調査結果のポイント

第1章　量子コンピューティング

量子コンピューティング
複数の方式が出揃い、クラウドサービスも幾つか始まったことで、いよいよ実用化をにらんだ準備段階に突入

1．量子コンピューター登場の衝撃！
2．量子コンピューターと古典コンピューターの違い
3．AI時代の量子コンピューター
4．量子コンピューティングの市場規模予測
　　図・表1-1．量子コンピューターの国内およびWW市場規模予測
　　（金額：2020-2045年予測）
5．量子コンピューティングのワールドワイド動向
　　5-1．米国
　　5-2．欧州
　　5-3．中国
　　5-4．日本
6．量子コンピューティングに関連する企業・研究団体の取組動向
　　6-1．MDR株式会社
　　　図1-1．量子コンピューターを用いたMDRのソリューションの模式図
　　6-2．学校法人慶應義塾大学
　　　図1-2．「IBM Q Network 慶應Hub」の建屋内部
　　6-3．株式会社デンソー
　　6-4．国立大学法人東京大学／国立研究開発法人理化学研究所
　　　図1-3．3量子ビットを擁する半導体量子ドット試料（左）と
　　　量子エンタングルメント生成メカニズム（右）
　　6-5．学校法人東京理科大学／国立研究開発法人理化学研究所
　　　図1-4．単光子源と等価回路図
　　　（1）NEDO
　　　（2）JST/CREST
　　6-6．日本電信電話株式会社（NTT）／国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）
　　　図1-5．QNNマシンの外観
　　　図1-6．QNNの概念を示した模式図
　　　図1-7．QNNと古典スーパーコンピューターとの性能比較
　　6-7．野村ホールディングス株式会社（野村HD）
　　6-8．株式会社日立製作所
　　　図1-8．CMOSアニーリングマシンの外観と内部
　　　図1-9．スケーラブルなFPGA間接続
　　　図1-10．古典コンピューターとの性能比較例
　　　図1-11．都市交通最適化シミュレーションの実行例
　　6-9．富士通株式会社
　　6-10．D-Wave Systems, Inc.（カナダ）
　　6-11．Google Inc.（米国）
　　6-12．Intel Corporation（米国）
　　6-13．International Business Machines Corporation（IBM）（米国）
　　6-14．Microsoft Corporation（米国）
7．量子コンピューティングの将来展望

第2章　量子計測･センシング

量子計測・センシング
量子力学的な効果を利用することで、従来技術を凌駕する高感度な
計測・センシング技術が得られ、幅広い用途への応用展開が想定

1．量子計測・センシングとは
2．量子計測・センシングはハイブリッド科学である！
3．量子計測・センシングとIoTスマート社会
4．量子計測・センシングの個別動向
　　4-1．ダイヤモンドNVセンター
　　4-2．量子慣性センサー
　　4-3．量子レーダー
　　4-4．量子コンパス
　　4-5．光格子時計
　　4-6．量子画像センサー
5．量子計測・センシングの市場規模予測
　　図・表2-1．量子計測・センシングの国内およびWW市場規模予測
　　（金額：2020-2045年予測）
　　図・表2-2．量子計測・センシングの需要分野別国内市場規模予測
　　（金額：2020-2025年予測）
6．量子計測・センシングに関する企業・研究機関の取組動向
　　6-1．国立大学法人京都大学
　　6-2．国立研究開発法人産業技術総合研究所（産総研）
　　6-3．学校法人玉川学園玉川大学／光・量子情報技術研究所
　　　図2-1．量子レーダーカメラの構成モデル
　　　図2-2．エラーなし超高感度位相シフトセンサーの模式図
　　6-4．国立大学法人筑波大学
　　6-5．TDK株式会社
　　6-6．国立大学法人電気通信大学
　　　図2-3．アトムチップとアトムチップを用いた原子導波路の模式図
　　　図2-4．光パルスを用いたAIの模式図
　　6-7．国立大学法人東京工業大学
　　6-8．国立大学法人東京大学
　　6-9．国立大学法人東北大学
　　6-10．日本電信電話株式会社（NTT）
　　　図2-5．NTTが作製した超伝導磁束量子ビットの構造
　　　図2-6．NTTが作製した超伝導量子回路を用いた局所ESR測定の模式図
　　　図2-7．ESRスペクトルのシミュレーションと実験結果
　　6-11．国立研究開発法人理化学研究所
7．量子計測・センシングの将来展望

第3章　量子イメージング

量子イメージング
量子ビーム情報を用いたイメージングプラットフォームの構築が、量子イメージングのアプリケーションを広げる一方、光子イメージングは量子光学の新分野を形成しつつある

1．量子イメージングとは
2．量子イメージングの種類
　　2-1．量子リソグラフィー
　　2-2．量子エンタングルメント光子対イメージング
　　2-3．量子状態イメージング
　　2-4．中性子イメージング
3．量子イメージングの応用分野
　　3-1．ライフサイエンス
　　3-2．材料科学
　　3-3．工業
　　3-4．素粒子科学・宇宙科学
4．量子イメージングの市場規模予測
　　図・表3-1．量子イメージングの国内およびWW市場規模予測
　　（金額：2020-2045年予測）
　　図・表3-2．量子イメージングのカテゴリー別国内市場規模予測
　　（金額：2020-2045年予測）
　　図・表3-3．量子イメージングの用途分野別国内市場規模予測
　　（金額：2020-2045年予測）
5．量子イメージングに関する企業・研究機関の取組動向
　　5-1．国立大学法人京都大学
　　5-2．学校法人慶應義塾大学
　　5-3．国立研究開発法人産業技術総合研究所（産総研）
　　　図3-1．光子顕微鏡の概略図
　　　図3-2．（a）光学顕微鏡（カラーCMOSカメラ）と（b）光子顕微鏡で撮影した画像
　　5-4．国立大学法人東京工業大学
　　5-5．国立大学法人東京大学
　　　図3-3．Zero-mode waveguideによるタンパク質相互作用の解析法
　　　図3-4．アンチセンスプローブを用いたCOS7細胞内mRNAの蛍光イメージング
　　　図3-5．蛍光ポリマー温度センサーを用いた
　　　生きた単一COS7細胞内の温度イメージング
　　5-6．国立大学法人東京農工大学
　　5-7．国立大学法人東北大学
　　5-8．国立大学法人名古屋大学／国立研究開発法人日本医療研究開発機構
　　　図3-6．ZZCによるマウス臓器（肺：左、肝臓：右）内の移植幹細胞イメージング
　　5-9．国立研究開発法人理化学研究所
　　5-10．国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構（QST）
　　　図3-7．PETの原理（左）とさまざまな応用（右）
　　　図3-8．抗うつ薬による脳内セロトニントランスポーターの遮断を示すイメージング
　　5-11．学校法人早稲田大学
6．量子イメージングの将来展望

第4章　量子シミュレーション

量子シミュレーション
量子多体系シミュレーションは、古典コンピューターでは
計算できないような複雑な現象を解明する有用な手段として活用が期待

1．量子シミュレーションとは
2．量子シミュレーションは、古典コンピューターと量子コンピューターの橋渡しとなる！
3．量子シミュレーションの方式
　　3-1．冷却原子方式
　　3-2．超伝導量子ビット方式
　　3-3．イオントラップ方式
　　3-4．線形光学素子方式
　　3-5．パラメトリック発振器方式
4．量子シミュレーションの市場規模予測
　　図・表4-1．量子シミュレーションの国内およびWW市場規模予測
　　（金額：2020-2045年予測）
　　図・表4-2．量子シミュレーションの方式別WW市場規模予測
　　（金額：2020-2045年予測）
5．量子シミュレーションに関連した企業・研究機関の取組動向
　　5-1．国立大学法人大阪大学
　　5-2．国立大学法人京都大学
　　　図4-1．光格子実験の概要を模式的に示した図
　　5-3．学校法人近畿大学
　　5-4．国立大学法人電気通信大学
　　　図4-2．マイクロ光トラップアレー中の単一Rb原子の蛍光像
　　　図4-3．量子スピン系の量子シミュレーション
　　5-5．国立大学法人東京大学
　　5-6．国立大学法人東北大学
　　5-7．国立大学法人名古屋大学
　　5-8．国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（原子力機構）
　　　図4-4．高温超伝導体の電子状態を例にした従来の量子多体系シミュレーション
　　　図4-5．機械学習を適用して高速化した新しい量子多体系シミュレーション
　　5-9．日本電信電話株式会社（NTT）
　　5-10．国立研究開発法人物質・材料研究機構（NIMS）
　　　図4-6．第一原理シミュレーションによる水溶媒中のDNAのスナップショット構造
　　5-11．大学共同利用機関法人自然科学研究機構（NINS）分子科学研究所
　　　図4-7．超高速シミュレーション実験装置の概略
　　5-12．国立研究開発法人理化学研究所
　　　図4-8．冷却原子実験に用いられた実験装置
　　　図4-9．光格子を用いたさまざまなアプリケーションの可能性
　　5-13．国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構（QST）
6．量子シミュレーションの将来展望

第5章　量子通信・暗号

量子通信・暗号
無力化の危機に直面する現在の暗号システムに必須な技術
量子暗号通信が確立すれば通信の安全性は飛躍的に高まることに

1．量子通信・暗号とは
2．量子通信
3．量子暗号
4．量子耐性暗号
5．量子通信・暗号に関する海外動向
　　5-1．米国
　　5-2．中国
　　5-3．日本
6．量子通信・暗号の市場規模予測
　　図・表5-1．量子通信・暗号の国内およびWW市場規模予測
　　（金額：2020-2045年予測）
　　図・表5-2．量子通信・暗号のアプリケーション別国内市場規模予測
　　（金額：2020-2045年予測）
7．量子通信・暗号に関連した企業・研究機関の取組動向
　　7-1．国立大学法人大阪大学
　　　図5-1．冷却原子メモリーと通信波長光子の量子ネットワークの概要
　　7-2．国立大学法人京都大学
　　　図5-2．制御スワップ実験装置の概念を示した模式図
　　　図5-3．制御スワップ実験装置の実物写真
　　7-3．国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT）
　　　図5-4．公開鍵暗号の変遷と格子暗号の位置づけ
　　　図5-5．格子暗号の概念を示した模式図
　　7-4．学校法人玉川学園／玉川大学
　　　図5-6．光強度変調の構成と動作例：
　　　（a）提案手法の構成、
　　　（b）2値粗密変調の光強度波形動作例、
　　　（c）2値粗変調＋4値密変調の光強度波形動作例
　　　図5-7．2の14乗 (=16,384)の光強度を持つ10Gb/s Y-00暗号発生の様子
　　　図5-8．量子エニグマ暗号トランシーバーのネットワーク応用実証実験
　　　（上）HD映像のリアルタイム配信実験、
　　　（下）通信障害復旧を想定した経路切替実験
　　7-5．国立大学法人東京大学
　　7-6．国立大学法人東京農工大学
　　7-7．株式会社東芝
　　7-8．国立大学法人東北大学
　　　図5-9．ダイヤモンド中のNVセンターを用いた無偏光単一光子発生の模式図
　　　図5-10．単一NVセンターから発生する単一光子の動的無偏光性の評価結果
　　7-9．日本電信電話株式会社（NTT）
　　　図5-11．公開鍵暗号に必要な機能
　　　図5-12．改竄検知のためのアプローチ
　　　図5-13．既存の改竄検知機能と新提案の改竄検知機能の違い
　　7-10．株式会社日立情報通信エンジニアリング
　　　図5-14．物理層を保護してデータ流出を防止するY-00暗号の効果
　　　図5-15．Y-00方式適用による高セキュアな典型的ネットワーク構成イメージ例
　　　図5-16．商用回線を用いたY-00長期伝送実験および盗聴デモンストレーション
　　7-11．国立大学法人横浜国立大学
　　7-12．学校法人早稲田大学
8．量子通信・暗号の将来展望～量子インターネット実現の可能性～

第6章　量子スピントロニクス

量子スピントロニクス
電子・情報通信産業のイノベーションを創成する最新の学術分野
量子コンピューターの量子ビット形成も提案

1．量子スピントロニクスとは
2．注目される量子スピントロニクス
3．量子スピントロニクスの応用分野
　　3-1．量子分子スピントロニクス
　　3-2．スピン不揮発メモリー
　　3-3．スピンFET
　　3-4．スピン光メモリー
　　3-5．スピン量子コンピューター
4．量子スピントロニクスの市場規模予測
　　図・表6-1．量子スピントロニクスの国内およびWW市場規模予測
　　（金額：2020-2045年予測）
　　図・表6-2．量子スピントロニクスの用途分野別国内市場規模予測
　　（金額：2020-2045年予測）
5．量子スピントロニクスに関連する企業・研究機関の取組動向
　　5-1．国立大学法人京都大学
　　5-2．国立研究開発法人産業技術総合研究所（産総研）
　　5-3．国立大学法人筑波大学
　　　図6-1．傾斜磁場を用いたスピン操作の模式図
　　5-4．国立大学法人東京大学
　　　図6-2．実験のセットアップの模式図（左）と、核スピン波の概念図（右）
　　5-5．学校法人東京理科大学
　　　図6-3．抵抗変化デバイスの構造の模式図
　　　図6-4．Li4SiO4/Fe3O4/MgO界面のTEM像
　　　図6-5．Fe3O4へのLiイオンの挿入量を変えたときの磁化-磁場曲線の変化
　　5-6．国立大学法人東北大学
　　　図6-6．東北大学のスピントロニクスに関する包括的な取組み概要
　　5-7．国立研究開発法人日本原子力研究開発機構（JAEA）
　　　図6-7．フェリ磁性体の磁気と角運動量
　　5-8．国立大学法人北海道大学
　　　図6-8．半導体スピン注入を用いたスピン機能デバイスの模式図
　　　図6-9．非局所4端子測定法の模式図
　　5-9．国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学（JAIST）
　　5-10．国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構（QST）
　　　図6-10．スピン偏極He原子ビームによるスピン検出の原理を示した模式図
　　　図6-11．グラフェンとYIGの接合における電子スピン間の相互作用を示す概念図
6．量子スピントロニクスの将来展望

第7章　量子フォトニクス

量子フォトニクス
パラダイムシフトを実現する可能性がある
革新的な技術の一つとして注目が集まる

1．量子フォトニクスとは
2．重要な量子フォトニクス・ツールとしてのフォトニック結晶
3．さらに量子フォトニクスの幾つかの際立った技術
　　3-1．量子ドット
　　3-2．量子カスケードレーザー
　　3-3．光量子メモリー
　　3-4．量子ナノフォトニクス
4．量子フォトニクスの市場規模予測
　　図・表7-1．量子フォトニクスの国内およびWW市場規模予測
　　（金額：2020-2045年予測）
5．量子フォトニクスに関する企業・研究機関の取組動向
　　5-1．国立大学法人京都大学
　　5-2．国立大学法人神戸大学
　　　図7-1．半導体の量子構造を利用した高性能光デバイスの作製模式図と実験装置
　　5-3．国立大学法人電気通信大学
　　　（1）ナノファイバー共振器組込：直接書込み法
　　　図7-2．
　　　（a）フェムト秒レーザーによるナノファイバーブラッググレーティング加工法概略
　　　（b）直径600nmのナノファイバー上に加工されたブラッググレーティングのSEM画像
　　　（2）ファイバーインライン高効率単一光子発生
　　　図7-3．（a）コンポジットナノファイバー共振器による単一光子発生システム概念図
　　　（b）コンポジットナノファイバー共振器/単一量子ドットにより
　　　ファバーモード中に放出された単一光子列のスペクトル
　　5-4．国立大学法人東北大学
　　　図7-4．ヘテロジニアスSiフォトニクス/ドット波長可変レーザーの外観
　　5-5．技術研究組合光電子融合基盤技術研究所（PETRA）
　　　図7-5．「超低消費電力型光エレクトロニクス実装システム技術開発」
　　　プロジェクトの概要
　　5-6．国立研究開発法人物質・材料研究機構（NIMS）
　　　図7-6．実験に用いた分子線エピタキシー装置
　　　図7-7．液滴エピタキシー法で形成されたGaAs量子ドット
　　　図7-8．エンタングルメント光子対の計測装置、
　　　凍機に置かれた単一の量子ドットの発光を対物レンズで集光する
　　5-7．国立研究開発法人理化学研究所
6．量子フォトニクスの将来展望

第8章　量子ナノ構造

量子ナノ構造
天然のナノ構造体であるグラフェンやカーボンナノチューブなどを
活用する方法も注目されている！

1．量子ナノ構造
2．量子ナノ構造の事例
　　2-1．量子ドット
　　2-2．高効率太陽電池
　　2-3．高発光効率発光ダイオード
3．量子ナノ構造の応用分野
　　3-1．エレクトロニクス
　　3-2．情報通信
　　3-3．ライフサイエンス
　　3-4．エネルギー
4．量子ナノ構造デバイスの市場規模予測
　　図・表8-1．量子ナノ構造デバイスの国内およびWW市場規模予測
　　（金額：2020-2045年予測）
　　図・表8-2．量子ナノ構造デバイスの応用分野別国内市場規模予測
　　（金額：2020-2045年予測）
5．量子ナノ構造に関連する企業・研究機関の取組動向
　　5-1．国立大学法人大阪大学
　　5-2．国立大学法人京都大学
　　5-3．学校法人慶應義塾大学
　　　（1）Auナノワイヤーを用いた量子ドットデバイス
　　　図8-1．Auナノワイヤーを用いた量子ドットデバイス
　　　（2）単層CNTによる単一光子源
　　　図8-2．単層CNTにおける単一光子発生の模式図
　　　（3）超微細超伝導ナノワイヤーデバイス
　　　図8-3．架橋CNTを基板としたNbNナノワイヤーと熱・量子位相スリップ
　　5-4．国立大学法人埼玉大学
　　5-5．国立大学法人千葉大学
　　5-6．国立大学法人東京工業大学
　　5-7．国立大学法人東京大学
　　5-8．学校法人東京理科大学
　　　図8-4．コレステリック液晶のらせんナノ構造の模式図
　　　図8-5．フルカラーイメージングフィルムの実際の発色状況
　　　図8-6．CLEの実際の発色状況
　　5-9．国立大学法人東北大学
　　　図8-7．固体ナノ構造中の繊細な局所電子状態等の測定
　　　図8-8．半導体量子ドットを用いた量子ビットデバイス
　　5-10．国立研究開発法人物質・材料研究機構（NIMS）
　　　図8-9．（a）分子を内包したVRTTの模式図　
　　　（b）作製した試料断面の走査型トンネル電子顕微鏡像
　　　図8-10．グラフェンとhBNによって形成される超格子構造の模式図
　　　図8-11．グラフェンとhBNで作製した原子層超格子デバイスの
　　　光学顕微鏡写真（左）と模式図（右）
　　5-11．国立大学法人北海道大学
　　　図8-12．半導体量子ドットにInGaAs薄膜量子井戸をトンネル結合させた
　　　新しいハイブリッドナノ構造の模式図
6．量子ナノ構造の将来展望