【資料2-4】量子レーダーの研究動向と今後の戦略

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おきまさいしなみ
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1 文部科学省量子科学技術委員会 ( 第 6 回 ) 調査項目 : 量子計測センシングイメージング量子レーダーの研究動向と今後の戦略平成 28 年 10 月 7 日 ( 金 ) 於文科省玉川大学量子情報科学研究所 OQIT 研究所廣田修 1

2 センサー技術のパラダイムシフトへ向けて ( 原理 ) エンタングルメントの活用 [A] 巨視的エンタングルメント現象 Two mode squeezed light H-state 融合 [B] Wiener 型量子通信理論 2

3 センサー技術のパラダイムシフトへ向けて ( 目標 ) [1] 量子レーダーカメラ [2] 超高感度センサー Entanglement Source sun fog Entanglement Source reference signal target reflection Phase shift Image Synthesizer 3

4 [1] 量子レーダーカメラ目的自動運転機能をサポートするセンサー技術特徴悪天候や晴天時の逆光に対してその影響を受けることなく自動車の周辺の画像を認識する 4

5 自動車用イメージセンサーの既存技術 Lidar (light detection and ranging system) Beam scanning Low resolution LD PD Stereo Camera Head light (Halogen lamp, LED, et al) CCD High resolution 5

6 ステレオカメラの欠点 Stereo camera cannot image the target under fog, turbulence, back ground noise, and back light (sun). fog sun 霧の中での自動運転の実験からカメラでは歩行者の検出が難しいことが報告されている Invisible Monitor 6

7 量子レーダーカメラの構成モデル Entanglement Source E T ( 1 r 1, ) Target E ( r P p, 3) V T (m / sec) CCD E TR ( r 2, 2 ) Turbulence, fog, back ground noise Image Synthesizer Auto motive V S (m / sec) 7

8 量子レーダーカメラの基盤技術 1. 光源 Two mode squeezed light target CCD camera Image Synthesizer reference signal reflection fog 2. ランダム媒体相関効果伝搬シュミレーター 3. 受信機技術 Quantum Wiener Receiver 8

9 基盤技術の理論的背景 1. 光源 :High Power Two-mode Squeezed Light 1 n n 1,2 e tanh r n 1 n 2 cosh r n 2 n1 n2 sinh r >> 1 2. 相関効果伝搬シュミレーター : Generalized Huygens-Fresnel Principle ' 2 ' ' k0 ( r r) ' E ( r, t) E( r, t) exp{ ik0( L )}exp{ ( r, r, t)} dr i2l 2L ( r ', r, t) Re Im: Non-stationary random process 3. 受信機技術 : Quantum Wiener Receiver 9

10 開発の期間推定基盤技術の研究開発 (2016 年開始 ) 光源相関効果伝搬シュミレーター受信機技術半量子 2~3 年 2~3 年 2~3 年完全量子 7~10 年 2~3 年 7~10 年システムの研究開発 (2018 年開始 ) 半量子レーダーカメラ完全量子レーダーカメラ 3~5 年 7~12 年 10

11 量子効果を用いるその他の方式と性能システムの比較 Quantum Illumination Quantum Reading Quantum Ghost Imaging 機能ターゲットの存在の検知ターゲットの変化の検知ターゲットの画像の認識特徴背景光に対する耐性を持つ外乱のない環境で超高感度外乱に耐性を持つが静止ターゲットのみ上記の実現技術の比較光源微視的量子効果 ( 単一光子 ) 機能実効動作距離が数センチ巨視的量子効果実効動作距離が数メートル ~ 数十メートル 11

12 出口と展開可能性各種レーダー人工知能との融合を経て全天候対応の自動運転車の実現や超高感度監視カメラ実現に貢献量子光送信装置 2020 年 ~2030 年日本の本技術を世界標準化小型化と量産化 : 市場は 1 兆円規模 ( 日立製作所試算 ) 量子光ダイバーシティアンテナ装着イメージ 12

13 車内の高速ネットワークの開発と連携し, さらなる進化 1 Gbit/sec~10 Gbit/sec 対応の車内インフラ用光ファイバーネットワークの例 : Car Control Area Network System Sensor/Radar Quantum Gyro AI Processor Car Sensor Control System Car Security System Quantum Radar Camera Entertainment Internet GPS 参考 :OPTRONICS(2015) No-8 13

14 [2] 超高感度センサー目的標準量子限界を超えるセンサー技術の開発特徴 H-state と Helstrom 受信機やその他の量子受信機との融合 14

15 H-state の理論的背景 Quasi Bell Coherent State : } { } { } { } { B A B A B A B A B A B A B A B A h h h h 1, ) log ( ) log ( ) ( tr tr E ent 1, ) log ( ) log ( ) ( tr tr E ent state H state H 4 2 Complete Entanglement S.van Enk, and O.Hirota, PRA, vol- 64, 2001, O.Hirota, Proc. of QCMC, Plenum Press,

エラーなし超高感度位相シフトセンサー H -state reference signal reflection target Phase shift (Helstrom receiver) Decision for phase shift H-State provides error free quantum reading:

16 エラーなし超高感度位相シフトセンサー H -state reference signal reflection target Phase shift (Helstrom receiver) Decision for phase shift H-State provides error free quantum reading: There is no effect of uncertainty principle in quantum measurement. (O.Hirota, Bulletin of Quantum ICR Research Institute, 2011 and quant-ph arxiv: ,2011) 16

17 [A] H-state の生成基盤研究 Van Enk-Hirota 法 : Coherent State の Cat State を生成しハーフミラーで合成 (S.van Enk and O.Hirota, PRA,vol-64,2001) Van Enk-Hirota-Mabuchi 法 : Cavity QED による直接的な生成 (O.Hirota, S.van Enkand H.Mabuchi, Proc. of QCMC, Rinton Press, 2003) [B] 高速 Helstrom 受信機の実現 Dolinar 法 : S.Dolinar,Tech.Rep.111,Research Laboratoryof Electronics,MIT,

18 出口と展開可能性エンタングルメント現象を基盤とする量子物性科学と量子光学の発展を促すとともに科学技術に基盤となる計測解析技術を飛躍的に向上させる超高感度なセンサー技術の実現によって金属研磨技術や生体機能の高精度読み取りによる診断医療技術の革新を可能とする 18

19 [3] 政策推進における課題問題意識 ( 文科省 ): 出口の具体化とともに日本の強みを踏まえ如何なる推進方式が良いか以下は提言 ( 量子センサー関係 ) 19

20 国内外の研究の特徴 OQIT 研究所, MIT Shannon 型量子通信理論国内 + 国外 ( 一般 ) Shannon 型量子通信理論 Wiener 型量子通信理論量子センサー関する国内外の投資の動向現状国内国外民間資金で進行中 (OQIT 研究所 + 日立製作所など ) 米国 :DARPA と陸海空軍研究所で開発中その他 : 出口が見える具体的な課題は見当たらない 20

21 米国のプロジェクト推進例 DARPA 支援プロジェクト合同シンポジューム 2003 年 11 月フロリダ主要議題量子コンピュータの実現可能性量子暗号の開発の可否 21

22 DARPA 会議内容 (2003) 量子コンピュータ量子暗号などの開発の方向性の議論見極め ( 中間報告 ) 微視的量子効果量子回路のスケーラビリテイ量子鍵配送の通信特性巨視的量子効果 Y-00 型物理暗号の将来性量子センサー開発の企画結論 5~10 年一般プロジェクト ( 多方面で分散研究 ) 結論 5~10 年空軍研究所プロジェクトへ (Northwestern 大 +MIT) 玉川大招待講演として参加 22

米空軍研究所支援プロジェクト合同シンポジューム 2008 年 3 月 Dayton (Ohio 州 ) Y-00 型物理暗号の開発報告量子センサー開発報告量子センサープロジェクト DARPA 2007-2009 年

23 米空軍研究所支援プロジェクト合同シンポジューム 2008 年 3 月 Dayton (Ohio 州 ) Y-00 型物理暗号の開発報告量子センサー開発報告量子センサープロジェクト DARPA 年 Quantum sensors program 米国空軍研究所 MIT,Northwestern 大学 ( 主要メンバー :H.P.Yuen, P.Kumar. J.H.Shapiro) プログラムカバー国防総省主導型研究開発 23

24 量子情報における日本の強み日本発の国際会議の活用 Hirota Osamu Hirota, 1990 年創設 Quantum Communication, Measurement and Computing (QCM&C) Hiroshi Imai, 2001 年創設 Asian Quantum Information Science (AQIS) 上記の世界の評価 : 参考文献 1990 年第一回会議 (Paris,France) C.H.Bennett, 大川賞受賞記念講演大川情報通信基金 2010 年度年次報告民間主導型研究開発 = 多様性 24

25 日本の弱点国内の電子産業と大学の連携による成功はもはや過去の事の認識がない日本が先端技術において優位性を有していない研究助成金が特定のグループに集中してしまう今後の方向性と課題東大京大理研 NII,NICT,NTT などの連携強化大企業の基礎研究の復活を促す人材の有効活用と育成理学系研究者基礎研究に専念工学系研究者基礎理論に挑戦理工融合系研究者の育成 25

26 まとめ : 新局面に向け基盤研究の推進 (a) 主要な物理現象研究と数理研究との融合量子エンタングルメント遅延回路型量子エンタングルメント Q-modeエンタングルメント超電導光格子系量子コヒーレント制御スピントロニクス Shannon ボースアインシュタイン凝縮型量子通信理論 Cavity-QED 人工原子ナノフォトニクス Wiener 型量子通信理論を活用量子状態の最適制御量子計測 ( センサー顕微鏡など ) の設計量子コンピューターの回路設計 ( 量子アニーリング型量子デジタル情報処理型など ) 26

59, no.3, pp.1820-1828, 1999. A.S.Holevo, M.Sohma, O.Hirota, Report on Mathematical Physics vol.46, no.3, pp.343-358, 2000 応用研究 Hirota 量子レーダーカメラ量子ジャイロなどからさらなる応用予言へ重力定数変化検出確率動的制御システム V.

27 Shannon 型量子通信理論の基礎研究 1960 年 ~2000 年 C.W.Helstrom A.S.Holevo H.P.Yuen O.Hirota Wiener 型量子通信理論の基礎研究 1970 年 ~2010 年 R.L.Stratonovich V.P.Belavkin O.Hirota (b) 数理系基礎研究の推進と具体的活用 A.S.Holevo, R.L.Stratonovich,, V.P.Belavkin 応用研究 Y-00 暗号, 量子エニグマ暗号など A.S.Holevo, M.Sohma, O.Hirota, PRA vol.59, no.3, pp , A.S.Holevo, M.Sohma, O.Hirota, Report on Mathematical Physics vol.46, no.3, pp , 2000 応用研究 Hirota 量子レーダーカメラ量子ジャイロなどからさらなる応用予言へ重力定数変化検出確率動的制御システム V.P.Belavkin, O.Hirota, R.Hudson, Quantum Communication and Measurement, Plenum Press,

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特別寄稿.indd 特別寄稿ソフトインフラとしてのデジタル地図を活用した自動運転システム Autonomous vehicle using digital map as a soft infrastructure 菅沼直樹 Naoki SUGANUMA 1. はじめに 1) 2008 2012 ITS 2) CO 2 3) 4) Door to door Door to door Door to door DARPA(