／ 小田急線・千代田線 代々木上原駅から徒歩12分 1 Access to NanoQuine F E グラウンド 4 D 7 min. walk from Higashi-Kitazawa Station ／ 10 min. walk from Komaba-Todaimae Station ／ 10 min. walk from Ikenoue Station ／ 12 min. walk from Yoyogi-Uehara Station C An B As棟 東京大学 駒場リサーチキャンパス Komaba Research Campus 研究機構ホームページ NanoQuine本部 http://www.nanoquine.iis.u-tokyo.ac.jp/ 研究機構本部：〒153-8505 東京都目黒区駒場4-6-1 東京大学駒場リサーチキャンパス As棟 Phone:03-5452-6920 Fax:03-5452-6921 Nano Quine Office: As build. 4-6-1,Komaba,Meguro-ku,Tokyo 153-8505 Japan Phone:+81-3-5452-6920 Fax:+81-3-5452-6921 E-mail:nquine@iis.u-tokyo.ac.jp 東京大学ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構 代表的な研究成果（2012年1月現在） 量子ドットレーザの高性能化技術を開発・市場化にも成功 次世代ナノエレクトロニクス研究部門 Advanced Nanoelectronics High-Performance QD Lasers and their First Commercialization 光通信用途に向け、量子ドットレーザの高性能 化、大量生産技術の開発を行い、（株）QDレー ザが長波長帯ファブリペロー型通信用量子ドッ トレーザの実用化、商用化を開始しました。ま た、温度変動の極めて小さい量子ドットレーザ の特性を活かし、長波長帯にて220℃以上の温 度でも連続発振する、資源探索等の厳しい環境 下において使用可能な量子ドットレーザを開発 しました。この様に、ビジネスモデルの確立も 含めて、新たなイノベーションの推進役を担っ ています。 【文献】CLEO-Europe2011, PW2012 【連携】東大・富士通研・QD Laser We have improved characteristics of quantum dot(QD) lasers and developed mass-production scheme. Then QDLaser, Inc. commercialized QD-FP lasers for optical communications. Also 1.3µmwavelength QD lasers that can operate even at 220℃ under continuous-wave operation have been developed. Such devices can be used under harsh environments like underground exploration of natural resources. This is an example of our unique innovation promotion scheme. 商用化された（株）QDレーザ製 1270-1310 nm 量子ドットレーザ （製品型番：QLF1339-AA） 【 CLEO-Europe2011, PW2012 】 【Cooperation】UT/Fujitsu Lab/QD Laser 最速200KHz有機CMOS回路技術を開発・有機タグに道を拓く 220℃まで発振する、長波長帯 量子ドットレーザの光出力特性 次世代ナノエレクトロニクス研究部門 Advanced Nanoelectronics Organic CMOS Circuits Operated at the World’ s Highest Frequency, 200 kHz 有機トランジスタの特長を生かし、低コスト、 フレキシブル、大面積エレクトロニクスや CMOS回路への応用を展開しています。最近で は、有機PMOS、NMOSそれぞれで世界最高の 10MHzを超える電流利得遮断周波数を実現しま した（図1）。また、その基盤技術をCMOS回路 に応用し、有機CMOSリングオシレータで世界 最高速を示す200kHzの動作に成功しました（図 2）。これらはフレキシブルディスプレイやRFID tagへの応用を期待させる成果です。 【文献】Appl. Phys. Express Vol.4 051601（2011） 【連携】東大・シャープ We promote application to low cost, flexible, large area electronics and CMOS circuits using organic transistors. We have demonstrated current-gain cutoff frequencies above 10MHz in organic PMOS and NMOS. Also, we have developed an organic CMOS ring oscillator operating at 200kHz, which is the highest frequency as organic CMOS circuits. The results show that our devices have the potential to application of organic transistors to flexible displays and RFID tags. 図1 電流利得遮断周波数 Fig.1 Current-gain cutoff frequencies 【Reference】Appl. Phys. Express Vol.4 051601(2011) 【Cooperation】Univ. of Tokyo/SHARP 量子ドット太陽電池の基盤技術を開発 次世代ナノエレクトロニクス研究部門 Advanced Nanoelectronics Fundamental Technologies for Highly Efficient Quantum Dot Solar Cells 量子ドット太陽電池の変換効率は従来63%であ ると信じられてきましたが、中間バンドを4つ 導入することで最大理論変換効率が75%になる ことを初めて明らかにしました（図1）。また MOCVD法を用いてエネルギー準位が制御され た量子ドットを2種類作製し、よりエネルギー準 位の高い量子ドットを太陽電池（図2）に適用す ることで課題とされてきた電圧劣化を抑制する ことに成功しました（図3）。 【文献】Appl. Phys. Lett. Vol.98 171108（2011）, Appl. Phys. Lett. Vol.96 203507（2010） 【連携】東大・シャープ Quantum dot solar cells (QDSCs) are believed to have the energy conversion efficiency of 63%. We have found that the maximum theoretical efficiency of QDSC (4 IBs) approaches 75%. We fabricated two types of quantum dots whose energies are well controlled by MOCVD method. We succeed in the suppress of the decrease in Voc (open circuit voltage) by applying QDs with higher quantum energy level to the solar cell. 【Reference】Appl. Phys. Lett. Vol.98 171108 (2011), Appl. Phys. Lett. Vol.96 203507 (2010) 【Cooperation】Univ. of Tokyo/SHARP 図1 中間バンド数が異なる太陽電 池の理論変換効率 （最大集光下）。 図 2 量 子ドット太 陽 電 池 （上）と構造の模式図（下） 1.5μｍ帯単一光子で最長の50km量子暗号鍵配付実験に成功 子源を開発（図1）。さらに、単一光子源に最適 化した低損失平面光回路（図2）との融合によ り、単一光子方式で世界最長となる、50kmの量 子鍵配付実証実験に成功しました（図3）。 【文献】Appl. Phys. Express Vol.3 092802（2010） 【連携】東大・富士通研・NEC We have developed high-quality single-photon source (SPS) at 1.5-µm wavelength using a single quantum dot with a horn-shaped nanostructure. By integrating the SPS to the stable quantum key distribution (QKD) system based on silica-based planar lightwave circuit, we have successfully transmitted secure keys over a 50km commercial fiber, exceeding the previously reported range for an SPS operating below 1.3µm wavelength. 【Reference】Appl. Phys. Express Vol.3 092802 (2010) 【Cooperation】UT/Fujitsu Lab/NEC 図3 バルク太陽電池と量 子ドット太陽電池（2種類 の量子準位）のIV特性、及 びPLスペクトル（挿図） ナノ量子情報エレクトロニクス研究部門 Nano Quantum Information Electronics Quantum Key Distribution Using SPS at a World-Record Distance of 50km 量子鍵配付は量子力学の原理により安全性を保 証された究極の秘匿通信手段として期待されて います。実現のキーデバイスとなるのが、光子 を一個ずつ規則正しく生成するための単一光子 源です。当部門はホーン型ナノ構造に埋め込ん だ量子ドットを用いて高品質の1.5μm帯単一光 図2 有機CMOSリングオシレータ Fig.2 Organic CMOS ring oscillator Fig. 1 Quantum dot SPS at 1.5-μm wavelength Fig. 2 Silica-based planar lightwave circuit Fig. 3 Key rates for current QKD system and previous 1.3-μm system (APL 91, 161103 (2007)). シリコン量子ビット技術を開発 ナノ量子情報エレクトロニクス研究部門 Nano Quantum Information Electronics Development of Silicon Quantum Bit Technologies シリコン量子ビットの実現に向け、素子開発及び スピン現象の物理解明に取り組んでいます。並列 結合シリコン2重量子ドットの電子輸送特性評価 を行うことで、電荷検出実験および少数電子状 態の実現に成功しました。また、制御性に優れた 直列結合2重量子ドットを作製し、明瞭な電荷安 定状態図を測定することができました。さらに電 子スピンの向きに依存する電気伝導特性（スピン ブロッケード特性）を得ることに成功しました。 【文献】Appl. Phys. Lett. Vol.98 13, 133506 （2011）, J. Appl. Phys. Vol.110, 054511（2011） , Jpn. J. Appl. Phys. Vol.50, 04DJ05（2011） 【連携】東大・日立製作所 We have developed silicon quantum dot devices and studied spin-related physics toward silicon quantum bits. We succeed in charge detection experiments and realize a fewelectron regime using silicon double quantum dots coupled in parallel. We observe clear charge stability diagrams and spin-related tunneling characteristics (Pauli spin blockade) using silicon double quantum dots coupled in series. 【Reference】Appl. Phys. Lett. Vol.98 13, 133506 (2011), J. Appl. Phys. Vol.110, 054511 (2011), Jpn. J. Appl. Phys. Vol.50, 04DJ05 (2011) 【Cooperation】Univ. of Tokyo/Hitachi Fig.1 (a) Silicon double quantum dots coupled in parallel. (b) Few-electron regime is observed. (c) Measured charge stability diagram using silicon double quantum dots coupled in series as shown in the inset. 四角格子ポテンシャル中においてd波ポラリトン凝縮体を観測 ナノ量子情報エレクトロニクス研究部門 Nano Quantum Information Electronics Observation of the Dynamic d-Wave Condensation of Exciton Polaritons レーザー励起により注入されたポラリトンは、 半導体を構成する原子の振動モード（フォノ ン）との相互作用やポラリトン同士の散乱によ り冷却されますが、周期ポテンシャルによるバ ンドギャップが存在すると冷却が非効率的とな り、励起状態に蓄積されます。今回、金属薄膜 により形成された 2次元正方格子ポテンシャル 下において、この励起状態におけるボーズアイ ンシュタイン凝縮体を高解像度の実空間、運動 量空間分布測定により読み出し、d波凝縮体の 形成を初めて観測しました。 Exciton-polaritons injected by the laser relax to the lower energy states by the phonon scattering and polariton-polariton scattering. If a band gap due to the periodic potential exists in the system, the inter-band relaxation is suppressed. We detected the formation of dynamic d-wave condensation in square lattice potentials created by thin metal films through highly resolved polariton distribution measurements in the real and momentum space. 【文献】Nature Physics Vol.7, 681（2011） 【連携】東大・スタンフォード大 【Reference】Nature Physics Vol.7, 681 (2011) 【Cooperation】Univ. of Tokyo/Stanford Univ. (a) A photo of the device surface. The period a is 2μm. (b) The real space distribution of d-wave condensates with the distribution of s-wave condensates. (c) The Brillouin zones of square lattice. (d) The momentum space polariton distribution indicating the condensation at the M-points. 3次元フォトニック結晶ナノ共振器レーザ技術を開発 量子情報科学技術基盤研究部門 Quantum Science and Technology 3D Photonic Crystal Nanocavity Laser with Quantum Dot Gain 電子顕微鏡中で2次元プレートを積み上げ、3次 元微細構造を形成する独自作製技術を確立し、 3次元フォトニック結晶ナノ共振器の最高Q値 （38,500）を達成しました。さらにナノ共振器 部分に埋め込まれた半導体量子ドットの光学利 得を利用し、世界で初めて3次元フォトニック結 晶レーザの実現に成功しました。高品質3次元フ ォトニック結晶技術は、光子と電子の究極的制 御を実現するために必要な構造であり、レーザ などの低消費電力化や量子情報技術などへの応 用展開が期待できます。 We achieved the world-highest quality factor (∼38,500) of three dimensional (3D) photonic crystal (PhC) nanocavity by utilizing the uniquelydeveloped fabrication technology, micromanipulation method. We also demonstrated a 3D PhC nanocavity laser with quantum dots gain for the first time. High quality 3D PhCs are essential structures for realizing ultimate nanophotonic and quantum information devices with simultaneous control of electrons and photons. 【文献】Nature Photonics Vol.5, 91（2011） 【東大】 【Reference】Nature Photonics Vol.5, 91 (2011) 【Univ. of Tokyo】 3D PhC Nanocavity Laser：Structure and Lasing Characteristics 2スピン量子ゲートで初めて量子もつれを制御：拡張性高い量子ビット Control of Quantum Entanglement Between Two Electron Spin Qubits Using a Double QD 電子を閉じこめた半導体2重量子ドット上に微小 磁石を配置し、磁石が作る磁場下で電子スピン に電気的振動を加え高周波磁場を発生させる、 全く新しい方法で、2個の電子スピンを独立な回 転操作を実現し、さらにドット間のスピン交換 操作と組み合わせて、2スピン量子もつれ（スピ ン1重項状態）を制御、検出することに初めて成 功しました。この微小磁石法は数十個の量子ビ ットまで拡張可能であり、今回の量子ゲートの 成功と併せて、量子計算に必要な量子論理演算 の実現へ道を開きました。 【文献】Phys. Rev. Lett. Vol.107, 146801（2011） 【東大】 We used a micro-magnet technique to implement two individually electron spin qubits with a double quantum dot (QD). This magnet technique can apply for scaling up qubit systems. We further combined this spin rotation with manipulation of interdot spin exchange coupling to first demonstrate a two-qubit gate for controlling spin entanglement. This result paves the way for implementing scalable quantum logic gates in quantum computation. 【Ref.】Phys. Rev. Lett. Vol.107, 146801(2011) 【Univ. of Tokyo】 量子情報科学技術基盤研究部門 Quantum Science and Technology Fig. Two-qubit gate of combined spin rotation and exchange coupling to control spin entanglement (a) Concept of spin rotation and spin exchange with a double quantum dot (b) Rotation of each electron spin in a quantum dot (c) Tow-qubit gate for controlling spin entanglement