この記事で分かること

分子科学研究所

　分子科学研究所と日立製作所などの産学官連携グループは、国産初となる「中性原子方式（冷却原子方式）」の量子コンピューター実機を分子研（愛知県岡崎市）にて稼働開始しました。

　従来の超伝導方式やイオントラップ方式に続く「第3の有力方式」として、大規模化と高精度化を両立する国産量子プラットフォームの重要な節目となります。

　前回は中性原子方式の量子コンピュータに関する記事でしたが、今回は研究を主導してる分子科学研究所に関する記事となります。

分子科学研究所とは何か

　分子科学研究所（通称：分子研、IMS: Institute for Molecular Science）は、分子の構造や機能を原子・量子レベルで解明し、新しい物質・機能を創出することを目的として1975年に設立された国立の研究機関です。大学共同利用機関法人「自然科学研究機構」を構成する5つの研究所の一つで、愛知県岡崎市に拠点を置いています。

主な特徴と役割

• 大学共同利用機関（研究のハブ）：自らの先端研究だけでなく、世界中の大学や研究者に最先端の実験機器やスーパーコンピューターなどの研究基盤を提供する国内最大級のハブ拠点です。
• 主要な研究領域：物理化学、理論・計算科学、光科学、材料科学、そして量子科学の融合分野を中心としています。
• 世界的施設「UVSOR」：極端紫外線光研究施設（UVSOR）と呼ばれる極めて質の高い光（放射光）を発生させる加速器施設を所有し、分子構造や物性の超精密分析を行っています。
• 量子科学を牽引：フェムト秒レーザーを用いた分子の波束制御や超高速量子ゲート制御など、世界をリードする超精密レーザー技術を有しており、国産中性原子方式量子コンピューターの開発の中核を担っています。

これまでどんな研究を行ってきたのか

　分子科学研究所（IMS）は1975年の創設以来、化学・物理・生物の境界領域である「分子科学」の先駆的拠点として、基礎理論の構築から先端デバイス開発まで広範な研究を推進してきました。

1. 光・量子科学と量子制御

• 超高速光制御・量子技術: 超短パルスレーザーを用いて原子や分子の運動（波束）を光で精密に操作する量子制御技術を開拓。これを応用した中性原子方式量子コンピューターの開発などで世界をリードしています。
• 放射光科学:独自の極端紫外光実験施設（UVSOR）等を構築・運用し、強力な光（放射光やX線）を用いて分子の電子状態や超高速ダイナミクスを解明しています。

2. 物質創成とナノサイエンス

• 機能性分子・新材料の創製: 有機超伝導体や有機半導体、ナノカーボン材料（フラーレンやカーボンナノチューブ）、多核錯体など、新たな物理的・化学的性質を持つ分子材料を開発しています。
• エネルギー・環境材料:次世代電池（固体電解質など）におけるイオン伝導メカニズムの解明や、太陽光を活用する高効率な光触媒の分子設計に取り組んでいます。

3. 理論・計算分子科学

• 大規模計算と理論構築:スーパーコンピューターを駆使し、電子状態論や分子動力学計算の高度な手法を開発。複雑な化学反応のメカニズム予測や、新材料の理論設計を行っています。

4. 生命分子と計測技術の革新

• 生体分子の構造・機能解析:膜タンパク質や抗体医薬の働き、酵素反応などを高度なNMR（核磁気共鳴）や分光技術で原子・分子レベルで可視化しています。
• 極微計測（メゾスコピック）:1ナノメートル以下の空間で分子の動きを捉える近接場光顕微鏡や最先端の顕微ラマン分光法を開発し、物質表面や固液界面での分子のふるまいを解明しています。

なぜ中性原子方式を選択しているのか

　分子科学研究所（分子研）が中性原子方式を主軸として選択し、強力に推進している背景には、「分子研自身の世界最高水準の技術力」と「中性原子方式が持つ将来性」があります。

1. 分子研が誇る「超精密レーザー技術」を100%活かせる

　分子研（大森賢治教授ら）は、フェムト秒（1,000兆分の1秒）単位で光を制御し、原子や分子の運動を極限まで精密に操る「超高速光制御技術」で世界トップレベルの実績を持っています。

　中性原子方式は「レーザー光で原子を捉え、レーザー光で計算させる」方式であるため、分子研のアセットと知見がそのまま最強の武器となります。

2. 最大の弱点「動作速度の遅さ」を自社技術で克服できる勝算があった

　従来の中性原子方式は「大規模化しやすいが、計算速度が遅い」点が最大の課題でした。しかし分子研は、自身の「超短パルスレーザー技術」を応用することで、量子ゲート操作を従来の100倍以上高速なナノ秒単位で制御する手法を開発しました。

　他国や他機関の追随を許さない明確な差別化（競争優位性）を確保できたことが大きな決め手です。

3. 先行する他方式（超伝導等）を追い抜く「大規模化のポテンシャル」

　IBMやGoogleなどが先行する「超伝導方式」は、配線の物理的限界や巨大冷凍機の問題から、数千〜数万量子ビットへの大規模化に壁が見え始めています。

　一方、中性原子方式は3次元空間に高密度で原子を配置できるため、一気に規模を拡大して誤り耐性型量子コンピューター（FTQC）へ到達できる「本命」と判断されました。

4. 日本の強み（精密光学・レーザー産業）を結集しやすい

　中性原子方式は、超伝導方式のような巨大冷凍機が不要で、主に「真空容器」と「レンズやレーザーなどの光学系」で構成されます。これは日本の精密機械・光学機器・エレクトロニクスメーカーの強みをそのまま集約して「国産技術によるシステム構築」を進めやすいという産業的利点もありました。

超短パルスレーザーとは何か

　超短パルスレーザーとは、光の照射時間（パルス幅）がピコ秒（1兆分の1秒）〜フェムト秒（1000兆分の1秒）という極めて短い時間だけ「一瞬だけ点滅」するように発光するレーザーのことです。

　継続的に光を出し続ける通常のレーザー（CWレーザー）とは異なり、時間的にエネルギーを極限まで押し固めて照射する点に最大の特徴があります。

主な特徴

• 瞬間的な巨大パワー（高いピーク出力）1回あたりの総エネルギーは小さくても、それを一瞬（フェムト秒単位）に集中させるため、瞬間的に発電所数基分にも匹敵する巨大な出力（ギガワット〜テラワット級）を生み出せます。
• 熱を出さない超精密加工（非熱加工 / コールドアブレーション）熱が周囲に伝わる時間（ナノ秒〜ピコ秒）よりもはるかに速いスピードで照射が完了します。周囲の材料を熱で溶かしたり焦がしたりせず、物質の原子結合を直接切断して「一瞬で蒸発」させることができます。
• 電子や原子の超高速運動を制御・計測できる電子の移動や化学反応、分子の振動はフェムト秒スケールで起きています。超短パルスレーザーを用いることで、これまで捉えられなかった「原子や分子の動く瞬間」をカメラのストロボのように撮影・操作できます。

主な用途

分野	具体的な活用例
量子・物理科学	中性原子方式量子コンピューターにおける超高速量子ゲート操作、電子・分子運動のリアルタイム観察
医療	レーシック（視力矯正）手術における角膜の超精密切削、眼科・外科での低侵襲手術
半導体・精密微細加工	スマホ用強化ガラスや半導体ウェハの微細切断、金属への微細構造付与