2022年版 量子技術市場の現状と展望

発刊日
2022/02/14
体裁
A4 / 275頁
資料コード
C63127300
PDFサイズ
36.6MB
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調査資料詳細データ

調査概要
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調査目的:量子技術は従来、理論物理学が中心だったが、われわれの身近な製品と関連するデバイスあるいは制御などの技術として活躍している。さらに、実際の製品となって登場し始めており、今後も増加することが期待されている。この量子技術について現状と今後の動向を把握することを目的とする。
対象品目:量子シミュレーション、量子センシング、量子暗号通信、量子生命科学、量子物性、量子材料、量子AI
対象企業:上記調査対象に関連した技術・サービスに取り組んでいる企業、大学、研究機関
調査方法:弊社専門調査員による直接面談取材による
調査期間:2021年5月~2021年11月

調査結果サマリー
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量子技術に関連した技術・サービス世界市場に関する調査を実施(2021年)
量子技術に関連した技術・サービスの技術的特異点への到来が近づく見通し
~遠い未来ではなく、すぐそこにある近未来へ~

資料ポイント
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  • 技術的特異点が到来
    遠い未来ではなく、すぐそこにある近未来へ
    ○量子シミュレーション:冷却原子、超伝導量子ビット、イオントラップ、他各方式で市場を測る
    ○量子センシング:対象分野をエレクトロニクス、医学・バイオ、光学、他として見通す
    ○量子暗号通信:アプリケーションは通信、放送、検索、コンテンツ配信、他で急拡大
    ○量子生命科学:生体ナノ量子センサー、超高感度NMR、量子光イメージング、その他に類別
    ○量子物性:用途は原子・分子・ナノ物性、光量子物性、極端条件物性、その他とし示す
    ○量子材料:量子閉じ込め、超電導、量子フォトニクス、単原子層、その他材料で明示
    ○量子AI:AI、ゲート方式、アニーリング方式に画し、歩みを辿る
     
  • 前回版との違い
    量子技術の注目度が高まっていることを受け、各種量子技術のイントロダクションを中心に最先端の技術タイプを取り上げている。
     
  • 月刊誌「Yano E plus」(2021年6月号~2021年12月号)での関連特集をベースに編集、市場数値など抜粋、国内市場を細分化。

リサーチ内容

調査結果のポイント

第1章 量子シミュレーション

量子シミュレーション
  冷却原子、固体電子系と光の結合系、イオントラップなどを対象、
  量子スピンモデル問題について検証するシミュレーションが進展
 
1.量子シミュレーションとは
2.飛躍のときを迎えた量子シミュレーター
3.量子シミュレーションの手法
  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
4.量子シミュレーションの市場規模予測
    図・表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:2025-2050年予測)
    図・表2.量子シミュレーションの方式別国内市場規模予測
    (金額:2025-2050年予測)
5.量子シミュレーションに関連する企業・研究機関の取組動向
  5-1.アトス株式会社
    (1)日本への進出を果たした「Atos QLM」
    図1.Atos QLMの外観
    (2)Atos QLMの活用シーン
    図2.Atos QLMを通して得られるAtos量子プログラムの付加価値
    図3.Atos QLMの活用シーン
    図4.Atos QLMは完全なプログラミング環境と
    量子プロセッサーエミュレーターとして機能する
    (3)Atosは発展する量子コンピューティングに対応して進化していく
    図5.量子ソリューションに対応したロードマップ
  5-2.学校法人 沖縄科学技術大学院大学学園/沖縄科学技術大学院大学(OIST)
    図6.スピン軌道結合のタイプの模式図
  5-3.学校法人 近畿大学
    (1)冷却原子を用いた量子多体ダイナミクスの量子シミュレーション
    図7.急に光格子深さを下げたあとの時間発展の模式図
    図8.2次元系での非局所相関の時間発展
    図9.図9.3次元系でのエネルギー保存則、
    上段プロット:相互作用エネルギー、
    中段プロット:運動エネルギー、
    下段プロット:相互作用エネルギーと運動エネルギーの
    和、実線:数値計算結果
    (2)「近藤効果」の厳密な計算機シミュレーションに成功
    図10.(a)近藤効果における電気抵抗の温度依存性の概略図
    (b)本研究の計算結果
  5-4.学校法人 東京理科大学
    (1)ジョセフソン接合を含む超伝導量子回路の研究
    (2) 2次元パッケージが可能な超伝導集積量子回路の試作
    図11.16量子ビットの超伝導量子チップの写真
    図12.16量子ビットの超伝導量子チップの回路模式図
  5-5.学校法人 日本大学
    (1)フラストレートした量子磁性体の量子シミュレーション方法を提唱
    図13.光格子中に閉じ込められた原子気体によるシミュレーション
    図14.フラストレートした量子磁性体モデル
    図15.物質波の位相という概念を示す説明図
    波動関数が(a)では実数、(b)では実部と虚部を持つ複素数
    図16.正の絶対温度を示す模式図
    図17.負の絶対温度を示す模式図
    (2)3色の量子気体を用いた人工的な磁石における新たな量子磁気現象を発見
    図18.磁性体へのキャリアドープ
    (a)は通常の電子系物質の場合、(b)は4色の人工物質の例
  5-6.国立大学法人 北海道大学
    (1)複雑な触媒反応の本質
    図19.研究室内の計算用コンピューター群
    (2)担持金属触媒の反応メカニズム
    図20.SiO2担持Pt触媒によるC2H4の完全酸化反応機構のモデル
    (3)二酸化炭素固定化触媒の反応メカニズム
    図21.第4級アンモニウム塩触媒や、
    ポルフィリンと組み合わせた二官能性触媒によるCO2変換メカニズム
6.量子シミュレーションの将来展望

第2章 量子センシング

量子センシング
  量子特性制御・操作・観測する量子要素技術と、
  周囲環境から受けた影響を感知する技術が対象、早期実現が期待
 
1.量子センシングとは
2.注目される量子センシングのトピックス
  2-1.ダイヤモンドNVセンター
  2-2.量子慣性センサー
  2-3.量子もつれ光センサー
  2-4.光格子時計
  2-5.量子スピントロニクスセンサー
3.量子センシングの市場規模予測
    図・表1.量子センシングの国内およびWW市場規模予測
    (金額:2025-2050年予測)
    図・表2.量子センシングの分野別国内市場規模予測
    (金額:2025-2050年予測)
4.量子センシングに関するワールドワイド研究開発動向
  4-1.海外
  4-2.日本
    (1)国家プロジェクトとして動き出した量子センシング
    (2)Q-LEAP「固体量子センサの高度制御による
    革新的センサシステムの創出」プロジェクト
    図1.Q-LEAP 量子計測・センシング技術領域全体の体制
    図2.量子固体Flagshipプロジェクト 基礎基盤研究の概要
    (3)「量子技術イノベーション戦略」における
    「量子技術イノベーション拠点」の一つとしての
    「量子センサ拠点」
5.量子センシングに関連する企業・研究機関の取組動向
  5-1.国立大学法人 九州大学
    図3.渦電流探傷試験の原理
    図4.HTSコイルを用いた渦電流探傷試験と従来技術との比較
    図5.HTSコイルを用いた渦電流探傷装置の実物写真
    図6.HTSコイルを用いた渦電流探傷装置の回路図
    図7.板厚と抵抗変化の関係
  5-2.国立大学法人 京都大学
    (1)光子の量子もつれ状態検証の著しい効率化に成功
    図8.量子もつれ状態の検証に必要な測定回数を著しく減少させた検証方法
    図9.実験装置の模式図
    (2)新規単一光子源「六方晶窒化ホウ素」からの光子の射出方向を解明
    図10.光方向のイメージ図 (a)変更芳香(矢印)が一定の直線偏光ビーム、
    (b)ビームの中心から放射状の偏光を持つビーム(ラジアル偏光ビーム)、
    (c)ビームの円周方向の偏光を持つビーム(アジマス偏光ビーム)
    図11.放射状の偏光を持つビーム(左側)と円周方向の偏光を持つ
    ビーム(右側)で励起した場合の蛍光イメージの計算結果、
    矢印の向きはビームの光軸と垂直な面内での電気双極子の向きを表わす
    図12.実験装置の模式図
    図13.電気双極子方向の推定結果
  5-3.国立大学法人 電気通信大学
    図14.冷却原子を用いた量子慣性センサーの原理を示した模式図
    図15.可搬型量子慣性センサーの小型センサーヘッド部分
    図16.飛行時間法(TOF)による冷却原子の温度の評価
    図17.光ファイバーレーザーおよびファイバー光学系を用いた
    小型可搬型のRb原子のレーザー冷却用光源
  5-4.国立大学法人 東京工業大学
    (1)ダイヤモンドNVセンターの特長
    図18.ダイヤモンドNVセンターに対する外部からの働きかけと応答
    図19.ダイヤモンドNVセンターのセンシング原理
    (2)スケーラブルなセンシング
    (3)ヘテロエピタキシャル結晶成長
    (4)超高感度固体量子センサー
  5-5.国立大学法人 東京大学(1)
    (1)精度を究極まで突き詰めると「秒」の再定義
    図20.時計精度の変遷
    (2)光格子時計の原理
    図21.光格子時計の原理
    (3)時計で高さを計る
    図22.光格子時計を使った高さの測定
    (4)小型化の課題
    図23.コンパクト化した光格子時計
  5-6.国立大学法人 東京大学(2)
    (1)SRSの原理
    図24.SRSの原理を示した模式図
    (2)SRS 顕微鏡の原理と特長
    図25.SRS顕微法の原理を示した模式図
    (3)SRS顕微鏡の感度の量子増強法
    図26.量子増強の原理
6.量子センシングの将来展望

第3章 量子暗号通信

量子暗号通信
  量子コンピューター時代においても、情報を安全に送受信可能になるよう、
  量子暗号通信のネットワーク技術を確立することが急務
 
1.量子暗号通信とは
2.広域量子暗号通信ネットワークの確立
3.量子暗号通信の技術課題
  3-1.量子鍵配信(QKD)
  3-2.トラステッドノード技術
  3-3.量子暗号通信リンク技術
  3-4.量子中継技術
  3-5.広域ネットワーク関連技術
4.量子暗号通信の市場規模予測
  図・表1.量子暗号通信の国内およびWW市場規模予測(金額:2025-2050年予測)
  図・表2.図・表2.次世代暗号通信のアプリケーション別国内市場規模予測
  (金額:2025-2050年予測)
5.量子暗号通信に関連する企業・研究機関の取組動向
  5-1.国立大学法人 大阪大学
    (1)「全光」で量子中継の原理検証実験に成功
    図1.全光量子中継の実験装置
    図2.全光量子中継の概念図
    図3.今回の実験概要:生存した光子の量子状態が3光子グラフ状態の残りの
    光子に量子テレポーテーションされることにより損失耐性付
    量子テレポーテーションが実現
    (2)単一共鳴構成の二次非線形光導波路共振器からの1,000モードを超える
    周波数多重光子対の形成
    (3)ムーンショット型研究開発事業「ネットワーク型量子コンピュータによる
    量子サイバースペース」
  5-2.国立大学法人 静岡大学
    (1)セキュアな量子ネットワーク符号の特長
    (2)マルチプル・ユニキャスト方式としての量子ネットワーク符号
    図4.通信プロトコルの種類 (左)ユニキャスト(1:1)方式、
    (中)マルチキャスト(1:複数)方式、
    (右)マルチプル・ユニキャスト(複数:複数)方式
    図5.(左)秘匿性を持たない量子ネットワーク符号
    (右)秘匿性を持つ2つの量子ネットワーク符号、c,dは古典的な秘密鍵、
    古典ネットワークではb0, b1が入力であるのに対し、
    量子ネットワークでは異なる
    b0, b1の値に対する任意の重ね合わせ状態が入力となる
    (3)量子ネットワーク符号とQKDとの比較
    図6.任意の1つのエッジに対する攻撃に対して秘匿性を持つ
    量子ネットワーク符号の例、sは古典的な秘密鍵、
    量子ネットワークへの入力はi1, i2,…,in-1,inに対する
    任意の重ね合わせ状態である
  5-3.学校法人 玉川学園/玉川大学
    図7.Y-00暗号トランシーバー(強度変調方式)を用いた1,000km伝送実験、
    (上)実験構成、(下)伝送前と1,000km伝送後のY-00暗号信号の波形
    図8.Y-00暗号トランシーバー応用:セキュア光無線通信
    図9.40Gbpsデジタルコヒーレント位相変調Y-00暗号の10,118km伝送の実験構成
    図10.粗密光位相ランダマイズ法を実現するIQ変調器の構成
  5-4.国立大学法人 富山大学
    (1)量子暗号の安全性に関する考え方
    (2) QKDの不完全による通信距離減少を防ぐ新理論を提案
    図11.QKD送受信システム例
    図12.変調エラーδの値に対する鍵生成率の距離依存性
    (左)従来の安全性理論(GLLP)による鍵生成率、
    (右)玉木研究室らが考案した新安全性理論による鍵生成率
    図13.任意の情報漏れが存在する下での暗号鍵生成率の減衰率依存性
  5-5.日本電気株式会社(NEC)
    (1)量子暗号技術に関するNECの取組
    図14.量子暗号の仕組み
    図15.広域での鍵共有ネットワークの模式図
    (2)NECのQKD方式
    図16.一般的なQKD方式:BB84方式
    図17.NECが学習院大学と共同で研究開発を進めているCV-QKD方式
    (3)実証事例
    図18.有線暗号通信への適用
    図19.暗号化通信ネットワーク
    図20.生体認証データの秘匿伝送システム
    図21.医療分野向けの実証検証
    図22.金融分野向けの実証検証
  5-6.古河電気工業株式会社(古河電工)
    図23.多ノード一括接続中継の模式図
    図24.ダイヤモンドNVセンターを用いた複数回可能な量子中継の模式図
  5-7.国立大学法人 北海道大学
    (1)SIP:「光・量子を活用したSociety 5.0 実現化技術」のうちの
    「光・量子通信」(2018-2022年)
    図25.デバイスの特性検証における主要チェックポイント
    (2)科研費:「百年以上の超長期秘匿性を保証する
    情報通信ネットワーク基盤技術」(2018-2022年)
    図26.長距離QKDのシミュレーション結果
    (3)総務省:「グローバル量子暗号通信網構築のための研究開発」(2020-2024年)

第4章 量子生命科学

量子生命科学
  生体分子を量子レベルの集合体としてとらえ、量子力学を基盤に
  生命全般の根本原理を明らかにする事を目指す量子生命科学の登場
 
1.量子生命科学とは
2.量子生命科学の注目分野
  2-1.生体ナノ量子センサー
  2-2.超高感度MRI/NMR
  2-3.量子論的生命現象の解明・模倣
3.量子生命科学の市場規模予測
    図・表1.量子生命科学の国内およびWW市場規模予測
    (金額:2025-2050年予測)
    図・表2.量子生命科学の用途別国内市場規模予測
    (金額:2025-2050年予測)
4.国家プロジェクトとして動き出した量子生命科学
  4-1.量子生命科学の誕生
    図1.従来の生命科学と量子技術の融合による量子生命科学の誕生
    図2.生命科学と量子科学の統合から生まれたQST
  4-2.「量子技術イノベーション戦略」における「量子技術イノベーション拠点」
    の一つとしての「量子生命拠点」
    図3.量子生命科学の新たな拠点となる量子生命科学研究拠点センター
  4-3.Q-LEAP「量子生命技術の創製と医学・生命科学の革新」プロジェクト
    図4.Q-LEAP「量子生命技術の創製と医学・生命科学の革新」プロジェクトの概要
    図5.プロジェクト全体の研究開発体制
5.量子生命科学に関連する企業・研究機関の取組動向
  5-1.国立大学法人 大阪大学
    (1)生体シグナルを可視化するMRIプローブ
    図6.19F MRIプローブによる酵素活性の検出原理
    (2)19F MRIプローブの感度向上
    図7.FLAMEの構造
    図8.FLAMEとPRE効果
    図9.FLAME-DEVD Xの構造
    図10.(a)アポトーシス誘導時の 19F MRI画像
    (b)マウス肝臓と脾臓におけるFLAME-DEVD 2由来19F MRIシグナル
    図11.19F MRIナノプローブを用いたマルチカラーイメージング
    図12.肝臓および脾臓におけるナノ粒子の非特異的取り込み
  5-2.国立大学法人 埼玉大学
    図13.鳥の磁気受容体の候補分子であるクリプトクロム
    図14.クリプトクロムにおける化学反応の模式図
  5-3.国立大学法人 筑波大学
    (1)計算量子生物学の最前線での活動
    図15.原子レベルの構造生物学
    (2)光化学系Ⅱにおける水分解反応の機構解明
    図16.(左)PSⅡの全体構造 (右)触媒サイト(OEC)の
    Mn4CaO5クラスター拡大図
    図17.重要なS状態遷移に対する反応経路の理論予測結果。
    (左)S2→ S3遷移での基質
    水分子の挿入過程。(右)S3 (S4) → S0遷移
    (H2O挿入とO2放出の協奏機構)
    (3)宙に浮く水素イオン?!
    ~大型タンパク質の中性子結晶構造解析で見えた特異な世界~
    図18.(A)大型タンパク質、Cuアミン酸化酵素の巨大な結晶。
    (B)同酵素の水素原子を含んだ立体構造とそこから見つかった
    “宙に浮いた”プロトン(拡大図中央)
    図19.補酵素トパキノンの構造と平衡状態、
    軽水素を灰色、重水素を水色の網目で示した
    図20.Cuイオンと結合したヒスチジン残基の構造。
    手前のヒスチジン残基には重水素が結合しておらず(赤丸で囲んだ部分)、
    特異なイミダゾレートアニオンが形成されていた。
    軽水素を灰色、重水素を水色の網目で示した
  5-4.国立大学法人 東京大学
    (1)タンパク質の分子軌道
    図21.タンパク質が持つ分子軌道の性質
    (左)軌道の裾野の広がり、(右)混成軌道
    図22.タンパク質の機能と分子軌道の広がり制御
    (左) Mb:Fe(III) で失活、(右) Cyt.c:Fe(II)⇔Fe(III) で電子移動
    (2)分子軌道によるタンパク質の設計手法
    図23.鍵となるアミノ酸残基を知る2つの方法
    (3)薬剤への応用
    図24.薬剤関連のタンパク質計算例
    (左)インスリン6量体と単量体の差電子密度、
    (右) M2タンパク質プロトン移動
    (4)エネルギー関連への応用
    図25.エネルギー分野に関連するタンパク質群
  5-5.国立大学法人 東京農工大学
    (1)グラフェンの合成とデバイス化
    図26.グラフェンの合成
    図27.グラフェンFETの構造
    図28.グラフェンFETアレイ構造。全体像(左上)、拡大像(右)
    (2)グラフェンFETを用いたセンサーの原理と特長
    図29.グラフェンFETを用いたセンサー原理
    (3)グラフェンFETによる免疫グロブリンEの計測
    図30.グラフェンによるIgEの検出装置模式図(左)と測定結果(右)
    (4)グラフェンFETによるインフルエンザウイルスの検出
6.量子生命科学の将来展望

第5章 量子物性

量子物性
  個体電子論の中心課題、電子相関と深くかかわっている強相関電子系を含め
  量子物性を理解するには、固体中電子挙動の理解が必要
 
1.量子物性とは
2.注目される量子物性
  2-1.原子・分子・ナノ物性
  2-2.光量子物性
  2-3.極低温物性
  2-4.超高圧物性
3.量子物性の市場規模予測
  図・表1.量子物性の国内およびWW市場規模予測(金額:2025-2050年予測)
  図・表2.量子物性の物性別国内市場規模予測(金額:2025-2050年予測)
4.量子物性に関連する企業・研究機関の取組動向
  4-1.公立学校法人 大阪市立大学
    (1)相互作用制御:新しい極低温量子系の開発
    図1.フェッシュバッハ共鳴による原子間相互作用の制御
    図2.カリウムとルビジウム原子の衝突におけるフェッシュバッハ共鳴
    (2)冷却極性分子の生成
    図3.極低温極性分子を作成する新しい方法(間接法)
    (3)極低温分子を使い電子と陽子の質量比の不変性の検証に成功
    図4.実験の概略図
    図5.μの不変性検証に用いた分子準位
  4-2.国立大学法人筑波大学
    (1)電気化学的な固液界面
    図6.電気化学界面とその近傍の静電ポテンシャル
    (2)電気化学界面をシミュレーションする方法
    図7.電極への充電過程と水の応答
    (3)電気化学界面における電極電位の決定
    図8.電極/溶液界面の静電ポテンシャルプロファイル
    (4)電気化学界面シミュレーションの応用例
    図9.応用例:ナノ空間中の静電ポテンシャルプロファイル、
    陽イオンの周りは水分子で溶媒和されている
    (文献[3]の図を改変して引用)
    図10.応用例:Alの腐食 (左)腐食界面の模式図、
    (右)腐食電位のpH依存性(文献[4]の図を改変して引用)
  4-3.国立大学法人東京大学(1)
    (1)強レーザー場中の原子・分子の挙動
    図11.トンネルイオン化のイメージ
    図12.高次高調波発生=アト秒レーザーの原理
    図13.多配置展開の模式図
    図14.強レーザー場中の1,3-シクロヘキサジエンの
    高次高調波スペクトルの計算例
    (3)高強度レーザーと固体の相互作用に関する数値計算例
    図15.セレン化ガリウム結晶からの高調波スペクトルの
    偏光依存性の計算例
    図16.ハロゲン化金属ペロブスカイト半導体からの高調波発生と
    エネルギー吸収の計算例
    (4)量子コンピューターを用いた量子シミュレーション
    図17.NISQアルゴリズムを用いた高次高調波発生の計算例
  4-4.国立大学法人東京大学(2) 
    (1)室温超伝導の探索
    (2)超伝導現象のメカニズム
    (3)Cu酸化物高温超伝導体の登場
    図18.Cu酸化物超伝導体のTcの変遷
    (4)室温超伝導はどこに?
    (5)広井研究室の最近のトピックス
    図19.2つの5d遷移金属パイロクロア酸化物の電気抵抗
    図20.多色性を示す混合アニオン化合物Ca3ReO5Cl2
  4-5.公立大学法人兵庫県立大学
    図21.多重極限環境下偏光特性を利用した57Fe核共鳴前方散乱測定を
    行なうための実験模式図
    図22.A Fe2As2の元素置換もしくは圧力印加による典型的な相
    図23. α-Fe:(a)核共鳴前方散乱測定の模式図と57Fe核のエネルギー準位
    (b), (c) 57Fe核共鳴前方散乱スペクトル
    図24.EuFe2As2:(a) 57Fe核のエネルギー準位と散乱X 線の偏光
     (b)-(e) 57Fe核共鳴前方散乱スペクトル、
    丸印が測定スペクトルを実線が解析スペクトルを示す
  4-6.学校法人 早稲田大学
    (1)これまでの研究
    (2)今回の研究で明らかになったこと
    図25.グラフェンの原子配列
    (左)従来の考え方、(右)本研究で明らかになった実際の配列
    (3)新たな実験手法=TRHEPD法
    (4)本研究の波及効果
    (5)今後の課題
5.高温超伝導が解明される日

第6章 量子材料

量子材料
  新機能性、高品質、精密結晶構造、先端物性など、物質の量子的
  性質に着目した新しい材料を供給、電子産業の発展に欠かせない
 
1.注目される量子材料
  1-1.超伝導材料
  1-2.単原子層材料
  1-3.トポロジカル材料
  1-4.量子閉じ込め材料
  1-5.量子フォトニクス材料
  1-6.量子スピントロニクス材料
2.量子材料の市場規模予測
    図・表1.量子材料の国内およびWW市場規模予測(金額:2025-2050年予測)
    図・表2.量子材料の材料別国内市場規模予測(金額:2025-2050年予測)
3.量子材料に関連する企業・研究機関の取組動向
  3-1.国立大学法人 大阪府立大学
    (1)バイオセンシングデバイスの必要性
    (2)フォトニック結晶の原理とナノインプリントリソグラフィーの活用
    図1.フォトニック結晶の原理
    図2.ナノインプリントリソグラフィー (左)作製プロセス、
    (右)SCIVAX株式会社製ナノインプリント装置「X-300」の外観
    図3.ナノインプリントリソグラフィーを用いたナノ光デバイスの作製
    (3)フォトニック結晶の特性
    図4.フォトニック結晶の表面形状
    図5.フォトニック結晶の光学特性
    (4)フォトニック結晶を用いたアプリケーション
    図6.フォトニック結晶を用いた抗原抗体反応の検出
  3-2.国立大学法人 東京工業大学
    図7.BiFeO3(左)およびBFCO(右)の磁気構造の模式図
    (1)BFCO のスピン構造変化
    図8.BiFe1-xCoxO3 (x=0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2)の(a)室温での磁化曲線および
    (b)磁化率温度変化
    (2)BFCO薄膜における電場印加磁化反転
    図9.電気分極反転前(上)と電気分極反転後(下)のBFCO薄膜の室温に
    おけるPFM像(左)とMFM像(右)
  3-3.国立大学法人 東京大学
    (1)トポロジカルフォトニクスの進展
    図10.(左)半導体2次元フォトニック結晶のSEM像 (右)三角格子構造の
    エアホールタイプ2次元フォトニック結晶の典型的なバンド図
    (2)バレーフォトニック結晶を用いた導波路と応用
    図11.バレーフォトニック結晶
    図12.バレーフォトニック結晶のバンド端状態の磁場位相分布
    図13.バレーフォトニック結晶のジグザグインターフェイスでのエッジ状態
    図14.通常のフォトニック結晶導波路(左)
    バレーフォトニック結晶導波路(右)の光伝搬の違い
    (3)トポロジカルナノ共振器とその応用
    図15.トポロジカルナノ共振器
    (左)トポロジカルナノ共振器レーザー、(右)コーナー状態を用いたナノ共振器
    (4)トポロジーとフォトニクスの拡がり
    図16.トポロジーと物性科学の融合が新たな広がりを作り出す
  3-4.公立大学法人 東京都立大学
    (1)原子厚の半導体材料を自在に接合することに成功
    図17.(a)単層TMD (b)今回合成したTMDの接合構造の模式図
    図18.(a)本研究で開発したCVD装置の模式図
    (b)異なる組成のTMDの結晶を連続的に成長させるプロセスの模式図
    図19.合成した試料における組成が切り替わる領域の(a)原子像
    (b)電気的性質(バンドギャップ、局所状態密度)の変化を可視化した実験結果
    (2)究極的に細い原子細線からなる大面積薄膜を実現
    図20.TMC原子細線の構造の模式図
    図21.基板上に合成した(a)TMC原子細線が集積した
    ナノファイバーのランダムネットワーク薄膜のSEM像
    (b)一方向に方向制御されて成長したナノファイバーのAFM像
    (c)同一方向に凝集したTMC原子細線ナノファイバーのSEM像と構造モデル
    (3)クラウンエーテル処理による単層MoS2の大気中安定性と
    効率的な電子ドーピング
    図22.ドーパントが表面に吸着した単層MoS2の構造モデルと、
    作製した電界効果型トランジスターのドープ前後での特性変化
  3-5.国立大学法人 北海道大学
    図23.(a)開発したInAs QDと希薄窒化GaAs(GaNAs)のトンネル結合構造と
    スピンフィルタリング増幅を示す模式図
    (b)室温円偏光発光スペクトルと110℃を含めた円偏光度
    図24.半導体中の電子スピン偏極率の測定温度依存性:
    先行報告と本研究結果の比較
    図25.(a)本研究のQD/GaNAsトンネル結合構造と比較用QDにおける
    室温で得られた円偏光発光強度と発光円偏光度の時間変化
    (b)QDの円偏光発光特性のGaAsトンネルバリア厚依存性
  3-6.国立大学法人 横浜国立大学
    (1)QDの位置制御
    図26.量子回路の実現に向けた量子ドットの位置制御
    図27. (左上)QDとナノホール、(左下)シリカコートQDとナノホール
    (右)シリカコートQDのSEM像
    (2)フォトニックドット(PD)の形成
    図28.作製したPDの模式図(左)とSEM像(右)
    図29.プレーナー構造による回路化 (上)アクティブ素子とパッシブ素子の
    模式図、(下) PDアレイ、導波路による直列接続、量子演算回路のSEM像
    (3)QD+メタマテリアル構造
    図30.PDとメタマテリアル要素の組み合わせ
    (左)模式図、(右)実物素子のSEM像
  3-7.国立研究開発法人 理化学研究所
    図31.Siのアクセプター原子に結合した正孔のスピン軌道相互作用を示す図。
    (左)Γ点において価電子帯には2つの分散(LHとHH)がある
    (右)HHおよびLH状態は、機械的に緩和された結晶では縮退している
    図32.歪を加えられた試料の模式図
    図33.機械的な歪を加えた28Si:Bサンプルの試験
    (左)サンプルとスピン共鳴による試験配置の模式図
    (右上)X線による結晶歪の試験結果、(右下)サンプル実物写真
    図34.ハーンエコー法によるコヒーレンス時間測定結果
    図35.CPMG法によるコヒーレンス時間測定結果
4.量子材料の将来展望

第7章 量子AI

量子AI
  量子コンピューターとAIをうまく組み合わせ「量子AI」として
  活用することで、新たな地平がみえてくる
 
1.加速するAIの進歩
2.量子AIとは
3.量子AIの市場規模予測
  図・表1.量子AIの国内およびWW市場規模予測(金額:2025-2050年予測)
  図・表2.量子AIの方式別国内市場規模予測(金額:2025-2050年予測)
4.量子AIに関連する企業・研究機関の取組動向
  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)
  4-1.株式会社グルーヴノーツ
    (1)量子コンピューターとAIを活用したクラウドプラットフォーム事業
    図1.「MAGELLAN BLOCKS」のコンセプト
    図2.「MAGELLAN BLOCKS」量子コンピューターソリューションのアーキテクチャ
    図3.「MAGELLAN BLOCKS」量子コンピューターソリューションに
    実装されているモデル例
    図4.様々な業種の多岐にわたる問題を解決するために
    量子コンピューターとAIを駆使する
    (2)「MAGELLAN BLOCKS」の活用事例
    図5.廃棄物収集ルートの最適化イメージ
    図6.人とロボットが共存して働くイメージ
    図7.車両運用計画で考慮すべき要件のイメージ
  4-2.大学共同利用機関法人 情報・システム研究機構 国立情報学研究所(NII)
    (1)これまでの成果
    (2)時間結晶が可能にする量子の世界の複雑なネットワーク構造を発見
    図8.周期的な制御が作り出す周期2をもつ離散的な時間結晶の模式図
    図9.周期2の時間結晶がつくる量子状態上のネットワーク
    図10.周期2の時間結晶が融け始めることによって出現した
    スケールフリー・ネットワークの一例
  4-3.国立研究開発法人産業技術総合研究所(産総研)
    (1)材料開発および創薬分野における物性値の計算・予測の状況
    (2)新たに開発したDL技術の手法
    図11. DLモデル=NNの概念図
    図12.DLモデルを用いて化合物から物性値を導くフロー
    (3)DL技術による計算結果と理論計算・シミュレーション結果との比較
    図13.今回のMLと理論計算で得られたエタンと
    ベンゼンの化学結合の電子密度の比較
    図14.物性値(エネルギー)の外挿予測精度
    (4)DL技術の発展形
    図15.今回開発したDLモデルの発展の可能性
  4-4.株式会社Jij(ジェイアイジェイ)
    (1)ニーズが増している最適化問題
    図16.解決困難な問題を最適化計算で解く
    (2)Jijが展開するサービス
    図17.「JijZept」はアルゴリズムとハードウェア選定を結びつける
    図18.Jijの3つの取組
    (3)最適化問題解決の社会実装事例
    図19.社会実装事例:交通信号の点滅パターン最適化問題
    (4)「JijZept」の意義
    図20.「JijZept」計算基盤
    図21.「JijZept」における制約条件の調整
  4-5.国立大学法人 筑波大学
    図22.周回積分型固有値解法の適用による固有空間抽出
    図23.行列トレースの周回積分を用いた固有値密度推定
  4-6.国立大学法人 東京大学
    図24.内部の結合重みをランダムに結合した人工RNNの模式図
    図25.RC/QRCハイブリッド計算タスクの一例
    図26.これからのQRCの方向性
  4-7.国立大学法人 三重大学
    (1)量子超越性を示す意義
    (2)先行研究
    図27.量子回路の例: 1次元、深さ4、入出力6量子ビットの回路
    (2量子ビット素子からのみ構成)
    図28.量子回路の例、黄色い部分は回路内にあるy4への影響範囲を示す
    (3)実験
    図29.深さ3における入力ビット数と忠実度の関係
    図30.深さ4における入力ビット数と忠実度の関係
    図31.入力ビット数と実行時間の関係
    (4)結論
5.量子コンピューターがもたらすAIと人類の未来

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