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「半导体」と闻いて、皆さんは、パソコンや携帯电话などの中に入っている电子部品を思い浮かべるでしょう。この「半导体」という言叶は、电気を通す「导体」と电気を通さない「不导体」の中间の性质を持つ物质のことを指します。
世の中には、さまざまな种类の半导体がありますが、なかには一种の元素でその性质を示す物质（ゲルマニウム、シリコンなど）も存在します。この半导体元素に注目する……のではなく、同じ元素でも「中性子」の数の违いによってさらに细かく分类した“同位体”(※)に着目する研究で、世界的に注目を集める研究室が矢上キャンパスにあります。それが伊藤公平研究室です。

伊藤教授の研究生活は、ゲルマニウム（元素记号：骋别）同位体の研究から始まりました。大学院时代に所属していた研究室では当时、天文物理観测用の温度计（ボロメーター）センサー开発のために、半导体元素のゲルマニウムの物理特性を研究していました。
ちょうどこの顷、时代は冷戦崩壊を迎えます。同位体を分离する技术は「ウラン凝缩」と呼ぶ核兵器製造に必要な技术でもあり、冷戦当时に旧ソ连の核军事施设にいた技术スタッフが冷戦终结によって他国に流出することになると大変です。そこで、スタッフがその场に留まり平和的な职に就くことのできる方法として、西侧诸国による公的研究支援机関が设立されることになりました。このような时代背景もあって伊藤教授は、平和利用を目的として、放射性もなく安全で、同位体别となったゲルマニウムを手に入れることができるようになり、元素レベルではなく“同位体レベル”での物性の违いについて研究を进めるようになります。

「この『半导体同位体工学』という言叶は、私たちが作ったんですよ」と伊藤教授は话します。
1998年には调达した资金を元にシリコンの同位体を手に入れ、结晶成长の実験を开始します。
「古典コンピュータの心臓部はシリコン半导体です。よって、ゲルマニウムよりも产业的な広がりもあり汎用性が高かったことから、シリコン同位体の研究を进めていくことにしました。まずは綺丽なシリコン结晶を作るところから始まり、热の流れや磁性、电気特性…とあらゆる物性の违いについて论文にしていきましたね」。
こうして得た、シリコン同位体についての幅広く深い知见が、后の応用へとつながる基盘になっていきました。

シリコン同位体についての研究を進めていた1998年、ある論文を目にした伊藤教授は驚きます。論文はBruce Kane博士による“A silicon-based nuclear spin quantum computer”、シリコン原子を使った量子コンピュータについて書かれたものでした。早速、伊藤教授はKane博士を慶應義塾に招き、シリコン同位体の可能性について直接、意見交換する機会を得て、量子コンピュータへのシリコン同位体の応用について研究を進めることになりました。

量子コンピュータについて语るまえに、现在のコンピュータ「古典コンピュータ」と、「ムーアの法则」にふれておきましょう。ムーアの法则は1965年、ゴードン?ムーアがコンピュータ（古典コンピュータ）研究の成长速度を予测したもので、実际にほぼその指标どおりに推移しています。一方でこの法则は、古典コンピュータが一つのチップに置く半导体の数が原子レベルに达したとき、限界を迎えることも示しています。そこで开発が进められているのが、原子レベルで、さらに复雑で膨大な情报を高速処理できる、量子コンピュータというわけです。

とはいえ、これまでシリコン同位体の物理特性を研究してきた伊藤教授にとって、量子コンピュータは未知の世界です。そこで、関係する量子力学や情报工学などの分野について积极的に勉强会や研究会に出て研钻を积みました。そんななか、アメリカ西海岸にあるさまざまな研究所をめぐり、同位体工学の可能性について探るツアーを実施。このツアーの途中で、当时スタンフォード大にいた山本喜久博士と出会います。

「山本博士には、大きな宿题を出されましてね。『本当に同位体を一个一个并べることができるのか？』と。后に学会の场でそれが理论上可能であると示したんです。すると、彼が『これは面白い』と」。
こうして量子コンピュータの大家である山本博士と学会中、連日食事を共にしながら構想を練ることになります。さらにそれぞれが持ち帰って議論を重ねて書き上げた論文を、2002年に発表します。「これが『An All Silicon Quantum Computer』、僕らのなかで一番有名になった論文の一つです」（伊藤教授）。

この论文で书かれた量子コンピュータには、同位体分离した质量数28のシリコンと29のシリコンが使われます。この二つの同位体は、重さ以外にもう一つ违いを持っています。それが「核スピン」と呼ばれるものです。この核スピンを持つものは、とても小さな“磁石”のように振る舞い、核スピンがないものは磁石としての振る舞いをしません。シリコンの同位体のなかで核スピンを持つものは、なんと29シリコンのみなのです。纯度の高い28シリコンを敷き詰めた中に、29シリコンの原子一つずつ一列に并べ、磁场を発生させて核スピンを操作することで、一つひとつの小さな“磁石”と化した原子それぞれに情报を持たせることができるというのです。これで古典コンピュータの何万倍もの情报を伝达することが可能となります。この量子が持つ情报の操作には狈惭搁（核磁気共鸣）の知识を応用させていくといいます。

「海外の研究者から『29シリコンばかり研究してどうするつもりなんだ』と不思议がられたこともありましたが、やり続けたことが新しい発见につながりました。今や、シリコン量子コンピュータの方式は二つあって、一つは29シリコンを积极的に利用する方式、そしてもう一方は29シリコンを邪魔者として彻底的に除去する方式です。いずれにせよ私たちの半导体同位体工学が必要です。过去の研究の蓄积を再発见して、组み合わせるのが大事ですよ」（伊藤教授）。

そして、何と言っても発想の下支えになっているのは、地道に取り组んできたシリコン同位体の物理特性についての豊富な见识です。
「98年まではゲルマニウムについての実験を重ねていたし、それ以降はシリコンでの実験を行うことで理论的な知识や“勘所”は蓄积していましたから」と伊藤教授は微笑みます。
“材料が手元にあること”、“手元にある材料が一级品であること”、そして“材料の物性について基础的なことが理解できていること”というこれまで积み上げてきた土台があってこそ、この世界的に影响力のある研究が実现したのです。
「これまでに狈惭搁関连や表面物理、情报工学…世界中の会议に呼ばれて话をしましたが、量子コンピュータはいろいろな分野の人がさまざまな切り口で兴味を持っているようですね」(伊藤教授)。

量子コンピュータは现在、电子や原子数个のレベルの精度で実装されつつあり、とても敏感で消えてしまいやすい电子スピンや核スピン情报の保持时间も、マイクロ秒の単位から、その百万倍の秒の単位へと伸びつつあるといいます。そしてついに実用化に向けて、海外の民间公司も资本をつぎ込んで本格参入するようになりました。
「その技术はまさに、我々が研究してきたもので、これから彼らが同位体を使う时代が来ます。基础研究から技术移転のステージに移っています」と伊藤教授は话します。
こうなると、唯一无二を目指す大学の研究者としては、次の高みを目指す时が来ているということかもしれません。伊藤教授が次に狙っているのは、ダイヤモンド（炭素）だといいます。「シリコン量子コンピュータは摂氏マイナス273度近くの超低温でしか动作しません。でもダイヤモンド量子デバイスは常温でいいのが利点です」という伊藤教授によれば、なんとダイヤモンドの中に一つ置いた电子のスピンを、“光”を使って読み取ることができるというのです。常温で扱える炭素原子とはいえ、量子状态は周囲の环境に敏感に反応するため、情报を保持するのはとても困难です。しかし、
「敏感ということはつまり、感度のいいセンサーになり得るということです」と意気込む伊藤教授は今、量子センシング（量子のスピンを使って膨大な情报を検知する）という新たなコンセプトの実証に、得意の同位体工学で挑戦しています。

半导体同位体工学の応用は、他にもあるようです。
「量子コンピュータと量子センシングという二本柱とは别に、物质の“拡散”を调べるという研究も进めています」（伊藤教授）。
超小型化が进む半导体部品の中に使われているシリコンが、热処理によって理论上の能力を発挥できなくなってしまわないよう、物理的?化学的な挙动を同位体を使って调べるのです。
「新川崎タウンキャンパスにて、民間企業との産学連携プロジェクトとして『TCAD（Technology Computer Aided Design）研究開発センター』を立ち上げ、研究を進めているところです。古典コンピュータの世界でもまだ半導体同位体工学が必要とされているんですね」と伊藤教授は笑顔で話します。

最后に、世界にも影响力を増す「半导体同位体工学」の研究を続ける伊藤教授のこれからについて闻いてみました。すると、
「意外に思われるかもしれませんが、研究よりも教育に力を入れたいと常々思っています。世界に通用する人材を辈出し続けることが、何より研究を进める原动力にもなるし、いいスパイラルを生みますから」という答えが。学生が互いに高めあい刺激しあって学术的な成果をあげるだけでなく、持ち前の半导体材料と合わせて人材面でも海外连携が进むようになったといいます。

「我々の研究室では博士课程への进学率も高いんです。世界に人材を辈出するには、まず监督たる人间がしっかり世界に认められていないといけないという思いもあって、これまで突き进んできたんですよ」と伊藤教授は笑います。
また、近顷は他分野との连携にも兴味を持ち始めているようです。
「今は医工连携にも兴味があります。研究者である私たちは学问を知って深めるだけでなく、社会の役に立つことも大事。难しいとわかっていても、何か连携できないか…と気になりますね」（伊藤教授）。
これまで理论、実験、応用と広がりを见せていた研究は、异分野とどのようなつながりを见せてくれるのでしょうか。オリジナリティを持って切り拓いてきた道は、まだまだ続きます。