早稲田大学教員公募要領

2024年度の複合領域科目でTAを募集しています。関心のある方は以下のポスターを確認の上、ぜひ、ご応募ください。

• TA募集ポスター_綜合科目2024

早稲田大学　基幹理工学部　応用数理学科_公募要領_数理物質工学分野

早稲田大学　基幹理工学部　応用数理学科_公募要領_情報理論分野

制約をもつ組合せ最適化問題を量子計算機で高精度に解くための手法を開発
〜量子ソフトウェアの要素技術への応用に期待〜

発表のポイント

現実世界の組合せ最適化問題は一般的に多くの制約（守らなければならないルール）を含むため、制約を効率的に取り扱う量子アルゴリズムの開発は重要である。

本研究では、組合せ最適化問題がもつ制約を取り扱うための制約適合処理手法を構築し、変分法を用いた量子アルゴリズムと組み合わせることで、量子計算機の精度を改善する手法を開発した。

本手法を取り込んだ量子計算機ソフトウェアの開発により、高精度に現実世界の組合せ最適化問題を解くことが期待できる。

量子アニーリング計算機※1やゲート型量子計算機※2といった量子計算機を現実世界の組合せ最適化問題※3に活用するためには、組合せ最適化問題がもつ制約を効率的に取り扱うことが重要となります。これを受け、早稲田大学理工学術院講師の白井達彦（しらい たつひこ）氏、同大学理工学術院教授の戸川望（とがわ のぞむ）氏らの研究グループは、制約をもつ組合せ最適化問題を量子計算機で精度高く解くための新しい手法（図１）を開発しました。さらに、本研究グループは、この手法を量子アニーリング計算機およびゲート型量子計算機に適用し、実量子計算機でその有効性を確認しました。

本研究成果は、米国のIEEE Computer Societyが発行する『IEEE Transactions on Quantum Engineering』online版にEarly Access Articlesとして2024年3月13日（水）（現地時間）に掲載されました。

論文名：Post-processing variationally scheduled quantum algorithm for constrained combinatorial optimization problems

（１）これまでの研究で分かっていたこと（科学史的・歴史的な背景など）

現実世界のあらゆるところに存在する組合せ最適化問題は大規模になるほど、従来型のコンピュータで最適解を得ることが困難になるため、様々な解法が研究されています。中でも近年、量子アニーリング計算機やゲート型量子計算機といった量子力学の原理に従って動作する新しいタイプの計算機が注目されています。量子計算機は国内外で研究開発され、一般のユーザーもクラウド上で使用できる段階になっています。

しかし、量子計算機を活用するにはまだ課題が多くあります。とくに、現在の量子計算機はノイズの影響があるため、エラーなく実行できる時間が制限されます。そのため、短時間で計算することができる量子アルゴリズムの開発が重要となります。ノイズがある量子計算機が短時間の計算処理によって組合せ最適化問題を解法する手法として、これまで変分法※5を用いた量子アルゴリズムが開発されてきました。しかし、後述する制約をもつ組合せ最適化問題では、十分な精度を達成することは難しいという問題がありました。

（２）今回の新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと

今回の研究では、制約を満たさない解に対し、制約を満たす解に変換する制約適合処理手法を構築し、変分法と組み合わせることで、制約をもつ組合せ最適化問題を解くための量子アルゴリズムを構築しようと試みました。

たとえば、図1では、２個の頂点をもつグラフを１個の頂点をもつ2個のグラフに分割する問題を考えます。各頂点について1個の量子ビットを対応させます。すると２個の量子ビットが必要となります。２個の量子ビットのうち、一方は赤丸（０）、もう一方は青丸（１）とする必要があります。これが制約です。ところが量子計算機は一般に制約を満たさない解を出力します。たとえば２個の量子ビットの両方が赤丸（０）あるいは両方が青丸（１）となるような解です。このような制約を満たさない解は大きなエネルギー値をもつため、変分法を用いた量子アルゴリズムの精度を悪化させる要因となります。そこで制約適合処理手法を用いることによって、制約を満たさない解を、制約を満たす解に変換することを考えました。すると、制約を満たす解空間において変分パラメタの最適化を行うため、精度高く組合せ最適化問題の最適解を探索することができます。また、本手法は、量子アニーリング計算機、ゲート型量子計算機といった量子計算機のタイプによらず導入することができます。どちらのタイプの実量子計算機においても、本手法が有効であることを明らかにしました。

（３）そのために新しく開発した手法

本手法を用いて制約をもつ組合せ最適化問題を解くことを考えます。この際、制約を満たさないすべての解を、制約を満たす解に変換することのできる制約適合処理手法を構築することがポイントとなります。

今回の研究では、できる限り汎用的な制約適合処理手法を構築することを目指しました。そこで、すべての局所最適解※6が制約を満たす解となるための条件を理論的に証明しました。この条件が満たされるとき、局所最適解を求めるための手法、たとえば貪欲法※7によって制約適合処理手法を構築することができます。この条件は、独立な線形制約※8をもつ組合せ最適化問題に対して成り立ち、現実世界に現れる多くの組合せ最適化問題に対して適用することができます。さらに典型的な組合せ最適化問題に対して、具体的に本手法が適用可能であることを示しました。
さらに量子計算機で解くことが困難とされる組合せ最適化問題のグラフ分割問題に対して、制約適合処理手法を組み込んだ場合（提案手法）と組み込まなかった場合とを比較した結果、量子アニーリング計算機では平均して残留エネルギー※9を85%削減、ゲート型量子計算機では平均して残留エネルギーを87%削減し、得られる解の精度が改善することが分かりました（図2）。

（４）研究の波及効果や社会的影響

本手法を使うことによって、エラーなく実行可能な時間が制限されている量子計算機においても、より精度高く制約をもつ組合せ最適化問題を解くことができます。本手法は量子計算機に簡単に導入することができることから、現在のまたは近未来的に実現する量子計算機の性能を最大限引き出すための量子ソフトウェア開発の要素技術として利用されることが期待されます。たとえば、今回の手法により交通流の最適化が実現すると、渋滞の解消や二酸化炭素排出量の削減など社会的問題へ大きく貢献する可能性があります。

（５）今後の発展

本手法では、制約をもつ組合せ最適化問題を量子計算機で効率的に解く手法を開発しました。今後、一層広範囲な組合せ最適化問題への適用を進めながら、実世界に見られる様々な具体的な問題に対して、本手法の有効性を検証していきます。

（６）研究者のコメント

本研究では量子計算機を精度高く利用するための手法を開発しました。本研究で開発した手法を使うことで、量子計算機の性能が最大限発揮され、今後新たに量子計算機を活用できる事例が増えることを期待します。

（７）用語解説

※1　量子アニーリング計算機
組合せ最適化問題を高速に解決すると期待される計算機。量子効果により量子重ね合わせ状態を実現させ、それを初期状態として用意し、徐々に量子効果を弱める。同時に組合せ最適化問題を表現するイジングモデルの効果を強めることにより、イジングモデルの安定状態を実現させるという機構で動作する。

※2　ゲート型量子計算機
現在の計算機を構成するビットを量子ビットで置き換えた計算機であり、量子ゲートと呼ばれる演算を量子ビットに作用させることで動作する。

※3　組合せ最適化問題
膨大な選択肢の中から､与えられた制約を満たしつつ、関数の最小値（または最大値）をとる選択肢を求める問題の総称。

※4　グラフ分割問題
与えられたグラフの頂点集合を２個の部分集合に分割する問題。それぞれの部分集合に含まれる頂点の個数を等しくするという制約の下、異なる部分集合の間をつなぐ辺の数を最小にする組合せ最適化問題。

※5　変分法
目的関数が最小値（または最大値）となる関数を求める手法。図１では、目的関数がイジングモデルのエネルギー期待値に対応し、変分パラメタの値を更新することでエネルギー期待値の最小値を探索する。イジングモデルのエネルギー期待値の最小値が組合せ最適化問題の最適解の目的関数の値に対応する。

※6　局所最適解
組合せ最適化問題の解のうち、その周囲の解と比較して、局所的に目的関数の値が小さい（または大きい）解。局所最適解は解空間の中にいくつも存在し、その中で目的関数の値を最小（または最大）とする解が真の最適解となる。

※7　貪欲法
組合せ最適化問題に対して、繰り返し、現在得られている解をその周囲の解の中から目的関数の値が最も小さい（または最も大きい）解に更新することで、局所最適解を求める方法。

※8　線形制約
変数が満たす必要のある線形等式や線形不等式のこと。たとえば、図１で一方の量子ビットの値が0、もう一方の量子ビットの値が１という制約は、q_1+q_2=1という線形等式で与えられる（q_i (i∈{1,2})は0もしくは1の値をとる）。

※9　残留エネルギー
組合せ最適化問題を解いた際に得られた解の精度を評価する指標の一つ。得られた解の目的関数の値と真の最適解の目的関数の値の差で与えられ、値が小さいほど解の精度が良いことを表す。

（８）論文情報

雑誌名：IEEE Transactions on Quantum Engineering
論文名：Post-processing variationally scheduled quantum algorithm for constrained combinatorial optimization problems
執筆者名：Tatsuhiko Shirai（早稲田大学）, Nozomu Togawa（早稲田大学）
掲載日：2024年3月13日（水）
掲載URL：https://doi.org/10.1109/TQE.2024.3376721
DOI：10.1109/TQE.2024.3376721

（９）研究助成

研究費名・研究課題名：科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業 ＣＲＥＳＴ「地理空間情報を自在に操るイジング計算機の新展開」（JPMJCR19K4）
研究代表者名：戸川望（早稲田大学・教授）
早稲田大学における研究代表者名：理工学術院　教授　戸川望

研究費名・研究課題名：日本学術振興会（ＪＳＰＳ） 科学研究費助成事業 基盤研究（C）「量子古典ハイブリッド計算技術による物質シミュレーション高速化手法の研究」（21K03391）
研究代表者名：田中宗（慶應義塾大学・准教授）
早稲田大学における研究代表者名：理工学術院　講師　白井達彦

眼前の友人の存在は心拍数の減少を引き起こす

親しい間柄の他者の存在は私たちの副交感神経活動を活性化させ、心拍数を下げる

発表のポイント

他者の存在は、私たちの主観的な気持ちを変化させると同時に、心拍数などの生理的な反応を変化させることが知られています。

本研究によって、親しい友人が目の前（パーソナルスペース内）にいるとき、副交感神経活動が活性化し心拍数が減少することが明らかとなりました。

本研究の成果は、円滑なコミュニケーション確立のための介入法や臨床的な示唆という観点から、発達科学や社会科学、精神病理学等の関連領域への貢献が期待されます。

親しい人が近くにいるとき、私たちの身体にはどのような反応が起こるのでしょうか？早稲田大学理工学術院総合研究所 向井香瑛（むかいかえ）次席研究員、同大理工学術院 渡邊克巳（わたなべかつみ）教授らの研究グループは、親しい間柄にある他者の存在が、私たちの生理的反応にどのような影響を与えるかを調べました。友人ペアをさまざまな位置で配置したときの心電図データを記録したところ、正面に友人が存在するとき、副交感神経^※１の活動が活性化することで、心拍数が減少することが明らかになりました。また右手側に友人が存在するとき、副交感神経活動の活性化はみられませんでしたが、正面にいる時と同様に心拍数が減少することも分かりました。

本研究成果は、Springer Nature社発行の『Scientific Reports』に2024年2月21日（水）（現地時間）にオンラインで掲載されました（論文名：Electrocardiographic activity depends on the relative position between intimate persons ）。

（１）これまでの研究で分かっていたこと（科学史的・歴史的な背景など）

私たちは他者とコミュニケーションを取るとき、快適だと感じる空間を維持することが知られています。この空間はパーソナルスペースと呼ばれ、私たちの身体を取り囲むように広がっています。他者がパーソナルスペース内に侵入すると、不快な感情が沸き起こり、他者から逃げようとする反応が観察されることもあります。この空間の大きさは、他者との社会的な関係性（パートナー、友人、知らない人など）やコミュニケーションの目的などから影響を受けることも明らかになっています。パーソナルスペースに関連する研究の多くは、「快適さ」という主観的な気持ちを指標として用いてきました。しかし近年の研究では、他者が身体の周辺にいるとき、気持ちだけでなく客観的な指標である心拍数や皮膚電気活動^※２などの生理的な反応も変化することが報告されています。例えば、知らない人がパーソナルスペース内に侵入すると、心拍数の上昇や皮膚電気活動の活性化など、交感神経活動にかかわる生理的な反応の変化がみられることが示されています。

（２）今回の新たに実現しようとしたこと、明らかになったこと、新しく開発した手法

これまでの研究から、知らない人の存在によって交感神経活動にかかわる生理的な反応の変化がみられることが示されていますが、知り合いの場合でも、同じような生理的な反応の変化がみられるのでしょうか？この問いを明らかにするために、本研究は、親しい友人がパーソナルスペース内にいるときに私たちの身体にどのような生理的反応が生じるのかを実験的に検証しました。親しい間柄にある友人同士16組に実験に参加してもらい、さまざまな位置関係で立っているときの心電図データを記録しました（図２）。

その結果、親しい友人が目の前にいるとき、他の位置関係のときよりも、心拍数が減ることが明らかになりました（図３a）。また、心電図データから自律神経の活動を調べたところ、副交感神経活動の活性化がみられることが分かりました（図3b）。心拍数の減少は、副交感神経活動の活性化によって引き起こされることが知られています。このことから、私たちは、親しい友人の存在が副交感神経活動を活性化させ、その結果、心拍数が減少したと解釈しました。

さらに興味深いことに、副交感神経活動の変化はみられなかったものの、友人が右手側にいるとき（友人の右顔を見ているとき・友人に自分の右顔を見られているとき）も心拍数の減少がみられました。その一方で友人が左手側にいるとき（友人の左顔を見ているとき・友人に自分の左顔を見られているとき）や背後にいるとき（友人の背中をみているとき・友人に自分の背中をみられているとき）は心拍数の変化は観察されませんでした。右手側と左手側で異なる生理反応が生じた背景のひとつには、利き手側と非利き手側のパーソナルスペースの大きさの違いが考えられます。先行研究では、利き手側のパーソナルスペースの方が小さいことが報告されており、この非対称性が生理的反応の違いを生み出した可能性があると考えています。しかし、本研究では左右のパーソナルスペースの形状の違いは検証できていません。今後この可能性を追究していきたいと考えています。

（３）研究の波及効果や社会的影響

私たちは、さまざまな間柄の人に囲まれながら社会生活を送っています。通学・通勤中は見知らぬ人と電車、バスで近くに座り、学校・職場では気心の知れた友人や同僚、少し緊張する先生や上司が近くにいて、家ではホッと安心できる家族との時間を過ごしています。日々接する他者の存在は、さまざまな形で自己に影響を与えます。本研究は、親しい友人が目の前にいると、副交感神経活動に関連する心拍数の変化が引き起こされる可能性を示しました。

本研究の成果は、円滑なコミュニケーション確立のための介入法の提案や臨床的な示唆という観点から、発達科学や社会心理学、精神病理学など対人コミュニケーションと関わる諸研究領域にも重要な知見となることが期待されます。例えば、大人よりも社会的なつながりが少ない子どもでは、他者の存在による影響は大人と異なる可能性があります。発達的な変化を調べることで、発達段階に応じて異なるコミュニケーション法を提案することができるかもしれません。また、対人不安など社会的な困難を抱える人がより生きやすくなるような社会づくりにも貢献できると考えています。

（４）課題、今後の展望

親しい友人が存在するときの生理的反応の変化を調べたい、という目的は達成した一方で、私たちの研究にはまだ検証すべき点が残っています。私たちが他者とコミュニケーションをとるとき、快適だと感じる空間の大きさや形状は、人によって異なることが明らかになっています。つまり、同じ距離に他者がいたとしても、生起する感情や誘発される生理的反応は人によって異なる可能性があるということです。本研究では、全ての友人ペアで同一の距離を用いたため、このような個々人の違いは考慮できていません。今後の研究では、個人差にも目を向け、より一般的な場面にも言及することができるよう、様々な対人コミュニケーション場面での生理的反応の変化を引き続き調べていきたいと考えています。

（５）研究者のコメント

向井：目覚ましいデジタル技術の普及により、私たちは遠隔地にいる他者とも簡単に連絡やコミュケーションを取ることができる時代になりました。本研究は、あえてそのような時代に“オフラインでのやりとりが私たちの身体にどのような変化を生み出すのか？”という問いをリサーチクエスチョンに据え、取り組んできた研究です。今後も引き続き、人同士のオフラインのコミュニケーション場面に着目し、二者や集団内でのやりとりが私たち自身にどのような変化を生じさせているのかを調べていきたいと思います。

（６）用語解説

※１　副交感神経活動

主に休息時やリラックス時にはたらく自律神経活動のこと。心拍数や血圧の減少などが副交感神経の活性化と関連している。一方で、活動時や緊張している時にはたらく自律神経活動は交感神経活動と呼ばれる。副交感神経活動と交感神経活動は互いに相反する役割を担うとされる。

※２　皮膚電気活動

汗腺活動によって生じる皮膚の電気現象のこと。人の心理的な状態を評価するための指標として使われる。

（７）論文情報

雑誌名：Scientific Reports
論文名：Electrocardiographic activity depends on the relative position between intimate persons
執筆者名：*Kae Mukai (Waseda University), Tomoko Isomura (Nagoya University), Ryoji Onagawa (Waseda University), Katsumi Watanabe (Waseda University)
掲載日時：2024年2月21日（水）
掲載URL：https://www.nature.com/articles/s41598-024-54439-5
DOI：https://doi.org/10.1038/s41598-024-54439-5

（８）研究助成

研究費名：ムーンショット型研究開発事業・JPMJMS2012
研究課題名：非接触表面情報からの身体運動を伴う場合の心身状態の推定
研究代表者（所属機関名）：渡邊克巳（早稲田大学）

研究費名：科学研究費助成事業（若手研究）・19K20651
研究課題名：他者による自己の身体感覚の変容
研究代表者（所属機関名）：磯村朋子（名古屋大学）

研究費名：科学研究費助成事業（研究活動スタート支援）・20K22293
研究課題名：対人協調ダイナミクスに潜む心理的要因：身体的相互作用課題を用いた検証
研究代表者名（所属機関名）：向井香瑛（早稲田大学）

研究費名：科学研究費助成事業（特別研究員奨励費）・21J01257
研究課題名：対人魅力が対人運動協調の「相性」に及ぼす影響とその神経基盤の解明
研究代表者名（所属機関名）：向井香瑛（早稲田大学）

研究費名：科学研究費助成事業（基盤研究(A)）・22H00090
研究課題名：クロスモーダル型人間拡張技術の知的基盤の構築
研究代表者（所属機関名）：渡邊克巳（早稲田大学）

研究費名：科学研究費助成事業（基盤研究(B)）・22H03494
研究課題名：心拍リズムに基づく情報サンプリング機構の発達に関する生理心理学的研究
研究代表者名（所属機関名）：磯村朋子（名古屋大学）

【キーワード】

パーソナルスペース、友人、生理的反応、心拍数、副交感神経活動

屋外設置型IEEE802.15.3d テラヘルツ通信装置の開発に成功

2024年2月5日の東京地方大雪時も連続動作

発表のポイント

実用環境では必須となる屋外設置可能な15.3d準拠のテラヘルツ通信装置を開発し、長期連続伝送実験を開始いたしました。

指向性の高いアンテナを簡単かつ安定的に動作させるためのアンテナ自動調整機能を開発しました。

悪天候に左右されにくい、信頼性の高い次世代移動通信システムBeyond5G /6Gシステムの基地局を接続するためのネットワーク構築に貢献することが期待されます。

早稲田大学（以下、早大）理工学術院の川西哲也（かわにしてつや）教授の研究グループは、岐阜大学工学部の久武信太郎（ひさたけしんたろう）教授らと共同で、屋外設置可能なテラヘルツ通信装置を開発し、早大西早稲田キャンパス（東京都新宿区）内で長期連続伝送実験を開始しました。これまでのテラヘルツ通信は実験室レベルでの実証がほとんどでしたが、本研究では、24時間屋外動作を可能としました。通信装置の姿勢制御機能を実装し、アンテナ自動調整を実現しました。現在、降雨・降雪時を含む天候変動時の伝送特性評価を実施中で、2024年２月５日の東京地方大雪時のテラヘルツ伝搬特性を計測し、今後のシステム設計に有用な情報の取得に成功しました。信号形式・周波数などはテラヘルツ通信規格IEEE802.15.3d^※１に準拠しています。

１．研究の背景

次世代移動通信システムBeyond5G /6Gシステム^※２の基地局を接続するためのネットワーク（バックホール・フロントホール^※３）において、その一部を高速テラヘルツ通信が担うことが期待されています。これまでの研究報告のほとんどは実験室内での実証や測定器を使った通信の模擬によるものでした。テラヘルツ無線は雨や雪の影響を受けやすいという課題があり、その影響を評価する必要がありました。また、ミリ波帯・テラヘルツ帯ではその波長の短さからアンテナ方向の精密調整が必要という課題もありました。

２．今回の研究成果および新しく開発した装置について

屋外設置可能なIEEE802.15.3d準拠のテラヘルツ通信装置の開発に成功しました（図１、２参照）。テラヘルツ帯通信実験では測定器による伝送の模擬や単方向の画像伝送をデモンストレーションするものが大半ですが、今回開発した装置はイーサネットインターフェースを有しており、実データの双方向伝送を可能としています。

また、屋外において連続伝送実験を行うための筐体の開発、センサー装置の実装を行いました。ミリ波帯やテラヘルツ帯ではビーム幅の細い電波を用いますが、アンテナ方向の調整にコストがかかるという課題がありました。本研究では、精度の高い機構設計と精密電動雲台による制御により、自動アンテナ方向調整を実現しました。また、テラヘルツ帯では送信と受信のアンテナを共通にすることが困難であったために、それぞれ個別のアンテナを用いることが一般的でした。本研究では、300GHz帯回路を設計し、送受アンテナ共通化と機構設計の精密化により、装置の小型化、防水対応、アンテナ方向精度の向上を図りました。

早大西早稲田キャンパス内に一組のテラヘルツ通信装置を設置し、現在、長期連続伝送実験を実施中です。気象センサー、装置内温度センサー、振動センサーなどを備え、風雨・降雪・温度変化と伝送特性の相関を連続的に観測することが可能です。2024年2月5日（月）の東京地方降雪時においても連続データ取得をいたしました。図3に示すように大雪時に受信電力(RSSI^※4）の大きな変動が確認されました。詳細については現在解析中ですがアンテナへの着雪と落雪が繰り返されたことによると推定しています。

３．今後の展開

今回開発した屋外で動作させることが可能な小型のテラヘルツ通信装置を活用し、実用化に向けて、伝送容量・伝送距離拡大や、他の無線器との干渉の影響の解析など様々な実験を実施します。さらに、複数のテラヘルツ通信装置を連携させ、悪天候時にもおいても安定的に動作するシステムの実現を目指します。

今回開発したテラヘルツ通信装置の技術的内容については、2024年3月5日（火）から8日（金）に広島大学で開催される電子情報通信学会総合大会にて発表予定です。本研究の成果をベースに、JST ASPIRE事業（JPMJAP2324）「マルチフィジックスICTデザイン」を進める予定です。電子工学・機械工学・材料工学などの学際領域の知見を結集し、マルチフィジックスICTという新しい概念の構築を目指すものです。今回開発した通信装置は、最新の電子デバイスを用いた送受信器、精度の高い微動機構によるアンテナ制御、気象状況の詳細測定などの技術をベースとしています。ASPIRE事業では、テラヘルツ波、光ファイバなどの様々な伝送媒体を用いたネットワークを電子工学、機械工学などを駆使してデザインすることを目標としています。当ASPIRE事業の概要については、上記の電子情報通信学会総合大会のスポンサードセッションとして3月6日（水）に開催されるキックオフミーティングにて発表予定です。

【研究プロジェクトについて】

本研究成果の一部は国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT（エヌアイシーティー））の革新的情報通信技術研究開発委託研究（JPJ012368C04301）「欧州との連携による300GHzテラヘルツネットワークの研究開発」によるものです。欧州委員会のHorizon2020、および国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT（エヌアイシーティー））の委託研究「大容量アプリケーション向けテラヘルツエンドトゥーエンド無線システムの開発（ThoR: TeraHertz end-to-end wireless systems supporting ultra high data Rate applications）」（研究期間：2018年7月1日から2022年6月30日まで）の研究成果も活用しています。

【各機関の主な役割】

早稲田大学：テラヘルツ伝送装置の開発
岐阜大学：アンテナ制御機構の開発

【用語解説】

※1　IEEE802.15.3d規格

ブルートゥースや無線 LAN で有名な IEEE802 規格の 1 つ。テラヘルツ帯における唯一の通信規格。

※2　Beyond5G/6G

最近サービスがはじまった移動通信システムは第5世代(5G)とよばれている。これに対して、次世代システムとしてBeyond5Gさらには 第６世代(６G)移動通信システムの開発が進められている。

※3　バックホール・フロントホール

携帯電話の基地局間を結ぶネットワーク。バックホールは無線通信で伝送するデジタルデータをやりとりするネットワークを指す。フロントホールは無線機本体とアンテナを分離して狭いビルの屋上など様々なところにアンテナを置くことを可能とするために期待されている技術で、無線機本体で作られた電波の波形をアンテナまで伝える役割を担う。役割としてテレビ本体とアンテナをつなぐケーブルと同じであるが、要求される性能が高いため現在では光ファイバが用いられることが多い。

※4　RSSI(Received Signal Strength Indicator)

無線通信装置において受信電力の目安をあたえる数値。測定器よりは精度がおちるが、無線装置の制御に広く用いられている。

早稲田大学（東京都新宿区　総長：田中愛治）は、きたる2024年3月12日、量子技術社会実装拠点（略称QuRICキューリック　拠点長：戸川望理工学術院教授）設立記念シンポジウムを開催いたします。

本シンポジウムでは、日本発量子コンピューティングの最前線に立つ産学官のキーマンからの解説に加えて、早稲田大学QuRICがめざす量子技術の社会実装と、これを加速するベンチャー企業2社から現在進行形である量子技術の実用化についてご紹介します。

当日は特別ゲストとして、理化学研究所 量子コンピュータ研究センター（RQC）センター長　中村泰信氏、産業技術総合研究所　量子・AI融合技術ビジネス開発グローバル研究センター (G-QuAT) 副センター長　川畑史郎氏にご登壇いただき、量子技術研究・開発・生産の現在地点を解説していただきます。

またパネル討論では、株式会社QunaSys 最高執行責任者（COO）の松岡智代氏をモデレータに迎え、本学の量子技術スタートアップ2社とともに「日本発量子技術と量子スタートアップを盛り上げるには何が必要か」をテーマに量子技術研究とビジネスの両面から討論いたします。

みなさまには、この機会にぜひともご来場くださいますよう、ご案内いたします。

• 日　　程：2024年3月12日（火）14:00～17:15
• 開催場所：早稲田大学リサーチイノベーションセンター（121号館）地下1階　コマツ100周年記念ホール
• 開催方法：対面
• 対　　象：研究者、学生、企業の方、報道関係者
• プログラム：こちらをご覧ください。

 

■プログラム、申し込みは下記特設ページから
https://www.quric-sympo2024.org/

 

公募要領_早稲田大学_先進理工学部_電気・情報生命工学科

2024年度 基幹・創造・先進理工学部一般入試（2月16、17日実施）の「英語」および「物理」「化学」のマーク解答問題について、解答を公表いたします。なお、上記科目に加え「数学」「生物」「空間表現」の「試験問題」および「記述解答問題の出題意図」については、6月ごろをめどに公表予定です。

2024年度理工一般 解答（英語）
2024年度理工一般 解答（物理・化学）

※ お問い合わせいただいた内容は本学で確認し、必要がある場合は、学術院Webページもしくは入学センターWebページに掲載いたします。個別に回答することはいたしません。

2023年11月に、東京都「大学研究者による事業提案制度」の事業化対象候補となっていた、理工学術院 所千晴教授の提案が、東京都の事業として正式に選定されました。東京に所在する大学として、都が推進する事業と連携し貢献できるのは、非常に光栄なことです。
このたび、東京都による感謝状贈呈式が開催されました。

• 提案者
  所 千晴（理工学術院 教授）
• 事業名
  小型リチウムイオン電池の安全・安心な処理フロー構築
• 提案者コメント
  これまでの研究では、電子機器や自動車等を廃棄する際、資源性を有するリチウム等の物質をいかに効率良く分離して資源循環させるか、ということに主眼をおいてきました。他方、リチウムイオン電池発火やこれに起因した火災の件数は増え続けており、ニュースでもしばしば耳にするようになりました。ところが、周囲の都民の方々からは、電池の捨て方や正しい廃棄場所が良くわからない、という声も聞こえてきます。このような状況を知り、私たちがこれまで培ってきた廃棄物/資源分離の知見を活用できるのではないかと考え、提案に至りました。都民投票で票を入れてくださった皆さまの期待に応えられるように、尽力いたします。
• 事業概要
  私たちの日常生活を豊かで便利にする電子機器に欠かせないリチウムイオン電池は、カーボンニュートラル実現のための再生可能エネルギー導入や電動化、デジタル化への要望に対応して需要が急速に拡大しています。それに伴って廃棄量も少しずつ増えていますが、その安全・安心な処理スキームはまだ確立されていません。都民がどこへ捨てたら良いかの情報提供が十分でないほか、家庭ごみに混入した場合には適切に除去しなければ火災など安全上の懸念があります。そこで本事業では、リチウムイオン電池等を都民が安心して捨てられる安全な回収システムの構築と、回収したリチウムイオン電池等を資源としてリサイクルする資源循環サプライチェーンの構築を提案します。

  

  図　小型リチウムイオン電池の安全・安心な処理フロー構築 概要（出典：所千晴教授）

令和5年度事業提案制度 感謝状贈呈式の様子

 

東京都事業提案制度とは

従来の発想に捉われない新たな視点や、東京に集積されている知を活用し、都政の喫緊の課題解決や東京の未来の創出に資する政策立案へと活用するため、都民、大学研究者、職員の方々から事業提案を募集し、都の施策へ反映させる制度です。
このうち、都内大学研究者からの研究成果、研究課題を踏まえた事業提案を募集するものが、「大学研究者による事業提案」です。令和5年度の募集では33件の提案に対し、有識者による審査、都民投票を経て、5件の選定となりました。

世界最高峰の学会で、コンピューティング領域をリードする

理工学術院・鷲崎教授、IEEE Computer Society会長就任へ

 

超薄型な可変焦点レンズに偏光分離機能を統合

―次世代の光通信技術へ応用可能なメタレンズ―

国立大学法人東京農工大学大学院の羽田充利氏（専門職学位課程１年）と阿出川彪氏（2023年3月博士前期課程修了）、青木活真氏（博士前期課程2年）、早稲田大学理工学術院の池沢聡研究院講師、東京農工大学大学院の岩見健太郎准教授は、メタサーフェス（注１）を利用して、光通信波長帯において偏光を分離しながら焦点距離を調整可能なメタレンズ（注２）を実現しました。この成果は、高速かつ大容量な次世代の光通信技術への応用が期待されます。

本研究成果は、Optica (旧米国光学会 OSA) 発行の Optics Express（IF=3.833, 電子版 2024 年 2月8日付）に掲載されました。
論文タイトル：Polarization-Separating Alvarez Metalens
DOI： 10.1364/OE.516853
URL： https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-32-4-6672&id=546455

研究背景：

メタアトム（注３）と呼ばれる光の波長より小さいサイズの構造体を配列して光を制御するメタサーフェスは、小型軽量な素子で様々な光学的機能を実現できることから、次世代の光学デバイスとして注目されています。これらは厚さ数百ミクロンの基板上に半導体の製造プロセスを用いて微細な柱状構造を配列したものであり、非常に薄型であるだけでなく大量生産も可能な特徴を持っています。また柱状構造の配置によってホログラフィや可変焦点レンズなど様々な機能を実現できるほか、メタアトムの形状によって偏光や波長に依存した設計も可能です。これらメタサーフェスの多機能性に着目し、今回私たちは、光通信技術へ応用可能な偏光の分離機能と可変焦点機能を併せ持つメタレンズを開発しました。

研究体制：

本研究は、国立大学法人 東京農工大学大学院 工学府 産業技術専攻の羽田充利氏（専門職学位課程1年）と同大学院工学府機械システム工学専攻の阿出川彪氏（2023年3月博士前期課程修了）、青木活真氏（博士前期課程2年）、早稲田大学理工学術院の池沢聡研究院講師、東京農工大学大学院工学研究院先端機械システム部門の岩見健太郎准教授により行われました。また、本研究の一部は日本学術振興会　科学研究費補助金　基盤研究(B)(一般)(21H01781)、基盤研究（C）(22K04894)の支援により行われました。また、本研究の試料作成には、文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」事業(課題番号 JPMXP1223UT1008)の支援を受け、東京大学微細加工拠点の共用設備を利用させていただきました。解析の一部は、東京工業大学のスーパーコンピュータ TSUBAME 3.0 を利用して行われました。

研究成果：

今回、光通信波長帯である波長1550 nmで動作する偏光分離機能を持つ可変焦点メタレンズを開発しました。これは、図１のように直交する2つの直線偏光成分を分離して異なる位置に集光させつつ、その焦点距離を変化させることができます。設計ではまず初めに、可変焦点メタレンズであるAlvarezメタレンズ（注４）の位相分布（注５）を改変し、光軸外に集光する可変焦点メタレンズの位相分布を導出しました。メタアトムの断面構造を長方形として垂直・水平直交偏光に対する位相遅延量を独立して制御し、集光位置の異なる位相分布を割り当てることで所望の機能を実現しました。設計したメタレンズは、東京大学微細加工拠点の電子線描画装置、反応性イオンエッチング装置を用いて製作し（図２）、設計波長の光源にてその機能を確認しました（図３）。

今後の展開：

社会の情報化に伴い、高速かつ大容量で安全な光通信技術への需要が高まっています。自由空間光通信（注６）は高速で秘匿性も高く、光ファイバーの敷設が不要で設置コストも低いため次世代の光無線通信技術として期待されています。空間中を伝搬する信号光は大気の揺らぎなどの影響を受けるため、受信装置においてはこれを追尾して検出器に誘導する調芯が必要です。また伝送容量の増大のためには、異なる情報を持つ偏光を多重化して伝送し、受信部で分離する偏光多重技術が使われています。本研究で開発したメタレンズを自由空間光通信の受信器に用いることで、調芯と偏光分離の二つの機能を小型の素子で担うことが可能になります。さらにメタレンズは半導体の製造プロセスにより大量生産することが可能であり、次世代の光通信設備の簡素化やコスト削減に貢献できると期待できます。

注１　メタサーフェス

光（電磁波）の波長に比べて小さいサイズの誘電体導波路構造を配列することで、自然界には存在しない屈折率や光機能を実現できる機能性表面。「メタ」は「高次な－」「超－」を意味する接頭語。

注２ メタレンズ

メタサーフェスの考え方に基づいて作られた、誘電体導波路を配列したレンズ。非常に薄型なことに加えて、偏光分離機能など従来のレンズでは実現できなかった機能を持つことができる。

注３　メタアトム

メタサーフェスを構成する、光（電磁波）の波長に対して微小なサイズの構造体のこと。本研究では、アモルファスシリコンで製作した196～396 nmの幅を持つ矩形断面のメタアトムを500 nm周期で配列した。

注４　Alvarezメタレンズ

2枚の光学素子からなる可変焦点レンズ。図1のように、重ねた2枚の光学素子を光軸と垂直な方向に駆動させ、その変位量によって焦点距離を制御する。光軸方向への移動を伴わないため薄型な特徴を持つ。

注５　位相分布

メタレンズ平面における、メタアトムが光波に与える位相遅延量の分布のこと。位相分布を適切に設計することで、メタレンズに所望の機能を与えることができる。

注６　自由空間光通信

光ファイバーの代わりに空間中を伝わるレーザー光線を用いた光通信技術のこと。高速通信が可能で傍受の危険が少なく、ファイバーの敷設が不要なため導入コストが低いといったメリットがあり、次世代の光通信技術として期待が大きい。

一般社団法人日本分析機器工業会と早稲田大学との連携と協力に関する包括協定書を締結

一般社団法人日本分析機器工業会(JAIMA、所在地：〒101-0054　東京都千代田区神田錦町2-5-16、会長：足立 正之／株式会社堀場製作所 代表取締役社長)は、早稲田大学（〒169-8050 東京都新宿区戸塚町1-104）との包括協定書を2024年2月1日付けで締結いたしました。

JAIMAは、2018年から早稲田大学大学院創造理工学研究科との協力のもと、早稲田大学で協力講座「素材機器分析評価」（創造理工学部との合併科目）を開講し、分析機器技術人材の育成に貢献しています。これまでに419人の学部生・大学院生が講座を受講し、分析機器の実学が学べる我が国唯一のJAIMA協力講座として受講者から大変好評を得ています。今回の包括協定書締結により、JAIMAと早稲田大学は、協力講座に加え、早稲田大学において推進する分析機器利用者向け技術研修プログラム（社会人となって通用する分析機器利用に関する知識及び技量を履修できる研修プログラム）を構築することを目指します。さらに、今後は人材育成・産学連携の推進などの幅広い相互協力を実施して参ります。

また、今回の包括協定書の締結を記念し、幕張メッセで開催される最先端科学・分析システム＆ソリューション展「JASIS (Japan Analytical and Scientific Instruments Show) 2024」（2024年9月4日(水)～6日(金)）にて記念講演を行う予定です。詳細につきましては、後日、JASISオフィシャルサイト（https://www.jasis.jp/）にてご案内させていただきます。

分析機器は、科学技術・産業技術の発展、安全安心をリードする我が国の社会的技術基盤です。JAIMAと早稲田大学は、この社会的技術基盤の将来の発展や社会課題解決を導く人材の育成に努めて参ります。

一人ひとりに適した食を提案・提供する「個別化・層別化栄養」の実現へ！

「Precision Nutritionの実践プラットフォームの構築と社会実装」が本格稼働（内閣府BRIDGE）

【全体概要】
早稲田大学は、医薬基盤・健康・栄養研究所（代表機関）と参画15機関（大学・民間企業等：九州大学、京都大学、コラゾン、島津製作所、食の安全分析センター、新南陽商工会議所、東京農業大学、Noster、樋口松之助商店、プレシジョンヘルスケア研究機構、ヘルスケアシステムズ、堀場製作所、森永乳業、山口こうじ店）と連携し、研究開発とSociety 5.0との橋渡しプログラム（BRIDGE）の中で「Precision Nutritionの実践プラットフォームの構築と社会実装」が始動しました。
本事業では、食の機能性における効果の違いを生み出すメカニズムにもとづき、一人ひとりに適した食を提案・提供する「個別化・層別化栄養」の社会実装を目指して進んでいます。

本事業における早稲田大学での研究開発責任者は理工学術院　竹山春子教授です。

【本事業の背景】

これまでの栄養学は、栄養不足の解消を目指し、集団から得られたデータをもとに一般化された栄養摂取基準を作ってきました。一方で、時代の変化と共に、健康のための機能性が食に求められるようになってきたものの、同じ食品を摂取しても、その効果は人によって異なることが明らかになっています。このような背景から、近年は、食の効果の個人差を考慮する必要性が認識されています。そこで、遺伝子、生活習慣、腸内細菌、ライフステージ等に応じて、一人ひとりに適した食事の提案を行うことで健康社会の実現を目指す「Precision Nutrition（精密栄養学）」の重要性が提唱されています。

医薬基盤・健康・栄養研究所では、1万人（２０２４年１月現在）を超える日本人から㋐食事、運動、睡眠等の生活習慣や、㋑健康診断や疾患歴等健康状態に関する情報と共に、㋒便、血液、唾液等のサンプルを提供いただき、腸内細菌叢や代謝物、免疫パラメーター等を測定することで、健康維持や増進に関わる有用菌や有用代謝物の同定、それらを培養・生産する技術開発を行ってきました。これらの知見やノウハウを活かし、今まで「腸内細菌の迅速測定システム」、「有用代謝物の定量」、「AIを用いた食の効果の予測システム」等の技術開発を進めてきました。

これら厚生労働省や医薬基盤・健康・栄養研究所の施策により培ってきた技術を基盤に、本BRIDGEにおいては、技術の高度化や最適化を行う大学や社会実装を担当する民間企業と連携・事業展開することで、「Precision Nutrition（精密栄養学）」の観点から、個人の特性に応じた食の提案・提供を可能とする社会実装を進めています。

【各テーマの概要】

医薬基盤・健康・栄養研究所を代表機関とし、Precision Nutrition（精密栄養学）の社会実装に向けて、参画機関と共に以下の３テーマで研究・開発を実施しています。

テーマ（１）：消費者とつなぐポータルサイト構築

消費者となる方の参加登録や自身のデータ確認等ができるオンラインシステムを構築しています。また、アプリやホームページ、サブスクリプション、店舗での実地販売等社会実装性のあるシステムを用い、消費者となる方へ健康効果が期待できる食材とその食材を摂取した際の効果に関する結果を提供できるシステムの開発・検証を行っています。

テーマ（２）：食の効果を予測・診断するシステム開発

生体サンプルや食品等を対象に、食の効果を予測・診断するためのシステムを開発しています。また、食の効果の予測・診断のためのキットや受託サービス等の製品化等の実用化を進めています。

テーマ（３）：代替食品・レシピの開発

食の効果を最大化するための食品やレシピの開発を行っています。特に、機能性が期待される有効成分を多く含有する食品やレシピ等を開発し、食の効果が得られにくい方へ提案・提供できるように、食品やサプリメント等としての製品化を進めています。

【期待される効果】

食の効果の個人差をもとに個別化・層別化し、人々がより効率的に食で健康効果を得る、「次世代の栄養摂取」ができる社会につながっていくと期待されます。

【参画機関】

医薬基盤・健康・栄養研究所について

2015年4月1日に医薬基盤研究所と国立健康・栄養研究所が統合し、設立されました。本研究所は、メディカルからヘルスサイエンスまでの幅広い研究を特⾧としており、我が国における科学技術の水準の向上を通じた国民経済の健全な発展その他の公益に資するため、研究開発の最大限の成果を確保することを目的とした国立研究開発法人として位置づけられています。

ウェブサイト：https://www.nibiohn.go.jp/

Society 5.0について

サイバー空間（仮想空間）とフィジカル空間（現実空間）を高度に融合させたシステムにより、経済発展と社会的課題の解決を両立する、人間中心の社会（Society）。

狩猟社会（Society 1.0）、農耕社会（Society 2.0）、工業社会（Society 3.0）、情報社会（Society 4.0）に続く、新たな社会を指すもので、第５期科学技術基本計画において我が国が目指すべき未来社会の姿として初めて提唱されました。

BRIDGEについて

内閣府総合科学技術・イノベーション会議(CSTI)の司令塔機能を生かし、戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）や各省庁の研究開発等の施策で生み出された革新技術等の成果を社会課題解決や新事業創出、ひいては、我が国が目指す将来像（Society 5.0）に橋渡しするため、官民研究開発投資拡大が見込まれる領域における各省庁の施策の実施・加速等に取り組むプログラムです。

ウェブサイト：https://www8.cao.go.jp/cstp/bridge/index.html

2月11日（日・祝）に理工学術院共催ワークショップ「ことばとコミュニケーションの未来を考える Part 1: A Iはことばの本質を変えるのか？」が開催されます。興味のある方は、ぜひご参加ください。

◆日時：2024年2月11日(日・祝) 　13:00-17:00（30分程度の交流会を含む）
◆対象：大学生、社会人、起業家、誰でも。
◆定員：60名
◆参加費：無料
◆会場：渋谷スクランブルスクエア15階　SHIBUYA QWS　クロスパーク
◆申込先：https://qws-academia-240211.peatix.com

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129億光年かなたのクェーサーから強烈に噴き出す分子ガスの発見
～宇宙初期の銀河成長を抑制するメカニズムの解明へ～

ポイント

• 129億光年かなたの銀河から、星の原料となる分子ガスの強烈な噴き出し（アウトフロー）を観測。
• 遠方銀河の分子ガスのアウトフローで星形成が抑制されている強い証拠を、世界で初めて発見。
• 今後より多くの銀河を観測することで、さらなる初期宇宙の銀河成長メカニズム解明に期待。

概要

北海道大学高等教育推進機構のDragan SALAK（サラク=ドラガン）助教、筑波大学数理物質系の橋本拓也助教、早稲田大学理工学術院の井上昭雄教授を中心とする研究チームは、アルマ望遠鏡^※１を使った観測により、129億光年かなたの銀河^※２で明るく輝くクェーサーJ2054-0005からの強力な分子ガスのアウトフローを捉えることに成功し、それが初期宇宙の銀河の成長に大きな影響を与えていた強い証拠を世界で初めて発見しました。

現代の宇宙では、星形成が不活発な巨大銀河の存在が知られていますが、その原因として理論的に考えられているものの一つが、銀河からのガスの噴き出し（アウトフロー）です。しかし、これまで宇宙初期のクェーサーにおいて分子ガスのアウトフローが観測された例はわずか２天体しかなく、その２天体で観測されたアウトフローは星形成の進行を左右し銀河の成長に影響を及ぼすほど強いものではありませんでした。

研究チームは、クェーサーJ2054-0005からの分子ガスのアウトフローを、分子ガス中のヒドロキシルラジカル（OH）分子が作る「影絵」として検出することに成功しました。影絵の様子を詳しく調べたところ、星の材料となる分子ガスが銀河の外へ激しく噴き出していることが分かりました。その速度は毎秒1,500kmにも達し、流出している分子ガスは１年間あたり太陽質量の1,500倍に相当する莫大な量に上ります。この流出量は銀河の中で新たに作られる星の量と比べて大きいことも明らかになりました。研究チームは、この銀河から1000万年ほどで星の材料となる分子ガスが枯渇し、今後新たな星を作りにくくなると考えています。本研究成果は、分子ガスの噴き出し（アウトフロー）が銀河の星形成を抑制するという理論予想を裏付ける重要な成果です。

なお、本研究成果は、2024年2月1日（木）公開のアストロフィジカルジャーナル誌に掲載されました。

宇宙初期の銀河中心で明るく輝くクェーサーJ2054-0005から噴き出す分子ガスのアウトフローをアルマ望遠鏡で「影絵」として捉えた（想像図）　Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

背景

現在の宇宙では、星を活発に作っている渦巻き銀河や、星形成を終えた楕円銀河の存在が知られています。しかし、銀河がいつどのようにして星を作りにくくなるのかは、現代の天文学の大きな謎となっています。実は、宇宙誕生後わずか15億年頃には、すでに星形成が不活発な巨大銀河が存在したことが知られていました。このような不活発な銀河は、過去に星形成が活発な時期を経て、何らかの原因によって星形成が抑制されたと考えられています。

その原因として理論的に考えられているものの一つが、銀河からのガスの噴き出し（アウトフロー）です。例えば現在の宇宙では、ガスが銀河円盤の上下に噴き出すアウトフロー現象が観測されています。分子ガスは星の材料であるため、とくに分子ガスのアウトフローは星形成の進み具合を調節する大切な働きをするのです。星形成の抑制メカニズムを明らかにするためには、遠方つまり初期の宇宙に遡って、星形成とアウトフローの関係を調べることが重要です。

多くの銀河はその中心に巨大質量ブラックホールを宿すことが知られています。とくに、銀河中心にある超巨大ブラックホールへと物質が降り積もることで明るく輝く天体は、クェーサーと呼ばれます。宇宙初期のクェーサーは星形成が活発であり、超巨大ブラックホールの影響も相まって、強烈な分子ガスのアウトフローを生み出している可能性があります。しかし、これまで宇宙初期のクェーサーにおいて分子ガスのアウトフローが観測された例は、わずか２天体しかありません。その２天体で観測されたアウトフローは、星形成の進行を左右し銀河の成長に影響を及ぼすほど強いものではありませんでした。

研究手法

研究チームは、129億光年かなたにあるクェーサーJ2054-0005を、アルマ望遠鏡を用いて観測しました。J2054-0005は宇宙年齢10億年未満の時代において最も明るく輝くクェーサーの一つです。このような明るい天体は観測しやすい利点があります。

分子ガスの動きは、分子の放つ電波信号の波長の変化（ドップラーシフト）として観測できます。一酸化炭素（CO）などが放つ「輝線」が、分子ガスの観測によく用いられます。しかし、銀河から噴き出すアウトフローを観測する場合、銀河本体の回転による放射信号のほうが大きく、アウトフローによる放射信号が弱くて検出できないことなど、複雑な要因が絡み合い、観測は難しくなります。これまでのCOなどの輝線の観測では、クェーサーJ2054-0005からのアウトフローは検出されていませんでした。

一方、クェーサーの発する連続波（様々な波長の混ざった光）のうち、観測者から見て手前側にあるガスが固有の波長の電波を吸収することによって生じる「吸収線」をいわば「影絵」のように観測すれば、輝線の観測の場合の複雑な要因がなく、ガスの動きを吸収線のドップラーシフトとして観測できます。ただし、当該の波長の強度が強い連続波光源がガスの背後にある必要があります。ヒドロキシルラジカル（OH）分子の119マイクロメートル（＝0.119ミリメートル）の吸収線は、こうした観点から今回の観測に適しており、これを観測することでクェーサーJ2054-0005からのアウトフローを初めて検出し、速度も正確に求めることに成功しました。

本研究はアルマ望遠鏡だからこそ実現した成果です。遠方の天体が放つ光や電波は微弱で、観測するためには高い感度を持つ望遠鏡が必要になります。また、宇宙は膨張しているため、遠方の天体からの光や電波の波長は長く引き延ばされます。今回の研究では、当該の観測波長を高い感度で観測できる唯一の望遠鏡であるアルマ望遠鏡でOHを観測したことが成功への鍵となりました。

研究成果

研究チームは、クェーサーJ2054-0005からの強力な分子ガスのアウトフローを捉えることに成功し、それが初期宇宙の銀河の成長に大きな影響を与えていた強い証拠を世界で初めて発見しました。図1に示すとおり、分子ガス中のOHによって生じる吸収線を検出しています。遠方のクェーサーでこれほど高い有意度でOHの吸収線が検出された初めての例です。吸収線の波長から、アウトフローの速度は典型的に毎秒700 km、最大で毎秒1,500kmにも達することを明らかにしました。流出した分子ガスの量は、年間あたり太陽質量の1,500倍ほどに上り、この量はJ2054-0005が年間あたりに新しく作る星の質量の2倍に相当する莫大なものです。今後、およそ1000万年という短い期間で星の材料となる分子ガスが枯渇していくと予想されます。本研究成果は、分子ガスのアウトフローが銀河の星形成を抑制するという理論予想を裏付ける重要な成果です。

今後への期待

本研究成果は新しい謎にも繋がっています。J2054-0005では星形成を抑制するほどの強いアウトフローが認められた一方で、過去に調べられた2例のクェーサーのアウトフローは星形成に大きな影響を及ぼすほど強いものではありませんでした。この違いは何によって引き起こされているのでしょうか。今後、より多くのクェーサーに対してOHを観測することで、星形成を抑制するほど強いアウトフローが起きている銀河の割合を統計的に調査することが鍵となります。また、アルマ望遠鏡はアンテナ間を広く離して配置することによって高い空間分解能を実現できます。今後、アウトフローが銀河のどこでどのように発生しているかを解明できれば、銀河の進化と分子ガスのアウトフローの関係をさらに深く理解できると期待しています。

謝辞

本研究は、ALMA Japan Research Grant of NAOJ ALMA Project, NAOJ-ALMA-294、文部科学省卓越研究員事業（HJH02007）、日本学術振興会科学研究費補助金（JP22H01258、JP17H06130、JP20H01951、JP22H04939）、National Science Center (NCN) grant SONATA (UMO2020/39/D/ST9/00720)、国立天文台ALMA Scientific Research Grant No. 2018-09B、科学技術振興機構次世代研究者挑戦的研究プログラム JPMJSP2119の支援を受けて行われました。

論文情報

• 論文名　Molecular outflow in the reionization-epoch quasar J2054-0005 revealed by OH 119 μm observations
• 著者名　Dragan Salak1、Takuya Hashimoto2、Akio K. Inoue3、Tom J.L.C. Bakx4、Darko Donevski5,6、Yoichi Tamura7、Yuma Sugahara3、Nario Kuno2、Yusuke Miyamoto8、Seiji Fujimoto9、Suphakorn Suphapolthaworn1（1Institute for the Advancement of Higher Education,Hokkaido University、2Faculty of Pure and Applied Sciences, University of Tsukuba、3Faculty of Science and Engineering, Waseda University、4Department of Space, Earth & Environment, Chalmers University of Technology (Sweden)、5National Centre for Nuclear Research (Poland)、6SISSA, ISAS , IFPU (Italy)、7Graduate School of Science, Nagoya University、8Department of Electrical, Electronic and Computer Engineering, 　Fukui University of Technology、9Department of Astronomy, University of Texas at Austin (USA)）
• 雑誌名　The Astrophysical Journal, accepted（天文学の専門誌）
• DOI　10.3847/1538-4357/ad0df5
• URL　https://doi.org/10.3847/1538-4357/ad0df5
• 公表日　2024年2月1日（木）（オンライン公開）

参考図

図1 分子ガス中のヒドロキシルラジカル（OH）によって生じる吸収線。ガスが放出される場合は観測者に向かって来るため短い波長に吸収線の中心が移動します（ドップラーシフト）。一方、ガスが落下する場合は観測者から遠ざかるため長い波長に移動します。今回は吸収線が短い波長に移動しているため放出、つまり、アウトフローと分かります。また、吸収線の幅が大きく広がっているので、アウトフロー中のOH分子は速いものから遅いものまで様々な速度を持ってアウトフローしていることが分かります。 Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), D. Salak et al.

用語解説

1. アルマ望遠鏡 … アルマ望遠鏡（アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計、Atacama Large Millimeter/submillimeter Array: ALMA）は、欧州南天天文台（ESO）、米国国立科学財団（NSF）、日本の自然科学研究機構（NINS）がチリ共和国と協力して運用する国際的な天文観測施設です。アルマ望遠鏡の建設・運用費は、ESOと、NSF及びその協力機関であるカナダ国家研究会議（NRC）及び台湾国家科学及技術委員会（NSTC）、NINS及びその協力機関である台湾中央研究院（AS）と韓国天文宇宙科学研究院（KASI）によって分担されます。アルマ望遠鏡の建設と運用は、ESOがその構成国を代表して、米国北東部大学連合（AUI）が管理する米国国立電波天文台が北米を代表して、日本の国立天文台が東アジアを代表して実施します。合同アルマ観測所（JAO）は、アルマ望遠鏡の建設、試験観測、運用の統一的な執行及び管理を行うことを目的とします。
2. 129億光年かなたの銀河 … 今回の天体の赤方偏移は、z = 6.04でした。これをもとに最新の宇宙論パラメータ（H0 = 67.7 km/s/Mpc, Ωm = 0.3111, ΩΛ =0.6889 ）で距離を計算すると、129億光年になります。

2月13日（火）にムーンショット早稲田デー（Moonshot Waseda-Day）が開催されます。ムーンショットプロジェクトに参加している研究者や学生が集いますので、プロジェクトに興味のある方、研究テーマに関して情報交換したい方、産学連携の取り組みに興味のある方は、ぜひご参加ください。

◆日時：2024年2月13日（火）13時－20時
◆会場：渋谷スクランブルスクエア15階　SHIBUYA QWS スクランブルホール
◆参加費：無料
◆参加申込先：https://qws-academia-special-240213.peatix.com
◆対象者：プロジェクトに興味のある方であれば誰でも参加できます
（高校生、大学生、大学院生、教職員、教諭、研究員、社会人 他）
◆プログラム｜総合司会　朝日 透　（早稲田大学先進理工学部　生命医科学科　教授）

詳しくはこちらをご覧ください。

ホログラフィによるフルカラー動画投影を実現 ―次世代ディスプレイの開発に向けて―

国立大学法人東京農工大学大学院の山口眞和氏（博士後期課程１年）と齋藤洋輝氏（2023年3月博士前期課程修了）、早稲田大学理工学術院の池沢聡研究院講師、東京農工大学大学院の岩見健太郎准教授は、メタサーフェス（注１）を利用して広視域角・高解像度・高効率のフルカラーホログラフィ（注2）動画を実現しました。この成果は、立体映像技術の発展および次世代ディスプレイの開発に貢献することが期待されます。

論文情報

本研究成果（論文およびホログラフィ動画）は、De Gruyter発行のNanophotonics（IF= 7.923）の掲載に先立ち、1月22日にオンラインで公開されました。
論文タイトル：Highly-efficient full-color holographic movie based on silicon nitride metasurface
DOI：https://doi.org/10.1515/nanoph-2023-0756

現状

光の波面を記録・再生する技術であるホログラフィは、裸眼で3次元映像を観察できるため、究極の立体ディスプレイとも呼ばれ注目されています。このホログラフィは各画素を通過した光の干渉（注3）を利用して像を投影するため、広い角度から観察可能な高精細画像を投影するためには、画素の間隔が1μm以下の、超高密度の表示用デバイスが必要となります。そこで、光の波長以下の単位構造であるメタアトム（注4）を非常に高密度（数百ナノメートル程度）に配列したメタサーフェスを用いて、高画質な動画の投影を目指す研究が多く行われています。本研究グループにおいても過去にモノクロ動画の投影に成功しています[1]。しかし、これらの先行研究にはカラー化ができていないという問題点や、効率が低い（損失が大きい）という問題点がありました。

研究体制

本研究は、国立大学法人東京農工大学大学院生物システム応用科学府生物機能システム科学専攻の山口眞和氏（博士後期課程１年）と同大学院工学府機械システム工学専攻の齋藤洋輝氏（2023年3月博士前期課程修了）、早稲田大学理工学術院の池沢聡研究院講師、東京農工大学大学院工学研究院先端機械システム部門の岩見健太郎准教授により行われました。また、本研究の一部は日本学術振興会　科学研究費補助金　基盤研究(B)(一般)(21H01781)、基盤研究（C）(22K04894)の支援により行われました。また、本研究の試料作成には、文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」事業(課題番号 JPMXP1223UT1007)の支援を受け、東京大学微細加工拠点の共用設備を利用させていただきました。解析の一部は、東京工業大学のスーパーコンピュータ TSUBAME 3.0 を利用して行われました。

研究成果

今回、30フレームからなるフルカラー動画の投影を目指し、窒化シリコンのナノ柱をメタアトム（注4）として、ガラス基板上に数億本配置し、90フレーム(30フレーム×3色)からなるホログラム列を1枚の基板上に形成しました（図１）。各フレームは2322× 2322画素と先行研究や一般的なディスプレイ(フルHD)よりも高解像度であり、340 nmの画素間隔によりホログラム前面からの観察領域全体をカバーする180°の視域角を有しています。また、ナノ柱の製作を最適な加工条件の下で行うことで、光の利用効率を向上させています。投影したのは地球が回転する動画（2D）で、3色の投影像を重ね合わせることで投影動画のカラー化を実現しました。また、自動ステージを用いて基板を機械的に動かすことで、人間の目で十分に滑らかに見える再生速度である55.9 fps(frame per second)での投影に成功しました（図２）。

今後の展開

今回のホログラフィは1色の投影像につき1つのホログラムを用いて投影を行うため、フルカラー動画のフレーム数の3倍のホログラムを製作する必要がありました。本研究ではさらなる省スペース化や多機能化を目指して、今後は1つのホログラムでのフルカラー投影に挑戦します。さらに、空間光変調器のような変調機能を持つデバイスと組み合わせることができれば、高精細なフルカラー3次元像をフレーム数の制限を受けずに投影することが可能となり、ホログラフィを用いた立体映像技術の実用化に貢献できると期待しています。

用語説明

注１　メタサーフェス

光（電磁波）の波長に比べて小さいサイズの誘電体導波路構造を配列することで、自然界には存在しない屈折率や光機能を実現できる機能性表面。「メタ」は「高次な－」「超－」を意味する接頭語。

注２　ホログラフィ

光の波面を記録したり再生したりすることのできる技術。眼鏡などを必要とせず立体像を観測でき、究極の立体ディスプレイともいわれる。光波面が記録された媒体をホログラムと呼ぶ。

注３　干渉

複数の光の波が互いに影響しあい、新しい光が生成される現象。ホログラフィはこの干渉を意図的に引き起こすことで、立体像を観察できる光を生成する。

注４　メタアトム

メタサーフェスを構成する、光（電磁波）の波長に対して微小なサイズの構造体のこと。今回は窒化シリコン製の八角柱をメタアトムとして用いた。

[1] 高画質なホログラフィの動画化を実現：将来の全周立体映像技術に向けて（2020年7月28日東京農工大学プレスリリース）https://www.tuat.ac.jp/outline/disclosure/pressrelease/2020/20200728_01.html

 

図１　メタサーフェスを用いたホログラフィ動画再生の原理と製作したメタサーフェスの概要

 

図２　本研究で得られた明るく高精細な投影像の抜粋 ※

※論文のオンラインページで動画が公開されています。（Supplementary Material Video1, Video2）
https://doi.org/10.1515/nanoph-2023-0756