ナノカーボン単一光子デバイス開発

• 研究課題/領域番号: 20H02210
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分21060:電子デバイスおよび電子機器関連
• 研究機関: 慶應義塾大学
• 研究代表者: 牧 英之 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (10339715)
• 研究分担者: 前田 優 東京学芸大学, 教育学部, 教授 (10345324)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2022年度: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円); 2021年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円); 2020年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
• キーワード: 量子暗号 / ナノカーボン / 光デバイス / 量子デバイス / 単一光子

研究開始時の研究の概要

量子コンピュータの登場により現代暗号が脅威にさらされており、量子コンピュータが実現しても破られることのない、絶対安全な暗号技術として光子一個に情報を載せる量子暗号通信が注目されている。本研究では、一般向けの汎用量子暗号通信を実現する次世代の材料系としてカーボンナノチューブ（CNT）やグラフェンといったナノカーボン材料に注目し、量子暗号の普及に不可欠なデバイス技術を、ナノカーボンの持つ特異な光・電子・熱物性とそれを応用した光・電子デバイスで実現することを目指す。

研究成果の概要

本研究では、カーボンナノチューブおよびグラフェンを用いた光・電子デバイスとして、カーボンナノチューブを用いた単一光子源の開発、CNTやグラフェンを用いたシリコンフォトニクス素子開発に関する研究を進めた。ここでは、カーボンナノチューブの架橋構造の制御や分子修飾された、カーボンナノチューブからの発光の観測に成功した。また、カーボンナノチューブとシリコンフォトニクスのエバネッセント光結合技術開発を進め、カーボンナノチューブとシリコンフォトニクスの結合技術の構築に成功した。さらに、カーボンナノチューブをテンプレートとした超伝導デバイスの新規作成方法の構築とデバイス作製技術の構築に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究により、カーボンナノチューブやグラフェンといったナノカーボン材料の持つ特異な光・電子・熱物性とそれを応用した光・電子デバイスの開発に成功し、将来的には、一次元励起子局在技術を用いた単一光子源の開発や、シリコンフォトニクス光技術や集積ナノカーボン素子開発、新しい超伝導ナノワイヤー素子開発が可能となる。これにより、従来の固体半導体では実現が困難な集積光デバイスの基盤技術構築に成功した。