プラズモニクスと量子光学 ～究極の“光”は社会をどう変えるか？～
アスタミューゼ株式会社（本社:東京都千代田区、代表取締役社長 永井歩）は、プラズモニクスおよび量子光学に関する技術領域において、弊社の所有するイノベーションデータベース（論文・特許・スタートアップ・グラントなどのイノベーション・研究開発情報）を網羅的に分析し、動向をレポートとしてまとめました。
著者：アスタミューゼ株式会社 岡 寿樹 博士（工学）
1.はじめに
光を極限まで制御・利用する技術の発展はめざましく、その適用範囲は光物性の基礎科学から、医療や次世代太陽電池などの社会課題解決型の技術応用にまでいたります。
国内外のグラント（科研費など競争的研究資金）の動向をみても、欧州ではHorizon EuropeによるEU史上最大規模の支援で、量子とフォトニクスの融合技術を対象としたプロジェクトが立ち上がり、米国ではNSFやDOEが、光の量子状態を活用した量子センシングを重点的に支援しています。日本でも、CRESTやさきがけをはじめとするJSTの大型研究プログラムが立ち上がり、量子フォトニクスやナノフォトニクスを中核とした課題が多数採択されています。
このような動向は、たんなる学術的支援にとどまらず、イノベーション創出やディープテックとして、社会実装を視野に入れた取り組みへと広がりつつあります。その技術革新の候補が、本レポートで取り上げる「プラズモニクス」と「量子光学」です。
プラズモニクスとは、金属ナノ構造と光の相互作用によって、光の局在化や電場の強度増強、高速・高効率発光の実現を目指した、光を時間的・空間的に極限まで制御する技術です。一方、量子光学は、光がもつ量子的な性質（重ね合わせ、量子もつれ、粒子性）を利用することによって、従来のレーザーでは実現し得なかった精度と感度で、情報制御・計測・通信を極限まで引き上げる技術です。
これらの技術は、光技術における次世代基盤技術として位置付けられており、さらにこれらの技術を融合することで、従来の光技術では到達が困難であった、時間・空間・エネルギー領域での極限的な光制御が可能になりつつあります。実際、光制御の精度を高めるだけにとどまらず、エネルギー変換（太陽光発電など）や生体センシング（高感度バイオセンサーなど）といった異分野応用にも波及し、強いインパクトをもたらしています。
このような究極まで制御された光は、今後、社会をどのように変えていくのか？本レポートでは、「プラズモニクス」と「量子光学」について、アスタミューゼ独自のデータベースを活用し、グラントと論文推移から見える今後の技術動向について、未来推定分析を行い、その結果をご紹介します。
※未来推定分析について
アスタミューゼでは、特許、グラント、論文などの文献に含まれる特徴的なキーワードの年次推移を抽出することで、近年発展している技術要素を特定する「未来推定」という分析をおこなっています。特徴的なキーワードの変遷をたどることで、これから脚光を浴びると推測される要素技術を可視化し、黎明・萌芽・成長・実装といった技術ステータスの分析が可能となります。
2.プラズモニクスとは
金属中の自由電子が光により集団的に振動する現象である「プラズモン」は、光と物質の相互作用に新たな特性をもたらす技術として注目されています。プラズモニクスは、このプラズモンをナノスケールで制御する光技術の総称で、ナノフォトニクスの一分野です。
プラズモンは一般的に表1のように3つに分類され、その構造によって異なる性質を示します。局在表面プラズモンは、波長よりも小さい金属ナノ粒子で起こります。そのため、可視光の波長帯域（380nm〜780nm）においては、粒径サイズが数10nmの金属ナノ粒子が対象になります。一方、表面プラズモンは、金属薄膜と誘電体の界面に沿って生じるため、誘電体の屈折率や入射光の入射角を適切に制御する必要があり、局在表面プラズモンと比較するとその用途が限定されます。
プラズモンが示す光学特性も分類によって異なります。表2に技術応用が展開されている代表的なものを列挙しました。量子サイズ効果は、プラズモンだけではなく、量子ドットなどのナノスケールの物質にほぼ普遍的に現れる現象です。粒径サイズによって発光色が変化するため、発光デバイスに利用されます。局在表面プラズモンの共鳴波長は金属によって異なり、粒径サイズを変化させることで、可視域をほぼ全てカバーする発光デバイスが作成できます。また、最近ではナノロッドなど、形状を変えることにより、近赤外光を発光させる研究もさかんです。
誘電環境への鋭敏性と異常光透過現象は、バイオセンシングなどにも応用されており、もっとも注目されるプラズモンの光学特性といえます。プラズモンセンサーは、プラズモンが持つ屈折率感度で特徴付けられます。例えば、直径約20 nmの球状金ナノ粒子は、約50 nm/RIU（refractive index unit）の屈折率感度をもつことが知られています。これは周囲の屈折率が1だけ変化すると、プラズモン共鳴ピークが約50nmシフトすることに対応します。緑色の光（530nm）であれば、黄色（580nm）に発光色が変化します。このように、周囲の屈折率変化をプラズモンの共鳴ピークの変化として検出するのがプラズモンセンサーです。
プラズモンセンサーの人体への応用、特に癌細胞検出への応用を考えてみましょう。癌細胞は正常細胞と比較して、周囲の屈折率と0.01〜0.02程度異なると言われています。屈折率感度が約50 nm/RIUであれば、おおよそ0.5nm〜1nm、共鳴ピークがシフトします。これは現在のプラズモンセンサーで十分に検出可能なシフト量です。現在の高感度プラズモンセンサーは、0.00001の屈折率変化を検知する分解能をもっており、癌細胞はもちろん、人体の1℃の体温上昇に起因する屈折率変化も検出できる感度です。
異常光透過現象は、金属薄膜にサブ波長サイズの穴（ナノホール）を周期的に配列することで、光の透過率が異常上昇する現象です。この高い透過性とプラズモンの誘電環境への鋭敏性により、ナノホール近傍の小さな変化（タンパク質の付着など）を高感度で検出できるためバイオセンサーに応用されています。
このように、プラズモニクスは既存の光技術では難しかった微小領域での光制御（波長制御、電場増強、環境鋭敏性、透過率増加など）を可能にし、バイオ、医療、ナノエレクトロニクス分野で広く応用されています。
2-1.プラズモニクスに関する論文の動向
プラズモニクス分野の発表論文の動向を見ていきます。アスタミューゼの保有するデータベースより、論文のタイトルと要約に「plasmon」と「nano」を含む、2015年以降に発表された母集団（71,522件）を抽出しました。論文は、大学や企業の研究所等が一定の成果を発表したものであり、短中期的な社会実装が期待できる技術といえます。さらに、黎明・萌芽的な研究であれば、新たなグラント獲得のシーズにもなるため、今後の発展が期待できる技術ともいえます。
図1は、2015年から2024年までのプラズモンに関連する論文のタイトルと要約において頻出する、キーワードの年次推移を成長度 (growth)の降順で示しています。成長度は、全期間における直近５年に出現したキーワードの比率を表します。成長度が1であるキーワードは、ここ5年以内に突如現れたキーワードであり、黎明・萌芽的な研究である可能性が高いと考えられます。
成長度が1のキーワードを見ると、「plasmonic-flour（プラズモニック蛍光色素）」や「WF-SPRM（広視野表面プラズモン顕微鏡）」といった、有機化学や医療分野に関連する応用研究であることがわかります。また、「thermoplasmonics（熱プラズモニクス）」や「nanoheaters（ナノヒーター）」といった熱プラズモンに関連したキーワードに加え、「biomarkers（バイオマーカー）」のようなDDS（薬物送達システム）や医療応用に関連するキーワード、さらには、「metasurface（メタサーフィス）」といったメタマテリアル応用に関連するキーワードが上位を占めています。これらのキーワードは、2015年以降の全期間において高い頻度で現れており、成長期にあるプラズモニクスの応用研究であることが推測できます。
成長度1のキーワードを国別にみると、「nanoblackbodie（ナノ黒体）」は4件すべてインド、「WF-SPRM（広視野プラズモン顕微鏡）」は3件がドイツ、「photoplasmonic（フォトプラズモニック）」は5件が米国、「plasmonic-fluor（プラズモニック蛍光色素）」は米国と中国がそれぞれ8件と4件といったように、黎明・萌芽的研究は、各国それぞれに得意分野があることがわかります。日本は成長度1のキーワードを含む論文はなく、0.78の「NPOM（nanoparticle-on-mirror / ミラー上ナノ粒子）」が2件、0.76の「thermoplasmonics（熱プラズモニクス）」が6件で、成長期と考えられる研究が多いのが特徴といえます。
2-2.プラズモニクスに関するグラントおよび研究プロジェクトの動向
つづいて、プラズモニクス分野のグラントの動向を見ていきます。アスタミューゼの保有するデータベースより、グラントの概要に「plasmon」と「nano」を含む、2015年以降に採択された母集団（6,637件）を抽出しました。グラントのデータは、まだ論文では発表されていない課題や、技術課題にむけた新しいアプローチ手法・研究事例が記されている情報とみなすことができます。
2015年から2024年までのプラズモンに関連するグラントの概要において出現するキーワードの年次推移を、成長度(growth)の降順で示したのが図2です。
成長度が1のキーワードを見ると、「plasmonic-flour（プラズモニック蛍光色素）」や「THz-FPAS（テラヘルツ焦点面アレイ）」といった、有機化学やテラヘルツ技術への応用が注目されていることがわかります。また、「HAMR（熱アシスト磁気記録）」や「heat-assisted（熱アシスト）」といった熱プラズモンの応用に関連したキーワードの他、「IQE（内部量子収率）」や「ultrabright（超高輝度）」のような発光素子に関連したキーワード、さらには「nanopore（ナノポア）」といったDNA塩基配列検出のためのセンサーが上位を占めています。他のキーワードを見ても、表2の応用例には見られない、黎明・萌芽的な次世代技術のキーワードが多いことがわかります。
以上、グラントと論文の年次推移から、プラズモニクスの技術動向を分析しました。医療応用と磁気応用が、今後のプラズモニクス研究の大きな潮流といえそうです。医療応用では、プラズモニック発光色素とバイオマーカー、熱プラズモンによる光温熱療法が中心になると考えられ、磁気応用では、HAMR（熱アシスト磁気記録）やメタサーフィスによるメタマテリアルが中核となると考えられます。一方、プラズモニックバイオセンサーの研究は、成長・実装期に入ったと考えられます。これは、本レポートでは示しませんでしたが、特許の年次推移分析から、バイオセンサー関連の技術用語が多いことからも推測されます。
3.量子光学とは
つぎに「量子光学」の技術動向を見ていきます。
「量子光学 (quantum optics)」は、光を「光子」という素粒子でとらえ、その光子がもつ量子的な性質（重ね合わせ、量子もつれ、粒子性）を利用することにより、従来のレーザーでは実現し得なかった精度と感度で、情報制御・計測・通信を極限まで引き上げる光技術です。一般的な「量子」の概念を理解するのは簡単ではありませんが、量子光学は対象が光であるため、従来のレーザーと対比することで、比較的容易にその性質を理解することができます。表3にレーザー光学と量子光学との違いをまとめました。学術的にはレーザーは量子光学に含まれますが、ここでは理解のしやすさを重視します。
レーザー光学は波としての性質をあつかうのに対し、量子光学では光子の粒子としての性質が重要になります。特にノイズ制御に関しては、両者には本質的な違いがあり注意が必要です。レーザー光学におけるノイズ制御は、S/N比を上げる、いわゆるノイズ除去ですが、量子光学におけるノイズ制御は、不確定性原理に伴う量子雑音の制御であり、光子の統計性や光子状態制御と直結する、量子光学の本質ともいえる重要な技術となります。
光技術応用の観点では、光のどの自由度を制御・活用するかが重要になります。まずは比較のため、表4にレーザー光学に基づく光の自由度とその応用例を列挙しました。
レーザー光学では、光を波として扱うため、波長（あるいは周波数）、振幅、位相、波数ベクトル、偏光、パルス性といった自由度に分類できます。一般的に、光技術では多くの自由度が複合的に寄与しますが、簡易化のため、代表的な自由度に対して応用例を列挙してあります。応用例の多さからも、レーザーがいかに光技術に革新をもたらしたかがわかります。
量子光学的な観点から見た光の自由度も基本的にはレーザーと変わりません。振幅が「光子数」に変わり、その光子の集団的な「光子統計性」という自由度が新たに加わります。これらの自由度を制御することで、光子の量子状態を制御し、レーザー光には存在しない特性を持った光を生成することができます。表5によく知られた量子光学的状態とその応用例をまとめました。
コヒーレント状態は、光子が光源からランダムに発生する状態です。確定した光子数は持たず、光子の集団はいわゆるポアソン分布に従います。しかし、粒子全体としては、完全な波としての性質を示し、これがレーザーの量子状態であることを示したR. J. Glauberは2005年にノーベル物理学賞を受賞しています。
量子光学の観点からは、レーザーは量子光学の一形態に過ぎません。逆にいうと、光子の統計性がポアソン分布（またはコヒーレント状態）から少しでも外れると、光子は粒子としての性質を示します。このポアソン分布から外れた光を扱う分野が、量子光学となります。そのため、太陽光ですら量子光学的な対象となります。
このポアソン分布からの「ずれ」は、量子雑音の制御により実現され、量子雑音の制御は、非線形光学効果により実現されます。量子光学と非線形光学が一括りにされるのは、このような理由によります。例えば、二次の非線形光学効果であるパラメトリック下方変換は、スクイーズド光や量子もつれ光の生成に利用されます。基礎研究ではBBO結晶が広く用いられますが、より制御された、高品質なスクイーズド光の生成には、PPLN (LiNbO3)などのデバイス開発が重要になり、非線形光学の理解が必須となります。
2022年のノーベル物理学賞では「量子もつれ」の実証に対する研究が評価され、量子光学の概念は広く知られるようになりました。しかし、量子コンピュータや量子テレポーテーションといった、魅力的なキーワードとともに普及したため、量子光学の応用＝量子情報技術という印象を与えてしまっているようです。
量子光学の特性を利用した応用技術、例えば、単一光子による超高感度センシング、量子ノイズを超える測定技術、盗聴耐性のある通信は、医療、材料、通信、エネルギーといった実産業分野でも現実的な技術基盤となりつつあります。本レポートでは、量子光学の中核的な特性と、それが切り拓く応用の展望を、論文およびグラントの年次推移から分析します。
（※以下、量子工学における論文、グラントに関する詳細分析、プラズモニクスと量子光学を組み合わせた量子プラズモニクスについての分析と展望、世界的な研究開発動向とまとめについては弊社コーポレートサイトの該当ページをご参照ください）
著者：アスタミューゼ株式会社 岡 寿樹 博士（工学）
さらなる分析は……
アスタミューゼでは「プラズモニクス」および「量子光学」に関する技術に限らず、様々な先端技術/先進領域における分析を日々おこない、さまざまな企業や投資家にご提供しております。
本レポートでは分析結果の一部を公表しました。分析にもちいるデータソースとしては、最新の政府動向から先端的な研究動向を掴むための各国の研究開発グラントデータをはじめ、最新のビジネスモデルを把握するためのスタートアップ/ベンチャーデータ、そういった最新トレンドを裏付けるための特許/論文データなどがあります。
それら分析結果にもとづき、さまざまな時間軸とプレイヤーの視点から俯瞰的・複合的に組合せて深掘った分析をすることで、R&D戦略、M&A戦略、事業戦略を構築するために必要な、精度の高い中長期の将来予測や、それが自社にもたらす機会と脅威をバックキャストで把握する事が可能です。
また、各領域/テーマ単位で、技術単位や課題/価値単位の分析だけではなく、企業レベルでのプレイヤー分析、さらに具体的かつ現場で活用しやすいアウトプットとしてイノベータとしてのキーパーソン/Key Opinion Leader（KOL）をグローバルで分析・探索することも可能です。ご興味、関心を持っていただいたかたは、お問い合わせ下さい。
コーポレートサイト：https://www.astamuse.co.jp/
お問合せフォーム：https://www.astamuse.co.jp/contact/
すべての画像
