量子情報技術の研究開発状況を概観する.量子情報と古典情報の違いを明らかにした後,量子暗号,量子中継,量子標準,量子シミュレーション,量子コンピューターの原理と研究の現状を紹介し,また将来展望に触れる.
量子力学の重ね合わせの原理を利用して,究極的に安全な暗号通信を提供する,量子暗号通信の研究が進められている.本稿では,量子暗号研究について,これまでの経過・現在の状況,その基本動作原理,などを述べる.
半導体集積回路の高集積化を支えてきた光リソグラフィー技術は,ナノメートルレベルの解像度を実現し,さらに微細化を狙っているが,解像限界も近づき,パターン設計側の負担も大きくなってきている.この限界を突破する,EUVリソグラフィー技術やナノインプリント技術など,新しい技術の開発も進んでいる.しかし課題も多く,実用化までの道程は険しいものがある.一方,光リソグラフィー技術の後も,光リソグラフィー技術を推そうという声も多く,高屈折率材料を用いた液浸露光や,多重露光技術など,さまざまな開発が進められている.これら次世代リソグラフィー技術の開発状況とその課題を紹介し,今後の動向を見通す.
われわれに最も身近な素粒子である光子と電子.量子暗号はこれらの助けなくして,実用的な長距離を通信できない.筆者らの提案する量子中継器は,光子の偏光を電子のスピンへと量子状態変換することに始まり,有効ビット検出と電子スピンリレー転送の後に量子もつれ合い検出を行うことにより,量子もつれ合い距離を拡張していくものである.各要素機能の説明に加えて初期的実験を紹介し,今後の展望を述べる.
量子制御ノットゲートは量子計算の基本ゲートの一つであり,非常に重要である.しかし,光子を用いた量子計算において,その量子制御ノットゲートの実現は最も困難な課題のうちの一つである.また,多数の光子を用いた複雑な量子回路を構築するには,安定で,できるだけ簡易な光量子制御ノットゲートが不可欠である.これまでの光量子制御ノットゲートでは,経路干渉の存在が安定性の障害となっていた.最近,筆者らは,経路干渉を用いない安定で簡易な光量子制御ノットゲートを実現した.ここでは,そのゲートの原理と実験的な実証について紹介する.
音の熱機関は,可動部をもたず,熱交換器と蓄熱(冷)器だけから構成されるきわめて単純なエネルギー変換器である.それらは熱音響現象に属し,本質的に可逆熱機関である進行波型と,不可逆性を利用した定在波型熱機関に分類されている.最近,ループ管を用いた進行波型熱機関が実現したことで,冷凍機や発電機への実用化の可能性が高まっている.本稿では,音の熱機関についての簡単な解説を含めながら,最近の現状について報告する.
入力蛍光面にGd2O2S:Tbを用いて,高感度で撮影ダイナミックレンジが広く,長寿命な中性子線用カラーイメージ・インテンシファイア(中性子カラーI.I. )を試作した.出力蛍光面にEu原子発光のY2O2S:Euシンチレーターを使用し,赤,緑,青それぞれ異なった強度で発光する.このシンチレーターとカラーCCDカメラの最適化により,従来のP20シンチレーターよりも6倍感度を向上させた.緑,青になるに従い発光割合が弱くなり,撮影ダイナミックレンジを約60倍拡大している.JRR3mの中性子ラジオグラフィー照射ポート(中性子束:1.5×108n/cm2·s)で,金属内の水の動きをシャッター速度1/10000秒で映像化できることを確認した.
光ファイバー網において,量子暗号,量子テレポーテーションなどの量子通信を実現するためには,1.5μm通信波長帯における量子もつれ光子対の発生は重要な技術である.本稿では,光ファイバー中の自然放出四光波混合を用いた1.5μm通信波長帯における量子もつれ光子対発生に関する研究結果を報告する.まず,自然放出四光波混合による量子相関光子対の発生原理について述べた後,偏波および時間位置に関する量子もつれ状態の生成実験について解説する.さらに,量子もつれの長距離分配実験についても報告する.
量子情報処理において,量子もつれは重要なリソースである.特に量子もつれ光子対を用いた量子情報通信は量子暗号,量子テレポーテーション,量子中継などを可能にする.しかし,雑音などの影響で量子もつれが失われてしまうため,それらをうまく回復することが重要となる.本稿では,この失われてしまう量子もつれをうまく回復するための量子もつれの蒸留を解説し,最近の筆者らの実証実験を紹介する.また,これをうまく利用した相関のある雑音下における汎用性のある量子情報通信も紹介する.
高温超伝導体の「ホモロガス・シリーズ」の概念に基づくフロンティア・メンバーの合成と,超伝導体化が現在進行中である蛍石型層を含有する層状銅酸化物について概観する.これらは2種のブロッキング・ブロックをもつことが特徴的で,予期されていなかった特性を示す.ここで注目する(Cu,Mo)-12s2シリーズでは,ごく最近,s=1,2,3,4相すべての単一相試料が合成され,かつ超伝導体化された.s≧2のとき,2枚のCuO2 面間の距離にかかわらず,Tc≒55Kにとどまることがわかった.これを説明する仮説を立て,高Tc 化の方策を探る.
原子レベルやナノスケールレベルにおける物質の基本法則である量子力学(第一原理)に基づいて,原子番号だけを入力パラメーターとして,物理機構解明や物性予測を行う第一原理計算について解説する.また,得られた物理機構や物性予測を統合することによる,新機能物質や新規ナノ超構造の計算機ナノマテリアルデザイン手法についても解説する.半導体ナノスピントロニクスを例に,強磁性機構の解明,キュリー温度の高精度予測,室温強磁性のマテリアルデザイン,さらには,次元性を制御したナノスケール・スピノーダル分解による自己組織化を利用したテラビット密度のナノ超構造強磁性半導体のプロセスデザインを紹介し,その有効性と潜在力を明らかにする.