<일본시장조사보고서>2022년판 양자기슬 시장의 현황과 전망(일본어판)
자료코드: C63127300 / A4 275p / 2022. 02. 14
◆조사개요
조사목적: 양자기술은 지금까지 이론물리학이 중심이었지만, 우리 주변의 제품과 관련된 디바이스 또는 제어 등의 기술로서 활약하고 있다. 또한 실제 제품으로 등장하기 시작해 앞으로도 증가할 것으로 기대된다. 이 양자기술에 대해 현황과 향후 동향을 파악하는 것을 목적으로 한다.
대상품목: 양자 시뮬레이션, 양자 센싱, 양자암호통신, 양자생명과학, 양자 물성, 양자 재료, 양자 AI
대상기업: 위 조사대상과 관련된 기술 및 서비스를 실시하고 있는 기업, 대학, 연구기관
조사방법: 당사 전문조사원의 대면취재
조사기간: 2021년 5월 ~ 2021년 11월
◆자료 포인트
• 기술적 특이점 도래
먼 미래가 아닌 가까운 미래로
○ 양자 시뮬레이션: 냉각원자, 초전도 양자비트, 이온트랩, 기타 각 방식으로 시장을 조사
○ 양자 센싱: 대상 분야를 일렉트로닉스, 의학·바이오, 광학, 기타로 나누어 전망
○ 양자암호통신: 애플리케이션은 통신, 방송, 검색, 콘텐츠 제공, 기타로 급확대
○ 양자생명과학: 생체나노양자센서, 초고감도 NMR, 양자 광 이미징, 기타 종류별
○ 양자 물성: 용도는 원자·분자·나노물성, 광양자 물성, 극단 조건 물성, 기타
○ 양자 재료: 양자가둠, 초전도, 양자 포토닉스, 단원자층, 기타 재료로 명시
○ 양자 AI: AI, 게이트 방식, 어닐링 방식으로 구분해 행보를 더듬다
• 지난 리포트와의 차이
양자기술의 주목도가 높아짐에 따라 각종 양자기술의 인트로덕션을 중심으로 최첨단 기술 타입을 다루고 있다.
• 월간지 'Yano E plus'(2021년 6월호~2021년 12월호)의 관련 특집을 기반으로 편집, 시장 수치 등을 발췌, 일본 국내 시장을 세분화.
리서치 내용
조사결과 포인트
제1장 양자 시뮬레이션
양자 시뮬레이션
냉각원자, 고체 전자계와 빛의 결합계, 이온트랩 등을 대상,
양자스핀모델 문제에 대해 검증하는 시뮬레이션이 진전
1. 양자 시뮬레이션이란
2. 비약의 시기를 맞은 양자 시뮬레이터
3. 양자 시뮬레이션 방식
3-1. 냉각원자방식
3-2. 초전도 양자비트방식
3-3. 이온트랩방식
4. 양자 시뮬레이션의 시장규모 예측
그림·표1. 양자 시뮬레이션의 일본 국내 및 세계 시장규모 예측
(금액: 2025~2050년 예측)
그림·표2. 양자 시뮬레이션 방식별 일본 국내 시장규모 예측
(금액: 2025~2050년 예측)
5. 양자 시뮬레이션에 관련된 기업·연구기관의 대응 동향
5-1. 아토스 주식회사
(1) 일본 진출을 이룬 'Atos QLM'
그림1. Atos QLM의 외관
(2) Atos QLM의 활용
그림2. Atos QLM을 통해 얻을 수 있는 Atos 양자 프로그램의 부가가치
그림3. Atos QLM의 활용
그림4. Atos QLM은 완전한 프로그래밍 환경과
양자 프로세서 에뮬레이터로 기능한다
(3) Atos는 발전하는 양자 컴퓨팅에 대응하여 진화해 나간다
그림5. 양자 솔루션 지원 로드맵
5-2. 학교법인 오키나와과학기술대학원대학학원/오키나와과학기술대학원대학(OIST)
그림6. 스핀궤도결합 타입의 모식도
5-3. 학교법인 긴키대학
(1) 냉각원자를 이용한 양자 다체 다이내믹스의 양자 시뮬레이션
그림7. 갑자기 광격자 깊이를 낮춘 뒤의 시간 발전 모식도
그림8. 2차원계에서의 비국소 상관의 시간 발전
그림9. 3차원에서의 에너지보존규칙,
상단 플롯: 상호작용에너지,
중단 플롯: 운동에너지,
하단 플롯: 상호작용에너지와 운동에너지의 합, 실선: 수치계산결과
(2) '곤도효과'의 엄밀한 계산기 시뮬레이션에 성공
그림10. (a)곤도효과에서의 전기저항의 온도의존성 개략도
(b)본 연구의 계산결과
5-4. 학교법인 도쿄이과대학
(1) 조셉슨 접합을 포함한 초전도 양자회로 연구
(2) 2차원 패키지가 가능한 초전도 집적 양자회로의 시제작
그림11. 16양자비트의 초전도 양자칩 사진
그림12. 16양자비트 초전도 양자칩 회로 모식도
5-5. 학교법인 니혼대학
(1) 프러스트레이션(frustration)한 양자 자성체의 양자 시뮬레이션 방법을 제창
그림13. 광격자 안에 갇힌 원자 기체 시뮬레이션
그림14. 프러스트레이션(frustration)한 양자 자성체 모델
그림15. 물질파의 위상이란 개념을 나타내는 설명도
파동함수가 (a)에서는 실수, (b)에서는 실부와 허부를 갖는 복소수
그림16. 양의 절대온도를 나타내는 모식도
그림17. 음의 절대온도를 나타내는 모식도
(2) 3색 양자 기체를 이용한 인공자석의 새로운 양자자기현상을 발견
그림18. 자성체로의 캐리어 도프
(a)는 일반 전자계 물질의 경우, (b)는 4색 인공물질 예
5-6. 국립대학법인 홋카이도대학
(1) 복잡한 촉매반응의 본질
그림19. 연구실 내의 계산용 컴퓨터군
(2) 담지금속촉매의 반응 메커니즘
그림20. SiO2 담지 Pt촉매에 의한 C2H4 완전산화반응 메커니즘 모델
(3) 이산화탄소 고정화 촉매 반응 메커니즘
그림21. 제4급 암모늄염 촉매와
포르피린과 조합한 2관능성 촉매에 의한 CO2 변환 메커니즘
6. 양자 시뮬레이션의 장래 전망
제2장 양자 센싱
양자 센싱
양자 특성 제어·조작·관측하는 양자 요소기술과
주위환경으로부터 받은 영향을 감지하는 기술이 대상, 조기실현 기대
1. 양자 센싱이란
2. 주목받는 양자 센싱의 토픽스
2-1. 다이아몬드 NV 중심
2-2. 양자관성센서
2-3. 양자얽힘 광센서
2-4. 광격자시계
2-5. 양자 스핀트로닉스 센서
3. 양자 센싱의 시장규모 예측
그림·표1. 양자 센싱의 일본 국내 및 세계 시장규모 예측
(금액: 2025~2050년 예측)
그림·표2. 양자 센싱 분야별 일본 국내 시장규모 예측
(금액: 2025~2050년 예측)
4. 양자 센싱에 관한 세계 연구개발 동향
4-1. 해외
4-2. 일본
(1) 국가 프로젝트로서 움직이기 시작한 양자 센싱
(2) Q-LEAP '고체 양자센서의 고도 제어를 통한
혁신적 센서 시스템 창출' 프로젝트
그림1. Q-LEAP 양자계측·센싱 기술영역 전체 체제
그림2. 양자 고체 Flagship 프로젝트 기초기반연구 개요
(3) '양자기술 이노베이션 전략'에서
'양자기술 이노베이션 거점' 중 하나로서 ‘양자센서거점’
5. 양자 센싱에 관련된 기업·연구기관의 대응 동향
5-1. 국립대학법인 규슈대학
그림3. 와전류 탐상시험의 원리
그림4. HTS코일을 이용한 와전류 탐상시험과 기존 기술과의 비교
그림5. HTS코일을 이용한 와전류 탐상장치 실물사진
그림6. HTS코일을 이용한 와전류 탐상장치의 회로도
그림7. 판 두께와 저항 변화의 관계
5-2. 국립대학법인 교토대학
(1) 광자의 양자얽힘상태 검증의 현저한 효율화 성공
그림8. 양자얽힘상태 검증에 필요한 측정 횟수를 현저히 감소시킨 검증방법
그림9. 실험장치 모식도
(2) 신규 단일광자원 '육방정 질화붕소'로부터 광자의 사출방향을 밝히다
그림10. 빛 방향 이미지 (a)변경 방향(화살표)이 일정한 직선 편광 빔,
(b)빔의 중심에서 방사상의 편광을 가지는 빔(래디얼 편광 빔),
(c)빔의 원주방향 편광을 갖는 빔(아지마스 편광 빔)
그림11. 방사상의 편광을 가진 빔(좌측)과 원주방향의 편광을 가진
빔(우)으로 여기된 경우의 형광 이미지 계산결과,
화살표 방향은 빔의 광축과 수직 면에서의 전기 쌍극자 방향을 나타낸다
그림12. 실험장치 모식도
그림13. 전기 쌍극자 방향의 추정결과
5-3. 국립대학법인 전기통신대학
그림14. 냉각원자를 이용한 양자관성센서의 원리를 나타낸 모식도
그림15. 이동형 양자관성센서의 소형 센서 헤드부분
그림16. 비행시간법(TOF)에 의한 냉각원자의 온도평가
그림17. 광섬유 레이저 및 섬유 광학계를 이용한
소형 가반형 Rb원자의 레이저 냉각용 광원
5-4. 국립대학법인 도쿄공업대학
(1) 다이아몬드 NV 중심의 특징
그림18. 다이아몬드 NV 중심에 대한 외부의 움직임과 응답
그림19. 다이아몬드 NV 중심의 센싱 원리
(2) 확장성을 가진 센싱
(3) 이종 에피택셜 결정 성장
(4) 초고감도 고체 양자센서
5-5. 국립대학법인 도쿄대학(1)
(1) 정밀도를 끝까지 파고들면 '초'의 재정의
그림20. 시계 정밀도의 변천
(2) 광격자 시계의 원리
그림21. 광격자 시계의 원리
(3) 시계로 높이를 재다
그림22. 광격자 시계를 이용한 높이 측정
(4) 소형화의 과제
그림23. 콤팩트화된 광격자 시계
5-6. 국립대학법인 도쿄대학(2)
(1) SRS의 원리
그림24. SRS의 원리를 나타낸 모식도
(2) SRS 현미경의 원리와 특징
그림25. SRS 현미법의 원리를 나타낸 모식도
(3) SRS 현미경 감도의 양자증강법
그림26. 양자증강의 원리
6. 양자 센싱의 장래 전망
제3장 양자암호통신
양자암호통신
양자컴퓨터 시대에서도 정보를 안전하게 송수신할 수 있도록
양자암호통신 네트워크 기술 확립이 급선무
1. 양자암호통신이란
2. 광역양자암호통신 네트워크의 확립
3. 양자암호통신의 기술과제
3-1. 양자암호키분배(QKD)
3-2. 트러스티드노드기술
3-3. 양자암호통신링크기술
3-4. 양자중계기술
3-5. 광역네트워크 관련 기술
4. 양자암호통신의 시장규모 예측
그림·표1. 양자암호통신의 일본 국내 및 세계 시장규모 예측(금액:2025~2050년 예측)
그림·표2. 차세대 암호통신 애플리케이션별 일본 국내 시장규모 예측
(금액: 2025~2050년 예측)
5. 양자암호통신에 관련된 기업·연구기관의 대응 동향
5-1. 국립대학법인 오사카대학
(1) '전광'으로 양자중계 원리검증실험에 성공
그림1. 전광 양자중계 실험장치
그림2. 전광 양자중계 개념도
그림3. 이번 실험 개요: 생존한 광자의 양자 상태가 3광자 그래프 상태인 나머지
광자에 양자 텔레포테이션됨으로써 손실내성를 부여한 양자 텔레포테이션 실현
(2) 단일 공명 구성의 2차 비선형 광도파로 공진기로부터의 1,000모드를 초과한
주파수 다중 광자쌍 형성
(3) 문샷형 연구개발사업 '네트워크형 양자컴퓨터에 의한 양자 사이버 스페이스’
5-2. 국립대학법인 시즈오카대학
(1) 안전한 양자 네트워크 부호의 특징
(2) 멀티플 유니캐스트 방식으로서의 양자 네트워크 부호
그림4. 통신 프로토콜의 종류 (좌)유니캐스트 (1:1) 방식,
(중)멀티캐스트(1:복수) 방식,
(우)멀티플 유니캐스트(복수: 복수) 방식
그림5. (좌)은닉성이 없는 양자 네트워크 부호
(우)은닉성을 갖는 2개의 양자 네트워크 부호, c, d는 고전적인 비밀키,
고전 네트워크에서는 b0, b1이 입력인데 반해,
양자 네트워크에서는 다른 b0, b1의 값에 대한 임의의 중첩 상태가 입력이 된다
(3) 양자 네트워크 부호와 QKD와의 비교
그림6. 임의의 에지 1개에 대한 공격에 대해 은닉성을 갖는
양자 네트워크 부호의 예, s는 고전적인 비밀키,
양자 네트워크 입력은 i1, i2, …, in-1, in에 대한 임의의 중첩 상태이다
5-3. 학교법인 다마가와학원/다마가와대학
그림7. Y-00 암호 트랜시버(강도변조방식)를 이용한 1,000km 전송실험,
(상)실험구성, (하)전송 전과 1,000km 전송 후의 Y-00 암호신호 파형
그림8. Y-00 암호 트랜시버 응용: 시큐어 광 무선통신
그림9. 40Gbps 디지털 코히런트 위상변조 Y-00 암호의 10,118km 전송의 실험구성
그림10. 조밀광 위상 랜더마이즈법을 실현하는 IQ 변조기의 구성
5-4. 국립대학법인 도야마대학
(1) 양자암호의 안전성에 관한 개념
(2) QKD의 불완전성에 따른 통신거리 감소를 막는 새로운 이론 제안
그림11. QKD 송수신 시스템 예시
그림12. 변조 에러δ의 값에 대한 키 생성률의 거리의존성
(좌)기존의 안전성 이론(GLLP)에 의한 키 생성률,
(우)다마키 연구실 등이 고안한 신안전성이론에 의한 키 생성률
그림13. 임의의 정보 유출이 존재하는 하에서의 암호키 생성률의 감쇠율 의존성
5-5 일본전기 주식회사(NEC)
(1) 양자암호기술에 관한 NEC의 대응
그림14. 양자암호의 구조
그림15. 광역에서의 키 공유 네트워크 모식도
(2) NEC의 QKD방식
그림16. 일반적인 QKD방식: BB84방식
그림17. NEC가 가쿠슈인대학과 공동으로 연구개발을 추진하고 있는 CV-QKD방식
(3) 실증사례
그림18. 유선암호통신에 대한 적용
그림19. 암호화 통신 네트워크
그림20. 생체인증데이터의 은닉전송시스템
그림21. 의료분야 실증검증
그림22. 금융분야 실증검증
5-6. 후루카와전기공업 주식회사
그림23. 다노드 일괄접속중계 모식도
그림24. 다이아몬드 NV 중심을 이용한 복수 회 가능한 양자중계 모식도
5-7. 국립대학법인 홋카이도대학
(1) SIP: '광·양자를 활용한 Society 5.0 실현화 기술' 중 '광·양자통신'(2018~2022년)
그림25. 디바이스 특성 검증의 주요 체크포인트
(2) 과학연구소비: '백 년 이상의 초장기 은닉성을 보증하는
정보통신네트워크 기반기술'(2018~2022년)
그림26. 장거리 QKD 시뮬레이션 결과
(3) 총무성: ‘글로벌 양자암호통신망 구축을 위한 연구개발’(2020~2024년)
제4장 양자생명과학
양자생명과학
생체분자를 양자 수준의 집합체로서 보고, 양자역학을 기반으로
생명 전반의 근본 리를 밝히는 것을 목표로 하는 양자생명과학 등장
1. 양자생명과학이란
2. 양자생명과학의 주목 분야
2-1. 생체나노 양자센서
2-2. 초고감도 MRI/NMR
2-3. 양자론적 생명현상의 해명·모방
3. 양자생명과학의 시장규모 예측
그림·표1. 양자생명과학 일본 국내 및 세계 시장규모 예측
(금액: 2025~2050년 예측)
그림·표2. 양자생명과학 용도별 일본 국내 시장규모 예측
(금액: 2025~2050년 예측)
4. 국가 프로젝트로 움직이기 시작한 양자생명과학
4-1. 양자생명과학의 탄생
그림1. 기존 생명과학과 양자기술의 융합을 통한 양자생명과학의 탄생
그림2. 생명과학과 양자과학의 통합에서 탄생한 QST
4-2. '양자기술 이노베이션 전략'에서의 '양자기술 이노베이션 거점'
중 하나로서의 '양자생명거점'
그림3. 양자생명과학의 새로운 거점이 되는 양자생명과학연구거점센터
4-3. Q-LEAP '양자생명기술의 개발과 의학·생명과학 혁신' 프로젝트
그림4. Q-LEAP '양자생명기술 개발과 의학·생명과학 혁신' 프로젝트 개요
그림5. 프로젝트 전체의 연구개발체제
5. 양자생명과학 관련 기업·연구기관의 대응 동향
5-1. 국립대학법인 오사카대학
(1) 생체 시그널을 가시화하는 MRI 프로브
그림6. 19F MRI 프로브에 의한 효소활성의 검출원리
(2) 19F MRI 프로브의 감도 향상
그림7. FLAME 구조
그림8. FLAME 및 PRE 효과
그림9. FLAME-DEVD X의 구조
그림10. (a)아포토시스 유도 시의 19F MRI 영상
(b)쥐 간과 비장에서 FLAME-DEVD 2 유래 19F MRI 시그널
그림11. 19F MRI 나노 프로브를 이용한 멀티컬러 이미징
그림12. 간 및 비장에서의 나노입자의 비특이적 포섭
5-2. 국립대학법인 사이타마대학
그림13. 새의 자기수용체 후보 분자인 크립토크롬
그림14. 크립토크롬 화학반응 모식도
5-3. 국립대학법인 쓰쿠바대학
(1) 계산양자생물학의 최전방에서 활동
그림15. 원자 수준의 구조생물학
(2) 광화학계Ⅱ의 물분해 반응 메커니즘 해명
그림16. (좌)PSⅡ의 전체 구조 (우)촉매 사이트(OEC)의
Mn4CaO5 클러스터 확대도
그림17. 중요한 S상태 천이에 대한 반응경로의 이론예측결과.
(좌)S2→S3 천이에서의 기질 물분자 삽입과정. (우)S3(S4)→S0 천이
(H2O 삽입과 O2방출 협주 메커니즘)
(3) 공중에 뜨는 수소이온?!
~대형 단백질 중성자 결정구조 해석으로 보인 특이한 세계~
그림18. (A)대형 단백질, Cu아민산화효소의 거대한 결정.
(B)동 효소의 수소원자를 포함한 입체구조와 거기에서 발견된
‘공중에 뜬’ 프로톤(확대도 중앙)
그림19. 보효소 도파퀴논의 구조와 평형상태,
경수로 회색, 중수소를 하늘색 그물망으로 나타냈다
그림20. Cu 이온과 결합한 히스티딘 잔기 구조.
앞의 히스티딘 잔기에는 중수소가 결합되어 있지 않고(빨간 동그라미 부분),
특이한 이미다졸레이트 음이온이 형성되어 있었다.
경수로 회색, 중수소를 하늘색 그물망으로 나타냈다
5-4. 국립대학법인 도쿄대학
(1) 단백질의 분자궤도
그림21. 단백질이 가진 분자궤도의 성질
(좌)궤도 저변의 확대, (우)혼성궤도
그림22. 단백질의 기능과 분자궤도의 확대 제어
(좌)Mb : Fe(III)에서 실활, (우)Cyt.c : Fe(II) ⇔ Fe(III)에서 전자이동
(2)분자궤도에 의한 단백질의 설계방법
그림23. 핵심이 되는 아미노산 잔기를 알 수 있는 2가지 방법
(3) 약제로의 응용
그림24. 약제 관련 단백질 계산 예
(좌)인슐린 6량체와 단량체의 차전자밀도,
(우) M2단백질 프로톤 이동
(4) 에너지 관련에의 응용
그림25. 에너지 분야와 관련된 단백질군
5-5. 국립대학법인 도쿄농공대학
(1) 그래핀의 합성과 디바이스화
그림26. 그래핀의 합성
그림27. 그래핀 FET의 구조
그림28. 그래핀 FET 어레이 구조. 전체상(좌상단), 확대상(우)
(2) 그래핀 FET을 이용한 센서의 원리와 특징
그림29. 그래핀 FET을 이용한 센서 원리
(3) 그래핀 FET에 의한 면역 글로불린E의 계측
그림30. 그래핀의 IgE 검출장치 모식도(좌)와 측정결과(우)
(4) 그래핀 FET에 의한 인플루엔자 바이러스 검출
6. 양자생명과학의 장래 전망
제5장 양자 물성
양자 물성
개체전자론의 중심 과제, 전자상관과 깊게 관련되어 있는 강상관 전자계를 포함한
양자 물성을 이해하기 위해서는 고체 내 전자 거동에 대한 이해가 필요
1. 양자물 성이란
2. 주목되는 양자 물성
2-1. 원자, 분자, 나노 물성
2-2. 광양자 물성
2-3. 극저온 물성
2-4. 초고압 물성
3. 양자 물성의 시장규모 예측
그림·표1. 양자 물성의 일본 국내 및 세계 시장규모 예측(금액: 2025~2050년 예측)
그림·표2. 양자 물성의 물성별 일본 국내 시장규모 예측(금액: 2025~2050년 예측)
4. 양자 물성에 관련한 기업·연구기관의 대응 동향
4-1. 공립학교법인 오사카시립대학
(1) 상호작용 제어: 새로운 극저온 양자계 개발
그림1. 페쉬바흐 공명에 의한 원 자간 상호작용 제어
그림2. 칼륨과 루비듐 원자의 충돌에서의 페쉬바흐 공명
(2) 냉각 극성 분자의 생성
그림3. 초저온 극성 분자를 작성하는 새로운 방법(간접법)
(3) 극저온 분자를 사용하여 전자와 양자의 질량비의 불변성 검증에 성공
그림4. 실험 개략도
그림5. μ의 불변성 검증에 이용한 분자 준위
4-2. 국립대학법인 쓰쿠바대학
(1) 전기화학적인 고체-액체 계면
그림6. 전기화학 계면과 그 근방의 정전 퍼텐셜
(2) 전기화학 계면을 시뮬레이션 하는 방법
그림7. 전극 충전과정과 물의 응답
(3) 전기화학계면의 전극 전위 결정
그림8. 전극/용액 계면의 정전 퍼텐셜 프로파일
(4) 전기화학 계면 시뮬레이션의 응용 예
그림9. 응용 예: 나노 공간 내의 정전 퍼텐셜 프로파일,
양이온 주위는 물 자로 용매화되어 있다(문헌[3]의 그림을 수정하여 인용).
그림10. 응용 예: Al의 부식(좌) 부식 계면의 모식도,
(우)부식 전위의 pH 의존성(문헌[4] 그림을 수정하여 인용)
4-3. 국립대학법인 도쿄대학(1)
(1) 강레이저장 내의 원자·분자의 거동
그림11. 터널 이온화 이미지
그림12. 고차고조파 발생 아토초 레이저 원리
그림13. 다중배열전개의 모식도
그림14. 강레이저장 내 1,3-시클로헥사디엔의 고차고조파 스펙트럼 계산 예
(3) 고강도 레이저와 고체의 상호작용에 관한 수치계산 예
그림15. 셀렌화갈륨 결정으로부터의 고조파 스펙트럼의
편광 의존성 계산 예
그림16. 할로겐화 금속 페로브스카이트 반도체로부터의 고조파 발생과
에너지 흡의 계산 예시
(4) 양자컴퓨터를 이용한 양자 시뮬레이션
그림17. NISQ 알고리즘을 이용한 고차고조파 발생의 계산 예
4-4. 국립대학법인 도쿄대학 (2)
(1) 실온 초전도의 탐색
(2) 초전도 현상의 메커니즘
(3) Cu산화물 고온 초전도체의 등장
그림18. Cu산화물 초전도체의 Tc 변천
(4) 실온 초전도는 어디에?
(5) 히로이 연구실의 최근 토픽
그림19. 2개의 5d 전이금속 파이로클로아 산화물의 전기저항
그림20. 다색성을 나타내는 혼합 음이온 화합물 Ca3 ReO5Cl2
4-5. 공립대학법인 효고현립대학
그림21. 다중극한환경 하의 편광 특성을 이용한 57Fe 핵자기공명 전방산란 측정을
실시하기 위한 실험 모식도
그림22. A Fe2As2의 원소 치환 또는 압력 인가에 의한 전형적인 상
그림23.α-Fe: (a)핵자기공명 전방산란 측정의 모식도와 57Fe 핵의 에너지 준위(b)
(c) 57Fe 핵자기공명 전방산란 스펙트럼
그림24. EuFe2 As2: (a)57Fe 핵의 에너지 준위와 산란 X선의 편광,
(b)-(e) 57 Fe 핵자기공명 전방산란 스펙트럼,
동그라미 표시는 측정 스펙트럼을 실선은 해석 스펙트럼을 나타낸다
4-6. 학교법인 와세다대학
(1) 지금까지의 연구
(2) 이번 연구로 밝혀진 것
그림25. 그래핀의 원자배열
(좌)기존의 개념, (우)본 연구에서 밝혀진 실제 배열
(3) 새로운 실험방법=TRHEPD법
(4) 본 연구의 파급효과
(5) 향후 과제
5. 고온 초전도가 밝혀지는 날
제6장 양자 재료
양자 재료
신기능성, 고품질, 정밀 결정구조, 첨단 물성 등 물질의 양자적
성질에 주목한 새로운 재료 공급, 전자산업 발전에 필수
1. 주목받는 양자 재료
1-1. 초전도 재료
1-2. 단원자층 재료
1-3. 토폴로지컬 재료
1-4. 양자구속 재료
1-5. 양자 포토닉스 재료
1-6. 양자 스핀트로닉스 재료
2. 양자 재료의 시장규모 예측
그림·표1. 양자 재료의 일본 국내 및 세계 시장규모 예측(금액: 2025~2050년 예측)
그림·표2. 양자 재료의 재료별 일본 국내 시장규모 예측(금액: 2025~2050년 예측)
3. 양자 재료에 관련된 기업·연구기관의 대응 동향
3-1. 국립대학법인 오사카부립대학
(1) 바이오센싱 디바이스의 필요성
(2) 포토닉 결정의 원리와 나노임프린트 리소그래피 활용
그림 1. 포토닉 결정의 원리
그림2. 나노 임프린트 리소그래피 (좌)제작 프로세스,
(우) SCIVAX 주식회사의 나노임프린트장치 'X-300' 외관
그림3. 나노임프린트 리소그래피를 이용한 나노 광 디바이스 제작
(3) 포토닉 결정의 특성
그림4. 포토닉 결정의 표면 형상
그림5. 포토닉 결정의 광학 특성
(4) 포토닉 결정을 이용한 애플리케이션
그림6. 포토닉 결정을 이용한 항원항체반응 검출
3-2. 국립대학법인 도쿄공업대학
그림7. BiFeO3(좌) 및 BFCO(우)의 자기구조 모식도
(1) BFCO의 스핀구조 변화
그림8. BiFi1-xCoxO3(x=0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2)의 (a)실온에서의 자화곡선 및
(b)자화율 온도변화
(2) BFCO 박막에서의 전기장 인가 자화반전
그림9. 전기분극 반전 전(상)과 전기분극 반전 후(하)의 BFCO 박막의 실온에서의
PFM 상(좌)과 MFM 상(우)
3-3. 국립대학법인 도쿄대학
(1) 토폴러로컬 포토닉스의 진전
그림10. (좌)반도체 2차원 포토닉 결정의 SEM상 (우)삼각 격자구조의
에어홀 타입 2차원 포토닉 결정의 전형적인 밴드도
(2) 밸리 포토닉 결정을 이용한 도파로와 응용
그림11. 밸리 포토닉 결정
그림12. 밸리 포토닉 결정의 밴드 끝 상태의 자기장 위상분포
그림13. 밸리 포토닉 결정의 지그재그 인터페이스에서의 에지 상태
그림14. 일반 포토닉 결정 도파로(좌)
밸리 포토닉 결정 도파로(우) 광전파 차이
(3) 토폴로지컬 나노 공진기와 그 응용
그림15. 토폴로지컬 나노 공진기
(좌)토폴로지컬 나노 공진기 레이저, (우)코너 상태를 이용한 공진기
(4) 토폴로지와 포토닉스의 응용
그림16. 토폴로지와 물성과학의 융합이 새로운 확대를 창출
3-4. 공립대학법인 도쿄도립대학
(1) 원자 두께의 반도체 재료를 자유자재로 접합하는 데 성공
그림17. (a)단층TMD(b) 이번에 합성한 TMD의 접합구조 모식도
그림18. (a)본 연구에서 개발한 CVD장치 모식도
(b)서로 다른 조성의 TMD 결정을 연속적으로 성장시키는 프로세스 모식도
그림19. 합성한 시료에서 조성이 바뀌는 영역의 (a)원자 상
(b)전기적 성질(밴드갭, 국소상태밀도)의 변화를 가시화한 실험결과
(2) 궁극적으로 가는 원자세선으로 이루어진 대면적 박막을 실현
그림20. TMC 원자 세선의 구조 모식도
그림21. 기판 위에 합성한 (a)TMC 원자 세선이 집적된
나노섬유의 랜덤 네트워크 박막의 SEM 상
(b)한 방향으로 제어되어 성장한 나노섬유의 AFM 상
(c)마찬가지로 한 방향으로 응집한 TMC 원 자세선 나노섬유의 SEM 상과 구조 모델
(3) 크라운 에테르 처리에 의한 단층 MoS2의 대기 중 안정성과
효율적인 전자 도핑
그림22. 도판트가 표면에 흡착된 단층 MoS2 구조 모델과
제작한 전계효과형 트랜지스터의 도프 전후 특성 변화
3-5. 국립대학법인 홋카이도 대학
그림23. (a)개발한 InAs QD와 희박 질화GaAs(GaNAs)의 터널결합구조와
스핀 필터링 증폭을 나타내는 모식도
(b)실온 원편광 발광 스펙트럼과 110℃를 포함한 원편광도
그림24. 반도체 중의 전자스핀 편극률의 측정온도의존성:
선행보고와 본 연구결과 비교
그림25. (a) 본 연구의 QD/GaNAs 터널결합구조와 비교용 QD에서의
실온에서 얻은 원편광 발광 강도와 발광 원편광도의 시간변화
(b)QD의 원편광 발광특성의 GaAs 터널 배리어 두께 의존성
3-6. 국립대학법인 요코하마국립대학
(1) QD의 위치 제어
그림26. 양자회로 실현을 위한 양자 닷의 위치 제어
그림27. (좌측 상단)QD와 나노홀, (좌측 하단) 실리카 코트 QD와 나노홀
(우) 실리카 코트 QD의 SEM 상
(2) 포토닉닷(PD)의 형성
그림28. 제작한 PD의 모식도(좌)와 SEM 상(우)
그림29. 플레이너 구조에 의한 회로화 (상)액티브 소자와 패시브 소자의
모식도, (하)PD 어레이, 도파로에 의한 직렬접속, 양자연산회로의 SEM 상
(3)QD+메타머티리얼 구조
그림30. PD와 메타머티리얼 요소의 조합
(좌)모식도, (우)실물소자의 SEM 상
3-7. 국립연구개발법인 이화학연구소
그림31.Si의 액셉터 원자에 결합한 정공의 스핀궤도 상호작용을 나타내는 그림.
(좌)Γ점에서 가전자대에는 2개의 분산(LH와 HH)이 있다
(우)HH 및 LH 상태는 기계적으로 완화된 결정에서는 축퇴되어 있다
그림32. 왜곡이 가해진 시료의 모식도
그림33. 기계적인 왜곡을 가한 28 Si:B 샘플 시료
(좌)샘플과 스핀 공명에 의한 시험배치 모식도
(우측 상단)X선에 의한 결정 왜곡 시험결과, (우측 하단)샘플 실물사진
그림34. Hahn Echo법에 의한 간섭시간 측정결과
그림35. CPMG법에 의한 간섭시간 측정결과
4. 양자 재료의 장래 전망
제7장 양자 AI
양자 AI
양자컴퓨터와 AI를 잘 조합하여 '양자 AI'로서
활용함으로써 새로운 지평이 열리다
1. 가속화되는 AI의 진보
2. 양자 AI란
3. 양자 AI의 시장규모 예측
그림·표1. 양자 AI의 일본 국내 및 세계 시장규모 예측(금액: 2025~2050년 예측)
그림·표2. 양자 AI 방식별 일본 국내 시장규모 예측(금액: 2025~2050년 예측)
4. 양자 AI 관련 기업·연구기관의 대응 동향
그림·표3. 양자 포토닉스의 일본 국내 및 세계 시장규모 예측(금액: 2020~2045년 예측)
4-1. 주식회사 그루브노츠
(1) 양자컴퓨터와 AI를 활용한 클라우드 플랫폼 사업
그림1. 'MAGELLAN BLOCKS'의 콘셉트
그림2. MAGELLAN BLOCKS 양자컴퓨터 솔루션의 아키텍처
그림3. MAGELLAN BLOCKS 양자컴퓨터 솔루션에
구현되어 있는 모델 예시
그림4. 다양한 업종의 다양한 문제를 해결하기 위해
양자컴퓨터와 AI를 구사하다
(2) 'MAGELLAN BLOCKS'의 활용 사례
그림5. 폐기물 수집 경로의 최적화 이미지
그림6. 사람과 로봇이 공존하며 일하는 이미지
그림7. 차량운용계획에서 고려해야 하는 요건의 이미지
4-2. 대학공동이용기관법인 정보·시스템연구기구 국립정보학연구소(NII)
(1) 지금까지의 성과
(2) 시간결정이 가능하게 하는 양자 세계의 복잡한 네트워크 구조 발견
그림8. 주기적인 제어가 만들어 내는 주기2를 갖는 이산적인 시간결정 모식도
그림9. 주기2의 시간결정이 만드는 양자 상태상의 네트워크
그림10. 주기2의 시간결정이 녹기 시작함으로써 출현한
스케일프리 네트워크의 일례.
4-3. 국립연구개발법인 산업기술종합연구소
(1) 재료개발 및 신약개발 분야의 물성치 계산·예측 상황
(2) 새롭게 개발한 DL기술 방법
그림11. DL모델=NN 개념도
그림12. DL모델을 이용하여 화합물로부터 물성치를 유도하는 순서
(3) DL기술에 의한 계산결과와 이론계산·시뮬레이션 결과와의 비교
그림13. 이번 ML과 이론계산으로 얻은 에탄과
벤젠화학결합의 전자밀도 비교
그림14. 물성값(에너지)의 외삽 예측 정밀도
(4) DL기술의 발전형
그림15. 이번에 개발한 DL모델의 발전 가능성
4-4 주식회사 Jij
(1) 니즈가 증가하고 있는 최적화 문제
그림16. 해결하기 어려운 문제를 최적화 계산으로 푼다
(2) Jij가 전개하는 서비스
그림17. 'Jij Zept'는 알고리즘과 하드웨어 선정을 연결
그림18. Jij의 3가지 대응
(3) 최적화 문제 해결의 사회 구현 사례
그림19. 사회 구현 사례: 교통신호 점멸패턴 최적화 문제
(4) 'Jij Zept'의 의의
그림20. 'Jij Zept' 계산기반
그림21. 'Jij Zept'에서의 제약조건 조정
4-5. 국립대학법인 쓰쿠바대학
그림22. 주회적분형 고유치해법의 적용을 통한 고유공간 추출
그림23. 행렬 트레이스의 주회적분을 이용한 고유치밀도 추정
4-6. 국립대학법인 도쿄대학
그림24. 내부의 결합 무게를 랜덤으로 결합한 인공 RNN 모식도
그림25. RC/QRC 하이브리드 계산 태스크의 일례
그림26. 앞으로의 QRC 방향성
4-7. 국립대학법인 미에대학
(1) 양자초월성을 나타내는 의의
(2) 선행연구
그림27. 양자회로의 예: 1차원, 깊이4, 입출력6 양자비트의 회로
(2양자비트 소자로만 구성)
그림28. 양자회로의 예, 노란 부분은 회로 내에 있는 y4에 대한 영향범위를 표시
(3) 실험
그림29. 깊이3의 입력 비트 수와 충실도의 관계
그림30. 깊이4의 입력 비트 수와 충실도의 관계
그림31. 입력비트 수와 실행시간의 관계
(4) 결론
5. 양자컴퓨터가 가져올 AI와 인류의 미래
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