富士通のナノテクノロジー「ナノテクで何が出来るのか？」㈱富士通研究所フェロー横山直樹 (ナノテクノロジー研究センター長） 2006年11月2日サイエンティフィック・システム研究会＠リーガロヤルホテルナノテクノロジーとは原子の世界ナノの世界 0.1 nm 10 nm 1 nm ミクロの世界 100 nm ボトムアップボトムアップ１０億分の１ m DNA たんぱく 1 μm トップダウントップダウン１．トップダウンのナノテクノロジー既存の材料やﾃﾞﾊﾞｲｽをﾅﾉｽｹｰﾙまで加工２．ボトムアップのナノテクノロジー原子分子を積重ね新材料や新ﾃﾞﾊﾞｲｽを創成３．バイオ融合のナノテクノロジー生物学と工学を融合し新分野を開拓トップダウンナノテクノロジーの例 108 107 106 105 104 103 102 ＤＲＡＭ１０年毎に１００倍ソースゲートドレイン日本人口マイクロプロセッサ 10 １０年毎に２５倍 1 １０年毎に１/３倍 1970 1980 世界人口 1990 0.1 ナノの世界 2000年最小寸法[μm] チップ上の素子数半導体ＬＳＩ：微細化と高集積化の歴史 10 9 →ナノの世界に突入半導体による技術革新 2003 PRIMEPOWER 1978 FACOM M-200 1 μm bipolar IC ～1000Tr. 12MIPS (4CPU) 34㎡ 140KW 速度 21,000倍設置スペース 1/17 90nm CMOS LSI ～1000万Tr. 256GIPS (128CPU) 2㎡ 40KW 消費電力 1/3.5 半導体の技術進歩により、コンピューターは劇的に速く、小さく、安く、省エネになった。 ICﾁｯﾌﾟ上のトランジスタ 10個/１円(1980年) 10万個/１円(2005年) の価格 1/10,000 半導体は産業の牽引車先端半導体によりあらゆる製品が進化するサーバ/ネットワーク/ サーバ/ネットワーク/ ストレージストレージetc. etc. ロボット・車載・モバイルロボット・車載・モバイル etc etc システムLSI デジタルＡＶ・デジタルＡＶ・ PC/PC周辺 PC/PC周辺 etc etc ナノテクノロジーとは原子の世界ナノの世界 0.1 nm 10 nm 1 nm ミクロの世界 100 nm ボトムアップボトムアップ１０億分の１ m DNA たんぱく 1 μm トップダウントップダウン１．トップダウンのナノテクノロジー既存の材料やﾃﾞﾊﾞｲｽをﾅﾉｽｹｰﾙまで加工２．ボトムアップのナノテクノロジー原子分子を積重ね新材料や新ﾃﾞﾊﾞｲｽを創成３．バイオ融合のナノテクノロジー生物学と工学を融合し新分野を開拓ボトムアップナノテクノロジーのルーツ Richard P. Feynman 1959年１２月２６日 “There’s Plenty of Room at the Bottom” 講演 APS meeting at California Institute of Technology 24 vol. ・電子ビームを用いた数原子幅のエッチングライン・新しいｺﾝﾋﾟｭｰﾀ用のナノメートルサイズの回路・原子操作による材料の特性制御等 Xe原子 STM Encyclopedia Britannica 1/25000 1986年ノーベル賞 Gerd Binnig, Heinrich Rohrer IBM Zurich Ni(110)上に描かれた富士通のロゴ1992 Professor Joachim, CEMES ボトムアップナノ材料の例量子ドット As atoms Size: ～10 nm In atoms In 1982, Profs Arakawa and Sakaki proposed quantum dot lasers. GaAs カーボンナノチューブ Arc discharge アーク放電黒鉛 graphite Diameter: 1 ～2 nm In 1991, Dr. Iijima of NEC discovered needle-shaped carbon materials, to which later given the name "carbon nanotubes." バイオ融合ナノテクノロジーの例ナノ薬物送達システム高感度のプロテインチップ疎水性親水性標的蛋白質抗がん剤両親媒性ブロック共重合体マーカー～10 nm CNT ～数十 nm 抗がん剤を内包する自己組織ナノカプセル東京大学片岡教授富士通抗体/ 人工抗体ﾇｸﾚｵﾁﾄﾞナノテクノロジーの特長ナノ材料バイオ・医療情報通信環境エネルギーその他ナノ構造トラップ、ナノフィルター、他水素吸蔵、触媒、太陽電池、他～数十 nm ナノ粒子補強高分子材料、他ドラッグデリバリ、量子ドット、分子エレクトロニク、他人工光合成、他原子・分子の世界を操作材料やデバイスを根本から改変あるいは創造することができる。あらゆる分野で技術革新を起こす可能性が有る。ﾅﾉﾃｸﾉﾛｼﾞｰ研究ｾﾝﾀｰのご紹介２０００年１２月に設立ボトムアップ・バイオ融合のナノテク新しい電子ナノ材料の開発新しい電子ナノ材料の開発 LSI技術にﾌﾞﾚｰｸｽﾙｰ LSI技術にﾌﾞﾚｰｸｽﾙｰｶｰﾎﾞﾝﾅﾉﾁｭｰﾌﾞのｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ応用ナノの世界の量子効果利用ナノの世界の量子効果利用光通信用次世代ﾃﾞﾊﾞｲｽ開発光通信用次世代ﾃﾞﾊﾞｲｽ開発量子ドット光通信用ﾃﾞﾊﾞｲｽの開発ナノとバイオを融合ナノとバイオを融合新規市場の創生新規市場の創生 LSI配線トランジスタ（ポストCMOS) 温度無依存ﾚｰｻﾞｰ/多波長一括光アンプ量子通信用光源（→量子コンピュータ）ﾌﾟﾛﾃｲﾝﾁｯﾌﾟと人工抗体の開発ﾍﾙｽｹｱｰﾈｯﾄﾜｰｸｻｰﾋﾞｽ市場の開拓新規ビジネスへの展開カーボンナノチューブの新しい物性単層ｸﾞﾗﾌｧｲﾄｸﾞﾗﾌｧｲﾄ・ｼｰﾄｱｰﾑﾁｪｱ型金属的ﾅﾉﾁｭｰﾌﾞジグザグ型半導体的ﾅﾉﾁｭｰﾌﾞ (5,5) (7,0) 金属伝導電子帯 0 ‐5 価電子帯 Γ 波数：運動量に相当 K 波数 M 5 0 ‐5 ‐10 半導体 (7,0) 10 エネルギー（eV) 5 ‐10 金属 10 エネルギー（eV) エネルギー（eV) 10 (5,5) Γ K 波数 5 電子正孔ﾊﾞﾝﾄﾞｷﾞｬｯﾌﾟ 0 ‐5 ‐10 Γ M K 波数 M カーボンナノチューブの特徴半導体ナノチューブポストＳｉ電子速度：Ｓｉの１０倍以上ﾊﾞﾝﾄﾞｷﾞｬｯﾌﾟ：直径制御で可変(0.4-1.1 eV) 直接遷移型で発光/受光容易金属ナノチューブポストCu 最大電流密度：銅の1000倍（～109A/cm2) 熱伝導率：銅の10倍（～3000W/m・K ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞ相当) カーボンナノチューブへの期待現在のSi ULSI 将来のCNT-ULSI? 10層Cu配線発光素子トランジスタ配線ｶﾞﾗｽ基板など多様 Si CMOS層 CNT: Carbon Nanotube 全て、CNTに置き換えカーボンナノチューブの特徴半導体ナノチューブポストＳｉ電子速度：Ｓｉの１０倍以上ﾊﾞﾝﾄﾞｷﾞｬｯﾌﾟ：直径制御で可変(0.4-1.1 eV) 直接遷移型で発光/受光容易金属ナノチューブポストCu 最大電流密度：銅の1000倍多層（～109A/cm2) 熱伝導率：銅の10倍（～3000W/m・K ﾀﾞｲﾔﾓﾝﾄﾞ相当) なぜCNTを配線材料に使うのか？最も高い電流密度を流せる (109 A/cm2) そして、機械的強度が非常に強い sp2+ボンド結合 → エレクトロ/ストレス・マイグレーション解決の可能性配線電流密度 (106A/cm2） 20 15 hp90 hp65 hp45 hp32 解になる候補技術がない hp22 CNT 10 Cu改良 5 0 Cu 2005 2010 2015 年カーボンナノチューブのビア配線応用ｶｰﾎﾞﾝﾅﾉﾁｭｰﾌﾞビアＵＬＳＩ断面写真対Ｃｕ比電流密度１０００倍熱伝導率１０倍 Si MOSFET Cu10層配線 Cu 絶縁膜ボイド Cu Ｃｕビアで発生したボイド Cu配線の限界を突破高電流密度とストレスによる EMが起因経済産業省ﾌｫｰｶｽ２１で推進 EM: Electron Migration Cu: 銅さらなる微細化に対応当社のCNT成長CVD装置電源 μ-波 2.45GHz μ-波ﾎｯﾄﾌｨﾗﾒﾝﾄ制御盤 H2 CH4 C２H２ﾁｬﾝﾊﾞｰ基板 pump ﾁｬﾝﾊﾞｰ温度制御基板ﾎﾙﾀﾞｰ特徴： 1)8インチ基板の成長が可能 2)多種類のCVDモードが切り替え可能熱CVD, プラズマCVD, 熱フィラメントCVD 3)電界印加機構付 Cu配線/CNTﾋﾞｱ混載LSI配線 Cu配線上のCNT ﾋﾞｱ技術 (1) Co 触媒 (2) 450°C 成長 (3) TiC 電極 (4) Ta ﾊﾞﾘｱ層 Co (2.5 nm) /Ti (2.5 nm) SiO2 (350nm) CNT Ta (5 nm) Cu (100 nm) CNT via Via-diameter 2 μm Cu (300nm) Ti (25nm) CNT Cu下層配線 Ta Cu 1000 CNT ビア-チェーンの試作サンプル TEOS-SiO2 Si sub. 45 nm/32 nm世代配線技術の有力候補富士通トップ。Infineon, Samsung追随。 M. Nihei, M. Horibe, A. Kawabata and Y. Awano, IEEE / IITC 2004, pp.251 CNTビアの電気抵抗 CNT 密度 (CNTs / cm2) 1010 1011 1012 1013 106 ビア直径: 2 μm 抵抗 (Ω/ビア) 105 １０層ＣＮＴ理論計算値 h/4e2=6.45 kΩ 104 103 Ni catalyst 1) 102 10 １０層ＣＮＴ実験値 0.7 Ω/via Co catalyst 2) 1 W ﾌﾟﾗｸﾞ 10-1 Cu ビア 10-2 1 10 102 103 104 105 ビア内のCNTの本数 106 1) M.Nihei et al., IITC 2004 2) M. Nihei et al., Jpn. J. Appl. Phys. 44, 1626 (2005) CNTの計算物理による研究経験論的・第一原理分子動力学計算による１．CNT成長機構の解明→構造制御２．異種物質との接合の解明３．新型CNTの探求・設計 CNT成長シミュレーション CNT接合シミュレーション新型CNT予測シミュレーション CNT成長シミュレーション計算手法・分子動力学法プログラム当ｾﾝﾀｰ開発・経験的原子間ポテンシャル炭素ー炭素炭素ー金属金属ー金属・定温制御速度Verlet法速度スケーリング並列化（20CPU-PCcluster ）各CPUに初期値を乱数で割当１CPU 成長核発生成長核発生 10倍高速化 20CPU 基板上触媒ナノ粒子からの成長直径は何によって決まるのか温度：1100K Carbon供給：1原子/1ns → 成長実験条件を再現 Ni 初期状態 24Ni～0.8nm 0ns C-C 飽和 CNT核析出成長～0.7nm 90ns 100ns 150ns ナノ粒子サイズを反映したCNT成長の可能性新しいCNTの直径および密度制御法＜従来の触媒CVD法＞触媒金属薄膜 CNT 触媒金属微粒子従来の高温CVD過程＜ナノ微粒子触媒CVD法＞サイズを制御した触媒金属ナノ微粒子微粒子は基板上で 2次粒子化（サイズ拡大）しない。低温成長 HF-CVD 微粒子生成・分級・デポジションシステムレーザーアブレーション法と減圧微分型静電分級機（DMA: differential mobility analyzer)で構成圧力: 1.5kPa 触媒金属ターゲットチューブ加熱器 DMA He Nd:YAG レーザー (532nm, 4W, 20Hz) 基板ｽﾃｰｼﾞ基板ｼｰｽｶﾞｽ (He, Qs slpm) Heに乗った微粒子 (Qa slpm) 余分なｶﾞｽ (Qs slpm) 真空ﾎﾟﾝﾌﾟサイズ分級された微粒子 (Qa slpm) Qs : Qa = 5 : 1 S. Sato, A. Kawabata, M. Nihei, Y. Awano, CPL 382 (2003) 361. 直径制御CNTを用いたCNTビア Co触媒微粒子 CNTs SiO2 Ti Ta Cu Si SiO2 MIRAIⅢ Management Structure and R&D Themes MIRAI Project PhaseⅢ runs from FY2006 to FY2010. *1PL; Project Leader *2CSTO; Chief Science & Technology Officer *3 RUL; Research Unit Leader *4 TL; Theme Leader MIRAI Project PL*1:H.Watanabe／CSTO*2:M.Hirose MIRAI Management Board （AIST/ASET/Selete） Chair: H.Watanabe, Members: M.Hirose, T.Masuhara, T.Kanayama, T.Tanaka, S.Kawamura, T.Mogami, I.Mori, and O.Minato Ultrascaled CMOS RUL*3:T.Kanayama ① New Transistor Structures TL*4:S.Takagi AIST / ASET ② Ultra Gate Stack TL:A.Toriumi ③ Robust Transistor Design TL:T.Hiramoto Nano Silicon Integration EUV Lithography RUL:T.Mogami RUL:I.Mori ④ Carbon Nanotube Interconnect ⑤ On-chip Optical Interconnect ⑥ EUV Photomask TL:Y.Awano TL:K.Ohashi TL:O.Suga Selete Selete: A consortium for development of production technologies using 300 mm wafer equipments with equal capital investment from 10 semiconductor manufacturers ﾅﾉﾃｸﾉﾛｼﾞｰ研究ｾﾝﾀｰのご紹介２０００年１２月に設立ボトムアップ・バイオ融合のナノテク新しい電子ナノ材料の開発新しい電子ナノ材料の開発 LSI技術にﾌﾞﾚｰｸｽﾙｰ LSI技術にﾌﾞﾚｰｸｽﾙｰｶｰﾎﾞﾝﾅﾉﾁｭｰﾌﾞのｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ応用ナノの世界の量子効果利用ナノの世界の量子効果利用光通信用次世代ﾃﾞﾊﾞｲｽ開発光通信用次世代ﾃﾞﾊﾞｲｽ開発量子ドット光通信用ﾃﾞﾊﾞｲｽの開発ナノとバイオを融合ナノとバイオを融合新規市場の創生新規市場の創生 LSI配線トランジスタ（ポストCMOS) 温度無依存ﾚｰｻﾞｰ/多波長一括光アンプ量子通信用光源（→量子コンピュータ）ﾌﾟﾛﾃｲﾝﾁｯﾌﾟと人工抗体の開発ﾍﾙｽｹｱｰﾈｯﾄﾜｰｸｻｰﾋﾞｽ市場の開拓新規ビジネスへの展開低次元量子ナノ構造の特徴 1 次元量子井戸（二次元電子）量子細線（一次元電子）電子が占有できる状態密度 EF 量子ドット（０次元電子） EF EF E1 E2 E3 エネルギー E1 E2 E3 エネルギー E1 E2 E3 エネルギー実際の電子分布：上記状態密度 × ﾌｪﾙﾐ･ﾃﾞｨﾗｯｸの分布関数、ｆｆ（E,T) = 1/〔exp｛(E-EF)/kT｝＋１〕量子ドット研究開発の位置づけ ’70 ’90 ’80 量子井戸（ナノサイズ薄膜）断面写真 GaAs AlGaAs BSアンテナ数ﾅﾉﾒｰﾀｰ表面写真断面写真数ﾅﾉﾒｰﾀｰ InAs GaAs 100nm ﾅﾉﾒｰﾀ：１０億分の１ﾒｰﾄﾙ実用化製品量子ドット（ナノサイズ粒子）富士通先行技術電子電子 10nm ’10 ’00 ・HEMT（低雑音・高速ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ）・量子井戸ﾚｰｻﾞｰ（通信用光源）実用化製品？ﾚｰザﾓｼﾞｭｰﾙネットワーク発光量子ドットの最初の学術雑誌論文引用回数：12００回以上荒川先生よりご提供量子ドットの作成方法 In ｴｯﾁﾝｸﾞ As GaAs GaAs ﾌｧｾｯﾄ成長 GaAs ﾌｧｾｯﾄｴｯﾁ＋成長 SK成長ﾓｰﾄﾞ SK: Stranski-Krastanov 富士通の量子ドット結晶成長技術 ■ 組成変調による量子ドット作成（１９９４） ■ SKﾓｰﾄﾞ量子ドット高密度化・多層化（１９９６） 20 nm 断面TEM写真 ■ 波長制御（２００３） 50 nm ■ 形状制御（１９９７）断面TEM写真 (b) Intermediate layer: 20 nm GaAs基板：1.0-1.4μm InP基板：1.4 - 1.8μm 量子ドットレーザ技術開発東大荒川教授との産学連携成果 20 量子ドット(ナノサイズ半導体微粒子)を用いて温度安定動作・低消費電力・高速・長距離を実現可能光出力 (mW) 10 Gb/s直接変調レーザの温度依存性の大幅低減に成功* 光アクセス系・ビル構内光LAN等への適用を狙う 20 ~ 70ºC 15 10 5 量子ドットレーザ p+-GaAs 0 p-AlGaAs Electrode 0 n-GaAs 光信号量子ドット活性層断面写真平面写真 15 10 5 従来のレーザ (量子井戸) 0 0 100 nm 80 20 ~ 70ºC 光出力 (mW) 0µ m 40 60 駆動電流 (mA) 20 n-AlGaAs 20 20 50 nm 20 40 60 駆動電流 (mA) 80 *NEDO 「フォトニックネットワークの開発」, 文部科学省「光•電子デバイス技術の開発」 33 温度無依存の10 Gb/s 直変動作 Output Power [mW] 6 20ºC 30ºC 40ºC 50ºC 60ºC 70ºC 80ºC 90ºC 5 4 3 2 8 Extinction Ratio [dB] Small Variation with Temperature 10 Gb/s 6 4 2 Ibias = 23 mA (Fixed), Imod = 25 mApp (Fixed) 1 0 Simplified Driving Electronics Low Power Consumption 0 0 10 20 30 Current [mA] 40 20 40 60 Temperature [ºC] 80 100 ｴﾝﾀｰﾌﾟﾗｲｽﾞﾈｯﾄﾜｰｸ用のﾏﾙﾁﾓｰﾄﾞ伝送 1.3-µm directly-modulated lasers 10-4 SMF Bit-Error Rate 10-5 Horizontal Connections (1 Gb/s, MMF or Metal) Vertical Connections (10 Gb/s, MMF) 90ºC 10-6 80ºC 10-7 Before EDC* 25ºC 10-8 After EDC 10-9 10-10 10-11 10-12 150 10 Gb/s 200 250 300 350 400 Transmission Distance [m] *Electronic Dispersion Compensation T. Yamabana et al. Error Free transmission up to 300 m (Covering 80 - 90% of Connections inside Buildings) (株) QD レーザの設立事業概要量子ドット技術を利用した光通信用レーザチップ・サブアセンブリの開発・製造・販売設立趣旨・会社目標量子ドットデバイスの実用化・商用化を通じて、ユビキタス情報社会の実現に貢献産学連携の出口となる新しい仕組みを提案・実証し、日本のエレクトロニクス産業発展に寄与会社概要本社代表取締役設立資本金従業員数株主東京都千代田区九段北1-14-17 三創九段ビル5F 菅原充 (富士通研兼務) 2006年4月24日 1.3億円 (2006年10月時点) 4名グローバルイノベーションファンド MVCグローバルジャパンファンド投資事業組合現在のコンピュータこれまでの高速化の方法並列化多CPU、多ビット化命令実行の並列化素子の微細化クロック周波数の向上パイプライン演算回路の工夫素子の微細化高速アルゴリズム高速フーリエ変換消費電力配線遅延微細化の物理限界限界に近づいている？量子情報通信技術研究の狙い・半導体技術：ムーアの法則に原理限界・暗号セキュリティ：原理的不完全性抜本的解決法→原理を変える抜本的解決法→原理を変える量子計算：「重ね合わせ状態による超並列性」を利用した超高速演算。（実用化時期：2020〜2030）量子通信：「観測による重ね合わせ状態の破壊」を利用した安全な暗号通信（実用化時期：限定用途2007～2015）総務省ロードマップ量子コンピュータとは古典コンピュータの bit（０または１で表される２状態）の代わりに qubit（量子力学の重ね合わせ状態）を用いるコンピュータ量子力学的重ね合わせ状態の可逆演算を行う量子チューリング機械量子コンピュータの位置づけ解けない問題・数学的に定式化できない問題例：芸術、哲学、「勝利の方程式」・定式化できるが解けない問題例：プログラムの停止問題解くのに膨大な時間がかかる問題・非常に複雑な系：例：気象予報、物質の性質スーパーコンピュータ・シラミ潰し以外の解法が知られていない問題例：巡回セールスマン問題（NP完全問題) 素因数分解（NP問題) 量子コンピュータ量子力学の基本法則 1. 重ね合わせの原理 2. シュレディンガー方程式 3. 観測による状態の収縮と確率的解釈 “0”の状態 “0”と“1”の重なり状態 “1”の状態古典力学量子力学量子力学の基本法則 1. 重ね合わせの原理 2. シュレディンガー方程式 3. 観測による状態の収縮と確率的解釈情報処理に利用 “0”の状態 “0”の観測観測 “1”の状態古典力学量子力学量子ビットの実現例 “1”の状態スピン上向き “0”の状態スピン下向き “1”と“0”の重ね合わせ状態 Qubit （量子ビット）量子ｺﾝﾋﾟｭｰﾀの基本概念量子超並列性量子ｺﾝﾋﾟｭｰﾀの超高速性の原理。量子ﾋﾞｯﾄをN個用意すれば、 2N通りの状態についての無数の重ね合わせが実現できる。 1回のﾃﾞｰﾀ入力だけ2N通りの計算を同時に行うことができる。古典計算量子計算Ｎ桁のビット 0 1 0 1 1 0 ・・ 0 1 1データのみ入力６４ビットの時Ｎ桁の量子ビット・・数全てのある種の重ね合わせを入力～1.8 x 1019（10億×１０億×１８）通りの数量子コンピュータの基本動作初期化: すべてのqubitを同じ値にする。ユニタリ変換：Ｎqubit の 2 N 個の重ね合わせ状態に対して並列に演算を行う。観測: 一部のqubitの値を観測する。・確率的であるのは観測だけである。・すべて重ね合わせ状態に対する演算結果を観測できる訳ではない。 Shorの因数分解アルゴリズム Peter Shor • 大きな整数の素因数分解を高速に（多項式時間で）計算 • 1994年、ベル研究所P. Shorが考案 •初めての本格的かつ実用的量子計算アルゴリズム • 古典的計算機で100億年（!）かかる 1000桁の素因数分解をわずか20分で計算公開鍵暗号と量子ｺﾝﾋﾟｭｰﾀの脅威各人が，２つの鍵を持つ一方は誰にでも公開（公開鍵）、他方は秘密（秘密鍵） Aさん施錠鍵暗号化された Aのﾒｯｾｰｼﾞ 1024 bit RSA 160 bit 楕円曲線暗号 Aのﾒｯｾｰｼﾞ公開古典ｽｰﾊﾟｰｺﾝﾋﾟｭｰﾀ素因数分解計算に１００億年かかる解錠鍵 Bさん Aのﾒｯｾｰｼﾞ秘密公開鍵暗号と量子ｺﾝﾋﾟｭｰﾀの脅威各人が，２つの鍵を持つ一方は誰にでも公開（公開鍵）、他方は秘密（秘密鍵）施錠鍵 Aさん暗号化された Aのﾒｯｾｰｼﾞ号暗の在 1024 bit RSA 160 bit 楕円曲線暗号 Aのﾒｯｾｰｼﾞ現古典ｽｰﾊﾟｰｺﾝﾋﾟｭｰﾀ素因数分解計算に１００億年かかる壊解錠鍵崩 Bさんが系体公開 Aのﾒｯｾｰｼﾞ秘密素因数分解計算により２０分で Get ! 量子コンピュータ 1000 ｷｭｰﾋﾞｯﾄ古典コンピュータとの比較古典コンピュータ量子コンピュータ情報単位 bit qubit bitの取る値０または1 |0>と|1>の重ね合わせ演算の枠組みブール代数ユニタリ変換 1bit基本演算 NOT 回転 2bit基本演算 ANDまたはOR 制御NOTまたはSWAP 並列度 N 2N 基本演算の実現回路 qubitの時間変化区別無し区別ありプログラムとデータ様々なqubit実現法コヒーレンス時間(秒）溶液NMR 10 2 線形光学素子 10 -4 光共振器 10 -2 イオントラップ 10 8 超伝導体 10 -6 量子ドット 10 -3 Si中の核スピン 10 3 ゲート操作時間(秒）現状 -3 ７ビットのアルゴリズム -10 ３ビットのアルゴリズム 10 -6 ２ビットのゲート操作 10 -5 8ビットのゲート操作 10 -10 ２ビットのゲート操作 10 -10 10 10 10 -6 １ビット提案試作中富士通が提案している量子ビット演算用ドット主ドット Ec 待機時光パルス必要な光パルスのエネルギー、時間、間隔は、ドットの大きさ、その間隔により変化する演算時 Cell A Cell B SWAP ドットの大きさと位置を正確に制御して作製する技術が必要作製された量子ドット 60nm 現在の問題ドット内の電子の寿命が短い。作製条件を最適化し、品質向上を図りたい。主ドット演算ドット高さ直径 1.5 nm 30 nm 1.2 nm 20 nm 古典通信情報の盗聴・改竄古典通信 1 Eve 光子の束に1, 0の情報を付与して送信 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 Bob 通常の光検出器で光子(群)の有無を検出 Beam-splitting attack Alice • 古典通信では、Eveによる盗聴・改竄を検知することは不可能 • 情報が公開鍵で暗号化されていた場合でも、量子コンピュータの前には無力（多項式時間で解読可能）量子暗号通信量子暗号伝送路上でAliceからの情報を ‘盗聴’ 観測により光子の量子状態変化 Eve Bob 検出した情報を光子に付与して再送単一光子検出器で光子の状態を検出 Beam-splitting attack Alice 単一光子に1,0の情報を（偏光などに）付与して暗号鍵を配送古典通信路により照合（基底の開示）盗聴検知量子暗号通信ネットワークの概念安全な秘密鍵を指定されたノードに供給光通信事業が成長したように10年スケールで、新デバイス＋新システム＋新NW 市場が現れる可能性対象ノード政府機関銀行病院等既存のNWと独立した量子通信NWを構築単一光子で秘密鍵を伝送単一光子発生器の重要性現段階での問題点と解決法単一光子発生器が出発点 • • • 真の量子暗号を実現速度向上：速度が10-300倍量子中継、量子ゲート、多光子エンタングルへ発展量子ドットを用いた開発 •量子デバイスの有力候補 •富士通の差別化技術 Number of secure bit / pulse 1. 速度が遅い数bps ：擬単一光子(Laser)が原因→単一光子 2. 距離が限定< 100km ：量子中継器で解決 3. 機能が限定（一対一）：量子ゲート、多光子量子エンタングル技術で解決 Single Photon 10-1 10-3 300倍 10-5 Laser 10-7 0 40 80 120 Distance (km) １００ｋｍ伝送条件での見積もり量子暗号に重要なデバイス単一光子発生器：量子ドットで光子を一つずつ発生電子単一光子再結合量子ドット (QD:quantum dot) 正孔 (ホール) 複数光子の放出が無い光パルスの空撃ちをしなくて良い →通信速度向上長距離でレーザーの400倍以上の高速化が可能単一光子発生器の開発が量子暗号実用化への重要なポイント量子情報/ナノ量子エレクトロニクス研究開発量子ドットを用いた単一光子発生素子開発 05年：1.55μm単一光子発生に世界で初めて成功 06年：高効率単一光子発生素子試作 2008年度量子暗号通信用単一光子発生装置の開発東大ナノ量子情報エレクトロニクス連携研究拠点への期待各要素技術を融合し量子暗号ネットワークと量子計算機の実現へ量子ドット研究開発の位置づけ ’70 ’90 ’80 量子井戸（ナノサイズ薄膜）断面写真 GaAs AlGaAs BSアンテナ数ﾅﾉﾒｰﾀｰ表面写真発光断面写真数ﾅﾉﾒｰﾀｰ InAs GaAs 100nm ﾅﾉﾒｰﾀ：１０億分の１ﾒｰﾄﾙ実用化製品量子ドット（ナノサイズ粒子）富士通先行技術電子電子 10nm ’10 ’00 ・HEMT（低雑音・高速ﾄﾗﾝｼﾞｽﾀ）・量子井戸ﾚｰｻﾞｰ（通信用光源）量子ドット実用化研究 1. 量子ﾄﾞｯﾄﾚｰｻﾞｰ（高性能・低価格） →量子井戸ﾚｰｻﾞｰの置き換え 2. 量子ドット高速光ｽｲｯﾁ（低消費電力） →ペタフロップスコンピュータ応用量子ドット基礎研究ﾚｰザﾓｼﾞｭｰﾙネットワーク 1. 量子暗号用光源→完全ｾｷｭﾘﾃｨ 2. 量子ｺﾝﾋﾟｭｰﾀ→100億倍高速計算 3. ﾅﾉﾃｸ・CMOS融合→光情報処理東大荒川教授との産学連携研究ﾅﾉﾃｸﾉﾛｼﾞｰ研究ｾﾝﾀｰのご紹介２０００年１２月に設立ボトムアップ・バイオ融合のナノテクナノの世界の量子効果利用ナノの世界の量子効果利用光通信用次世代ﾃﾞﾊﾞｲｽ開発光通信用次世代ﾃﾞﾊﾞｲｽ開発量子ドット光通信用ﾃﾞﾊﾞｲｽの開発新しい電子ナノ材料の開発新しい電子ナノ材料の開発 LSI技術にﾌﾞﾚｰｸｽﾙｰ LSI技術にﾌﾞﾚｰｸｽﾙｰｶｰﾎﾞﾝﾅﾉﾁｭｰﾌﾞのｴﾚｸﾄﾛﾆｸｽ応用ナノとバイオを融合ナノとバイオを融合新規市場の創生新規市場の創生温度無依存ﾚｰｻﾞｰ/多波長一括光アンプ量子通信用光源（→量子コンピュータ） LSI配線トランジスタ（ポストCMOS) ﾌﾟﾛﾃｲﾝﾁｯﾌﾟと人工抗体の開発ﾍﾙｽｹｱｰﾈｯﾄﾜｰｸｻｰﾋﾞｽ市場の開拓新規ビジネスへの展開医療・健康社会における問題点高齢化・少子化社会の到来 1999年医療費が30兆円を越え、その50%が65歳以上 2006年少子化により総人口が減少開始 2015年 65歳以上が総人口の1/4に医療現場の問題点医療費（対ＧＤＰ）は約7.5%で世界18位。病床数（対人口）は欧米の3倍。 →ある程度のレベルの医療の低コストでの実現 →1ベッドあたりの医師・看護婦数米国の1/6。 →医療の質の低下。医療不信。健康管理、予防医学、臓器障害、リハビリ、介護のすべてを網羅。高齢者の入院期間は長期。 →医療費の増大。公的負担の破綻。疾患マーカー検出ユニットの開発疾患マーカー検出ユニット吸引 1cm 無痛針無痛針標的たんぱく候補バルブ PSA：前立腺がん液溜めﾌﾞﾗﾃﾞｨｵﾝ：大腸がん参照電極ｺｰﾄたんぱく： SARS/HIV PET たんぱく検出部～5 nm 標的たんぱく分子（＜ 1 ag (10 -18g)) 電荷発生あるいは蛍光抗体マーカー～10 nm 標的たんぱく分子の認識と結合ﾅﾉﾜｲﾔﾄﾗﾝｽﾃﾞｭｰｻｰ結合を検知し外部信号を発生 (ミュンヘン工科大学と分担研究 ) SOI 電気信号増幅処理部 PSA: Prostate Specific Antigen SARS: Severe Acute Respiratory Syndrome HIV: Human Immunodeficiency Virus 14 d Quantum Yield, x100 ﾅﾉﾜｲﾔｰﾄﾗﾝｽﾃﾞｭｰｻからの光信号 4 2 0 ΔF 0 5 10 z (nm) Distance,d (nm) たんぱく検出への応用 The structure enables detection of specific protein binding 修飾アプタマー（人工抗体）の開発 12種のRiで修飾された塩基から二量体を合成 Ri 2量体×20 (ﾗﾝﾀﾞﾑ重合) NH2 N P iO N 修飾ｱﾌﾟﾀﾏｰのﾗｲﾌﾞﾗﾘ化 ● ▲ ▼ ◆ ▲ ● ■ ▲ ▼ ▲ ★ ◆ ★ O ▼ ▲ ◆ O ■ ★ 修飾ｱﾌﾟﾀﾏｰを選別ｱﾌｨﾆﾃｨ選別 ● ● ★ 側鎖情報を再現 PCR ▲ ■ ▲ ● ▲ OPi 1022種 A:アデニン G:グアニン ▼ ◆ ■ ■ ★ ▲ ● ▼ ▲ ■ ★ 特性改善,新抗体設計ﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸ C：シトシン T:チミン＋側鎖Ri 12種類塩基・側鎖配列決定側鎖の改良と二量体最適化 BioServer DB 配列情報特性情報 Ri:アミノ酸が有している側鎖から選択 18 人に優しい医療健康ネットワーク健康監視日常生活を送りながら病態を定期的に監視・がん転移懸念者・ｳｨﾙｽ性肝炎者・糖尿病懸念者、等危機管理・SARS ・MRSA、等地域病院通院 & 遠隔検診診療支援専門病院感染症への緊急監視体制政府／保健所緊急対応倉庫応急検査ナノテクで何が出来るのか？１．トップダウンナノテクノロジー、新ナノ材料（CNTなど）の採用・半導体LSIの更なる高速化、低消費電力化あらゆる産業に波及（サーバー、ロボット、ディジタル家電、車）２．量子ドットを利用したデバイスの開発・光通信デバイスの高速化、高機能化、低価格化、低消費電力化次世代ネットワーク構築のためのキーデバイス・量子情報通信の実現量子暗号通信による、セキュアーなネットワーク実現量子コンピュータによる高度の情報処理実現３．ナノバイオデバイスの開発・人工抗体→新たな創薬・試薬ビジネスに発展・たんぱくチップ→健康管理・危機管理ﾈｯﾄﾜｰｸｻｰﾋﾞｽの実現 All Rights Reserved, Copyright (C) Fujitsu Laboratories Ltd, 2006