要点

• 無線機の性能を決める重要な技術要素である発振器において、高周波圧電共振器の周波数ばらつきなどの課題を解決する新アルゴリズムに基づく回路技術を開発。
• 信号の時間軸の揺らぎを示すジッタ特性において極めて優れた180fs RMSを達成。小数点分周位相同期回路（PLL）としては世界トップクラスの性能。
• 外付け部品である水晶発振器を、集積回路に内蔵可能な高周波圧電共振器に置き換えることが可能となり、IoT時代に向けた無線通信システムの小型化・低コスト化・高速化に大きく貢献。

本成果の適用効果についての概念図

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 未来産業技術研究所の伊藤浩之准教授、益一哉教授らは情報通信研究機構（NICT）と共同で、高周波圧電共振器^[用語1]を位相同期回路（PLL^[用語2]）に用いるための新しいアルゴリズムと回路技術を開発した。従来のPLLに比べ、低雑音かつ優れた性能指数（FoM^[用語3]）で動作することを確認した。

この技術により、従来の無線モジュールで小型化・低コスト化のネックになっている水晶発振器^[用語4]を高周波圧電共振器に置き換えることができ、IoT時代に向けた無線通信システムの小型化・低コスト化・高速化に大きく貢献できる。高周波圧電共振器は小型で集積化でき、Q値^[用語5]に優れており、これを用いた発振器は優れたジッタ^[用語6]特性を有する。高周波圧電共振器は水晶共振器に比べ共振周波数のばらつきや温度依存性が大きいことが課題だったが、新規のアルゴリズムであるチャネル調整技術を用いたPLLの開発により課題を解決した。

最小配線幅65nmのシリコンCMOSプロセスで試作、最高約9GHzの周波数出力をわずか180フェムト秒^[用語7]の位相ゆらぎで達成した。消費電力は12.7mW。この性能はPLLの性能指数（FoM）で-244dB^[用語8]に相当し、小数点分周（フラクショナルN）PLL^[用語9]としては世界トップクラスの性能である。無線通信システムの小型化・低コスト化、高速化に貢献できる。

成果は6月14日からハワイで開催される「The 2016 Symposium on VLSI Circuits」で現地時間6月17日に発表される。

研究背景

近年の無線通信システムでは、必要な機能の大部分が集積回路チップ上に実装されている。一方で、周波数基準信号（参照信号）を生成するために水晶共振器がいまだに個別の部品として用いられており、これらがモジュールの小型化・低コスト化のボトルネックになっている。多くのシステムでは、32kHzのクロックを生成する水晶発振器と、無線通信用のPLLの基準信号となる数十MHzのクロックを生成するために水晶発振器が用いられている。

これらを集積回路内の発振器や、集積化可能なMEMS^[用語10]素子を利用した発振器で置き換えるための研究開発が行われている。数十MHzのクロックについては、高Q・高安定なMEMS素子を使った発振器で置き換える手法が検討されている。しかし、無線通信用途では、周波数の安定性や精度に加えて信号の時間軸の揺らぎであるジッタが小さいことが求められるため技術的ハードルが高く、水晶発振器の代替となる実用的な発振器技術は実現していない。

一方、低ジッタな発振器技術として、GHz帯で動作する高Qな圧電共振器を利用する手法が提案されており、極めて優れた性能が実現できている。また、MEMS技術で作成する一部の圧電共振器は集積化できるため、水晶発振器が抱える実装上の課題も解決できる。しかし、製造工程や電源電圧・温度の変化に起因する周波数ばらつき（PVTばらつき）が発振器の周波数可変レンジよりも一般的に広いため、ターゲット周波数の信号が得られない可能性があることが実用上の課題だった。

研究成果

伊藤准教授らは、これらの問題を解決するための新規アルゴリズムであるチャネル調整技術と、それを用いたPLL（図1）を開発した。この技術は2つのPLLを接続したカスケードPLLの構成を利用する。まず、高い周波数分解能を有する初段PLLが、フィードバック制御がかかっていない自走状態で発振器の周波数を測定し、圧電共振器帯域内で動作できるように出力周波数を決定する。その後、フィードバック制御を行い、その目標周波数にロックさせる。

後段PLLの参照信号は前段PLLから供給されるが、その周波数情報はアナログ信号（図1中のf_1st）とデジタル信号（N_2nd）で、位相情報はアナログ信号（f_1st）で伝えられる。周波数チューニングレンジが広い後段のPLLは、初段PLLの圧電共振器の周波数ばらつきを補正するようにデジタル信号（N_2nd）を使って周波数逓倍比を設定する。このような自動的に動作周波数レンジ（チャネル）を割り振るアルゴリズムがチャネル調整技術であり、製造ばらつきや温度依存性が比較的大きい圧電共振器も利用できるようになる。また、ばらつきが大きい圧電共振器が利用できる以外に、以下のメリットがある。

1.

初段PLLのアナログ出力信号f1st（後段PLLの位相参照信号）の位相雑音は、それが圧電共振器を用いた発振器で決まるように設計することで極めて小さくできる。さらに、この参照信号の周波数は高いため、後段PLLのループ帯域を広く設計できる。したがって、後段PLL出力信号の位相雑音の大部分が初段PLLの位相雑音で決まるように設計できるため、最終的な出力信号の位相雑音を小さくできる。また、参照信号の周波数が高いため、後段PLLのループフィルタの物理的サイズを小さくできる。

2.

初段PLLは32kHzの参照信号で低速動作するため、小さい電力で高ビットのΔΣ変調器^[用語11]が利用できる。本回路では20bitのΔΣ変調器を使用しているため、1ppb^[用語12]以下の周波数分解能が理論上実現できる。
同回路は、最小配線半ピッチ65nm（ナノメートル）のシリコンCMOSプロセスで試作した（図2）。同回路は約9GHzの信号を出力し、180fsのRMSジッタを12.7mWの消費電力で実現した（図3）。これは-244dBのFoMに相当し、小数点分周（フラクショナルN）PLLとしては世界トップクラスの性能である（図4、5）。

図1. 開発したPLLのブロック図

図2. チップ写真と出力信号スペクトラム

図3. 位相雑音の測定結果

図4. 従来のフラクショナルN PLLとの性能比較

図5. 従来のフラクショナルN PLLとのFoM比較

発表予定

この成果は、6月14日～17日にハワイで開催される「The 2016 Symposium on VLSI Circuits」のセッション「Session 22 — Clock and Frequency Synthesis」で発表する。講演タイトルは「An 8.865-GHz -244dB-FOM High-Frequency Piezoelectric Resonator-Based Cascaded Fractional-N PLL with Sub-ppb-Order Channel Adjusting Technique（サブppb級チャネル調整技術を用いた8.865GHz -244dB FOM高周波圧電共振器ベースカスケードフラクショナルN PLL）」である。

希少元素を使わずに赤く光る新窒化物半導体を発見
―マテリアルズ・インフォマティクスと実験の連携による成果―

要点

• 発光デバイスや太陽電池への応用に期待
• マテリアルズ・インフォマティクスが物質探索を加速できることを実証
• 窒素化合物に限らず新物質開拓の新たな道を開く

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所／元素戦略研究センターの大場史康教授、平松秀典准教授、細野秀雄教授らは京都大学大学院工学研究科の日沼洋陽特定助教、田中功教授らと共同で、希少元素^[用語1]を含まず、赤色発光デバイスや太陽電池への応用が期待できる新しい窒化物半導体を発見した。最先端の第一原理計算^[用語2]を用いたスクリーニングによる効率的な物質選定と高圧合成実験^[用語3]の連携により、見いだした。

この成果は窒化物半導体の応用の可能性を広げるだけでなく、先進計算科学に基づいたマテリアルズ・インフォマティクス^[用語4]により物質探索を加速できることを実証したものであり、本アプローチは今後の材料開発において有力な手法になると期待される。

研究成果は6月21日に英国の科学誌「ネイチャー・コミュニケーションズ（Nature Communications）」に掲載された。

研究の背景

わが国の「元素戦略プロジェクト」^[用語5]が標榜するように、地球上に豊富に存在する元素により構成され、卓越した機能はもちろん、安価で高い環境調和性をもつ新物質・新材料の開拓が急務である。物質・材料探索では、元素の種類と組成の無限の組み合わせの中で可能な限り広く探索し、そこから有望な候補を的確に絞り込むための指針と手法が要となる。

近年の計算科学の進展とスーパーコンピュータの演算能力の向上により、物質の安定性や特性を高精度かつ網羅的に理論予測できるようになってきた。このような先進計算科学､さらにはデータ科学や合成・評価実験に基づいたスクリーニングにより物質・材料開発の加速を目指した「マテリアルズ・インフォマティクス」が世界各国で盛んになっている。

数ある物質の中でも、窒化物は半導体としての応用に適した電子・光学物性だけでなく、地球上に豊富に存在する窒素の化合物というメリットをもつ。しかし、現在実用化されている窒化物半導体は、緑色や青色、紫外線の発光ダイオードに用いられる窒化ガリウムと、窒化インジウムまたは窒化アルミニウムとの固溶体にほぼ限定されている。また、既存の赤色や黄色の発光ダイオードには、高コスト、希少、あるいは使い捨てや廃棄が容易でない元素が使用されている。

希少元素を含まず、伝導キャリア（電子や正孔）の輸送特性に優れ、さらには太陽光をはじめ、人類にとって有用な光の波長領域のバンドギャップ^[用語6]をもつ窒化物半導体が開発できれば、赤色の発光デバイスや太陽電池など、窒化物半導体のより広範な応用が期待できる。

研究成果

東工大の大場教授らの研究グループは、最先端の第一原理計算を用いたマテリアルズ・インフォマティクスと高圧合成実験を連携させて、新しい窒化物半導体を探索した。様々な候補物質を対象に計算スクリーニングを実行し、特性および安定性の観点から有望な物質を選び出した。伝導キャリアの輸送に有利な電子構造の観点から、亜鉛を含む3元系窒化物半導体に対象を絞り、既知および仮想的な物質を含む約600種類の候補物質のリストを作成した。

その候補物質を対象に、格子振動^[用語7]に対して結晶が安定に保たれること、3元系状態図における競合相に対して安定またはわずかに準安定であること、バンドギャップをもつこと、有効質量^[用語8]が小さいことを条件に、半導体として有望な物質を絞り込んだ。（図1）

図1. 第一原理計算を用いた窒化物半導体のスクリーニングの概念図

計算スクリーニングにより、図2に示すような21種類の窒化物半導体を選定した。このうち物質群Iに示すのは既知の半導体であり、これらが的確に選ばれたことは今回のスクリーニング手法の妥当性を示す結果である。IIについては合成の報告はあるものの、半導体としての応用が未開拓である。そして、IIIは合成の報告すらない新物質である。このように、多様なバンドギャップをもつ有望な窒化物半導体を計算スクリーニングにより提案した。

図2. 計算スクリーニングにより選定された21種類の窒化物半導体

物質群IIIの中でも、図3に示すCaZn₂N₂は、Ca、Zn、N（カルシウム、亜鉛、窒素）という豊富な元素のみで構成されるだけでなく、以下の計算結果から特に有望な新物質といえる。

1.

発光や吸光に適した直接遷移型^[用語9]のバンド構造を有する。バンドギャップは1.8 eV（電子ボルト）であり、赤色の発光が期待できる。またSrZn₂N₂、CaMg₂N₂などの類縁窒化物との固溶体化により､バンドギャップを1.6 eV～3.3 eVの範囲で制御可能である。

2.

電子の有効質量が電子静止質量の0.2倍、重い正孔の有効質量が0.9倍と小さく、電子や正孔の輸送に有利である。これらは、例えば窒化ガリウムの電子の有効質量が電子静止質量の0.2倍、重い正孔の有効質量が2.0倍であることと比べても優れた値であることが分かる。

3.

p型とn型の両方にキャリアの制御が可能である。つまりシリコンやヒ化ガリウムのような既存の半導体と同様なデバイス構造が利用できる新半導体である。

図3. 第一原理計算により予測されたCaZn₂N₂の結晶構造と特性

そこで、このCaZn₂N₂を合成実験のターゲットとした。合成方法としては、3元系状態図の計算よりCaZn₂N₂が高い窒素分圧下において安定であることを踏まえ、高圧合成を選択した。図4に示すように、計算から予測された通り1,200 ℃、5.0 GPa（約5万気圧）の高温・高圧条件下においてこのCaZn₂N₂相が得られ、その結晶構造は予測されたものと等しいことが分かった。

また、実験で得られた格子定数^[用語10]と計算による予測値との差は0.3%と小さく、今回の理論予測が高精度であることを実証した。さらに拡散反射^[用語11]測定およびフォトルミネッセンス^[用語12]測定により、バンドギャップは1.9 eVと理論予測にほぼ一致する値に見積もられ、直接遷移型のバンド構造を示唆する急峻な光吸収スペクトルの立ち上がりと赤色発光を観測した。

図4. 高圧合成により得られたCaZn₂N₂試料のX線回折パターン、吸収スペクトル、フォトルミネッセンススペクトルおよび赤色発光の写真

今後の展望

11種類の有望な新3元系窒化物に関する理論予測と、CaZn₂N₂の実験的な実証に関する以上の結果は、窒化物半導体のこれからの応用の可能性を広げるだけでなく、マテリアルズ・インフォマティクスにより物質探索を加速できることを示す実例である。今後、探索範囲を拡張して計算スクリーニングを実行し、より多様な新物質を選定し、実験により検証することで、新物質のさらなる開拓が期待できる。

本研究は、文部科学省元素戦略プロジェクト＜研究拠点形成型＞東工大元素戦略拠点（TIES）、科学技術振興機構イノベーションハブ構築支援事業「情報統合型物質・材料開発イニシアティブ（MI2I）」、科学研究費補助金新学術領域研究「ナノ構造情報のフロンティア開拓－材料科学の新展開」の助成により行われた。計算には東京工業大学スーパーコンピュータTSUBAME2.5および京都大学スーパーコンピュータACCMSを用いた。

論文情報

論文タイトル :	Discovery of earth-abundant nitride semiconductors by computational screening and high-pressure synthesis （和訳：豊富な元素で構成される窒化物半導体の計算スクリーニングと高圧合成による発見）
著者 :	Yoyo Hinuma, Taisuke Hatakeyama, Yu Kumagai, Lee A. Burton, Hikaru Sato, Yoshinori Muraba, Soshi Iimura, Hidenori Hiramatsu, Isao Tanaka, Hideo Hosono, and Fumiyasu Oba （日沼 洋陽、畠山 泰典、熊谷 悠、バートン・リー、佐藤 光、村場 善行、飯村 壮史、平松 秀典、田中 功、細野 秀雄、大場 史康）
掲載誌 :	Nature Communications （ネイチャー・コミュニケーションズ） 7, 11962 (2016).
DOI :	10.1038/ncomms11962

要点

• 還元力伝達経路は、光合成をはじめとする葉緑体の機能調節に重要な役割。
• NADPHを起点とする還元力伝達経路の生理的な重要性を解明。
• 光合成生物を用いた物質生産などの応用研究への展開に期待。

概要

東京工業大学 科学技術創成研究院 化学生命科学研究所の吉田啓亮助教と久堀徹教授は、植物細胞内の機能制御に重要な還元力伝達経路として、これまで知られていたもののほかに、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（NADPH^[用語1]）を起点とする経路が重要な役割を担っていることを発見した。

光合成の場である植物の葉緑体には、酸化力や還元力が酵素タンパク質に伝達され、タンパク質自体を酸化あるいは還元することによってその機能を調節するシステムがある。これまでは、光合成電子伝達系から電子を受け取るフェレドキシン^[用語2]というタンパク質を起点とする還元力伝達経路がその主要経路であると考えられていた。吉田助教らは、これ以外にNADPHを起点とする還元力伝達経路が重要な役割を担っており、この二つの経路が協調して機能することが、植物の光合成や生育そのものに必須であることを明らかにした。

光合成反応は地球上最大の規模で行われる光エネルギー－化学エネルギー変換反応であり、植物による物質生産のかなめである。絶え間なく変動する自然環境の下で植物が効率よく安定して光合成反応を維持していくために、葉緑体の生理機能は柔軟に、そして精密に調節されている。

今回の研究成果は、この調節に重要な酸化力と還元力の伝達による葉緑体機能調節のネットワークを新たに解明したもので、光合成生物を用いた物質生産など、今後の応用研究への展開にも有効な重要な知見である。6月22日（現地時間）発行の「米国科学アカデミー紀要（Proc. Natl. Acad. Sci. USA）」電子版に掲載された。

研究の背景と経緯

植物の光合成は、光エネルギーを利用して炭水化物を生産する、いわば地球上のあらゆる生命を支える重要なエネルギー変換反応である。植物の緑葉の細胞の中には、葉緑体と呼ばれる細胞小器官があり、ここが光合成反応の場となっている（図1A）。個々の葉緑体の内部には、チラコイド膜とよばれる積層した生体膜があって、この膜に埋め込まれている光合成電子伝達系の働きによって光エネルギーが化学エネルギー（エネルギーを蓄積する化合物であるアデノシン三リン酸＝ATPと、還元力を蓄える化合物であるNADPH）に変換されている。

次に、葉緑体の膜以外の部分（ストロマ）に存在する酵素群が働いて、大気中の二酸化炭素を原料として糖など炭水化物が生産されている。二酸化炭素を糖に変換する反応経路は、13種類の酵素が連続して働く複雑な反応で、発見者の名前を取って、Calvin-Benson（カルビン・ベンソン）回路とよばれている（図1B、2A）。Calvin-Benson回路が働くためには、上記のATPとNADPHが使われるが、この回路の酵素反応はいずれも光エネルギーを直接には必要としていない。そこで、以前はこの回路全体が“暗反応”と呼ばれ、明反応と呼ばれた電子伝達反応とは区別されていた。ところがその後の研究で、Calvin-Benson回路の少なくとも4つの酵素は光照射によって電子伝達系が働くとそれに連動して活性化される、ということがわかった。つまり、光を必要としないと考えられていた暗反応という定義が、実体に合わなくなってしまった。このため、暗反応、明反応という呼び名は使われなくなった。葉緑体内には、この“光照射のシグナル”をCalvin-Benson回路の酵素などに還元力として伝達し、葉緑体の機能全体を制御している還元力伝達経路がある。

このような還元力伝達経路は生物の細胞内に一般に見られるもので、系全体の酸化力あるいは還元力の蓄積レベルに応じて、特定の酵素が酸化されたり還元されたりするのを制御し、その酵素の活性を調節するシステムである。多くの場合、酵素は酸化されると活性を失い、還元されるとその活性が高くなる。このような制御システムで中心的に働いているのは、チオレドキシン^[用語3]というタンパク質である。葉緑体では、光合成の電子伝達系から還元力を受け取ったチオレドキシンは、標的となる酵素に還元力を渡して、その酵素を活性型にする。そして、これまで30年以上、フェレドキシンからFTR^[用語4]、チオレドキシンを介して標的酵素に到る単純な一本道の還元力伝達経路が制御システムとして働いていると考えられてきた（図2A）。

ところが、2000年に緑色植物であるシロイヌナズナの全ゲノムDNAの塩基配列が解読されて以来、植物細胞の中には、チオレドキシンやチオレドキシンに類似したタンパク質が合計20種類以上もあることがわかってきた。また、これらのタンパク質に還元力を伝達する上流の酵素も複数種類あることがわかった。さらに、チオレドキシンが還元力を渡す相手の酵素を解析する技術が発達し、葉緑体の中では実にさまざまな酵素がチオレドキシンから還元力を受け取っていることも報告されている。すなわち、葉緑体の還元力伝達経路は、これまで考えられていたような単純な一本道ではなく、複雑に分岐した“ネットワーク”によって構成されているらしいというわけである（図2B）。

イネのゲノム解析に基づいて、チオレドキシンの還元に関わるNADPH-チオレドキシン還元酵素（NTR）が2004年に3つ発見され、それぞれA,B,Cと命名された。このうち、3番目のNTRC^[用語5]は、他の酵素と違った特徴を持っていた（図3）。このタンパク質は、植物細胞の細胞質にあるNTRと機能・構造が同じ部分とチオレドキシン部分が直列につながったハイブリッドタンパク質で、NADPHが蓄えた還元力を他の酵素に直接伝達することができるという、面白い葉緑体タンパク質だったのである。吉田助教らは緑色植物のNTRCの生化学・生理学的な特性を調べ、NTRCを通る還元力伝達経路とフェレドキシンを起点とする経路の違いを比較した。

図1. 光合成の場である葉緑体の模式図

（A）植物の葉／細胞／葉緑体。チラコイド膜の電子顕微鏡写真は村上悟先生（東京大学名誉教授・故人）の提供による。
（B）葉緑体チラコイド膜の電子伝達系と葉緑体ストロマのCalvin-Benson回路の模式図。

図2. 葉緑体の還元力伝達システムの模式図

（A）以前から知られていた葉緑体の還元力伝達システム。FTR/Trxシステムによる一本道の還元力伝達経路により、光照射のシグナルが還元力として標的酵素に伝達される。Calvin-Benson回路を構成する4つの酵素（GAPDH, FBPase, SBPase, PRK）は還元されて活性化される。
（B）新たに明らかになった葉緑体の還元力伝達ネットワーク。さまざまな還元力伝達因子（Trxファミリータンパク質やTrx様タンパク質など）といろいろな葉緑体の生理機能に関わる標的酵素によって構成されている。還元力経路をネットワーク状に組織化することによって、葉緑体機能は柔軟に、かつ、精密に調節されていると考えられる。

図3. NTRCの分子構造と反応の模式図

タンパク質のアミノ基末端側（図ではNと表示）にNADPH-チオレドキシン還元酵素部分（NTRd）、カルボキシル基末端側（図ではCと表示）にチオレドキシン部分（TRXd）を持つ。NTRdに結合したフラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）がNADPHから還元力を受け取り、NTRdとTRXdがそれぞれ持っているふた組のシステインのペアに順次伝達する。そして、最終的に標的酵素が還元される。

研究成果

吉田助教らは、まず、NTRCから還元力を受け取る可能性のあるタンパク質を調べるために、NTRCをクロマトグラフィー担体に固定し、葉緑体から抽出したタンパク質を結合相手のタンパク質群として用いてアフィニティークロマトグラフィー（生体物質を単離・精製する手法）を行った。その結果、すでにチオレドキシンの相手として報告されていたタンパク質のほか、NTRCが特異的に還元力を渡すタンパク質を見出した。さらに、この方法で見つかった相手のタンパク質について、NTRCから還元力がどのように伝達されるのかを試験管内で詳しく調べた。その結果、NTRCは、還元力の伝達速度や特異性の点で、これまで知られていたチオレドキシンとは異なる特長を持っていることを発見した（図4A）。

このNTRCの特長は、植物が生きる上でどのように重要なのだろうか。吉田助教らは、NTRCを欠損させた植物を育ててみたところ（図4B）、NTRCを欠損した植物の葉は、緑色にならなかった。そして、NTRCとFTRの両方を欠損させると、ほとんど育たなくなった。これらのタンパク質を欠損した植物の光合成効率などを調べてみると、NTRCを欠損させた植物では、光合成システムが全般的に機能不全に陥っているということがわかった。

これまで、葉緑体では光合成の電子伝達系が生み出す還元力を直接利用するFTRとチオレドキシンを経由する経路が、葉緑体の機能調節を行う唯一の還元力伝達経路である、というのが光合成研究分野の共通認識だった。しかし、今回の研究によって、葉緑体内ではNTRCも独自の機能を持っており、両者が協調して働くことが植物の葉緑体機能の調節にきわめて重要であるということがわかった。

図4. FTR/Trx経路とNTRC経路はそれぞれ異なる還元力伝達経路によって協調的に葉緑体の機能調節と植物の生長を支える。

（A）TrxファミリーとNTRCの異なる標的選択性の模式図。還元力伝達効率の違いを矢印の太さで示した。赤矢印は、今回の研究で明らかになった経路。括弧内に各標的酵素が関与する生理機能を示している。
（B）シロイヌナズナのFTRとNTRC変異株、および、二重変異株。

今後の展開

葉緑体内の新しい還元力伝達経路の発見は、植物が進化の過程で獲得した環境応答戦略の新たな一面を明らかにしたものといえる。植物の機能制御に関わるこのような経路の発見は、将来、葉緑体の機能制御システムを人為的に改変・最適化することによって葉緑体機能を増強するなど、植物を利用した物質生産などの今後の応用研究にも役立つ重要な情報である。

この研究の主要部分は、現在、国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）の戦略的創造研究推進事業チーム型研究（CREST）の久堀教授らの研究チームが取り組んでいるシアノバクテリアを用いた物質生産の基礎研究として実施された。また、研究の一部は、日本学術振興会科学研究費補助金・若手研究（B）（代表：吉田啓亮助教）と基盤研究（B）（代表：久堀徹教授）のサポートを受けている。

論文情報

論文タイトル :	Two distinct redox cascades cooperatively regulate chloroplast functions and sustain plant viability
著者 :	Keisuke Yoshida, Toru Hisabori
掲載誌 :	Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2016, in press
DOI :	10.1073/pnas.1604101113

※

6月24日9:00 論文掲載日に誤りがあったため、修正しました。

本学、科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所の細野秀雄教授、神谷利夫教授と川副博司名誉教授が、「無機電子機能材料の創出と応用に関する研究」で、28年間受賞者のいなかった日本セラミックス大賞を受賞しました。

後列右から川副博司名誉教授、神谷利夫教授、細野秀雄教授

日本セラミックス協会の表彰で最高位の「日本セラミックス大賞」は、セラミックスの産業において発明、開発あるいは実用化等又はセラミックスの科学・技術に関する発見等において独創性のある画期的な業績を挙げた研究者に授与されます。28年前に銅酸化物のセラミックス超伝導体の研究で世界をリードした東京大学の研究グループと、セラミックスターボチャージャを開発した日本特殊陶業株式会社と日本ガイシ株式会社の研究者に贈られて以来、受賞者が出ていませんでした。

28年ぶりになるセラミックス大賞の授賞式は、6月3日に同協会の総会で行われました。セラミックスの主原料である透明な酸化物を対象に、独自の物質設計指針に基づき、透明p型半導体、大きな電子移動度をもつ透明アモルファス酸化物半導体（TAOS）などを創出し、紫外発光ダイオード、IGZOに代表される高移動度薄膜トランジスタや酸化物CMOSなどの電子デバイスを実現することで、透明酸化物エレクトロニクスの領域を切り拓いたことが評価されました。

受賞者代表 細野秀雄教授のコメント

• 細野秀雄（ホソノヒデオ） ｜ 研究者検索システム 東京工業大学STARサーチ
• 顔 東工大の研究者たち 特別編 細野秀雄（上） ｜ 研究ストーリー
• 顔 東工大の研究者たち 特別編 細野秀雄（下） ｜ 研究ストーリー
• 神谷利夫（カミヤトシオ） ｜ 研究者検索システム 東京工業大学STARサーチ
• 神谷利夫 ｜ 研究内容・職員 ｜ 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所
• 細野・神谷・平松研究室
• 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所
• 科学技術創成研究院 ｜ 組織一覧

本学環境・社会理工学院 日高一義教授に、情報処理学会より2015年度情報処理学会フェローの称号が授与され、6月3日に認証式が行われました。

日高一義教授

情報処理学会フェローは、情報処理および情報通信等の分野で貢献した情報処理学会会員に対して付与される称号です。その貢献を称えるとともに、その貢献が広く周知されるよう社会的認知度を高めることを目的としています。「情報工学、情報科学、情報学、コンピュータサイエンス、および情報通信工学などの学術研究」「情報教育」「情報技術・装置・システム・ソフトウェアにおける研究、開発、普及、および標準化」「情報産業の振興」「学会の運営」の5つの分野があり、各分野で学術的または産業的発展・普及・振興などに著しい貢献をした会員に本称号が授与されます。本年度は、日高教授のほか、14名に授与されました。

サービスを科学の対象ととらえ、サービス産業および製造業のサービスプロセスに適応してイノベーションを起こすというサービスサイエンスの基礎概念を構築し、その具体的な社会展開を推進しました。また、情報科学、数学、経済学、心理学など、複数領域における科学的知見を統合した新領域としてのサービスサイエンスの必然性と重要性を提唱し普及させたほか、サービスサイエンスに関わる文部科学省、科学技術振興機構、日本学術振興会の事業等に貢献し、情報科学技術の新たな展開にも大きく寄与しました。

日高教授のコメント

• 日高一義研究室
• 日高一義（ヒダカカズヨシ） ｜ 研究者検索システム 東京工業大学STARサーチ
• 環境・社会理工学院技術経営専門職学位課程／イノベーション科学系
• 情報処理学会

本学、リベラルアーツ研究教育院の伊藤亜紗准教授が、NHK Eテレで放送される「ハートネットTV」に出演します。

• 番組名
  NHK Eテレ「ハートネットTV」
• タイトル
  目の見えない人が“見る”世界
• 放送日
  6月23日（木）に放送され、以下で再放送が予定されています。ぜひご覧ください。
  6月30日（木）13:05～13:34

• 目の見えない人が“見る”世界 | NHK福祉ポータル ハートネット
• 伊藤亜紗准教授 Webサイト
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 伊藤亜紗 Asa Ito
• 環境・社会理工学院 社会・人間科学系

要点

• ビフィズス菌は、乳児期の腸内フローラにおいて優勢になることが知られていたがメカニズムが分かっていなかった。
• 本研究では、生後1か月の間に乳児の腸内フローラが大きく変化し、腸内細菌科およびスタフィロコッカス科に属する細菌群が優勢のフローラ構成から、ビフィズス菌が優勢のフローラ構成に変動することを明らかにした。
• ビフィズス菌が優勢になるためには、母乳に含まれるオリゴ糖の主要構成成分「フコシルラクトース」が重要な役割を果たしていることをゲノム解析により解明した。

概要

東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系の森宙史助教、山本和也大学院生^※、山田拓司准教授、黒川顕特任教授（兼国立遺伝学研究所教授）はヤクルト本社中央研究所の松木隆広博士、帝京大学医学部の児玉浩子博士らの研究グループと共同で、乳児期のビフィズス菌優勢の腸内フローラ^[用語1]形成には、母乳オリゴ糖の主要な構成成分であるフコシルラクトース（FL）^[用語2]が重要であることを突き止めた。

FLを利用できるビフィズス菌が定着した乳児は、そうでない乳児に比べて便中のビフィズス菌の占有率や酢酸濃度が高く、大腸菌群の占有率やpHが低いことがわかった。ビフィズス菌に利用されるFLを輸送するABC輸送体^[用語3]がビフィズス菌優勢の腸内フローラの形成において中心的な役割を担っていることを解明した。これはビフィズス菌のオリゴ糖利用性が、乳児とビフィズス菌の共生関係の構築に重要であることを示し、乳幼児期におけるビフィズス菌優勢の腸内フローラの意義の解明につながることが期待される。

研究成果は6月24日発行の英科学誌「ネイチャーコミュニケーションズ（Nature Communications）」に掲載された。

※

は研究当時の肩書

概念図 乳児腸内フローラ形成とビフィズス菌によるフコシルラクトース（FL）利用の分子機構

（a）生後1か月間の乳児腸内フローラの形成過程には次のような特徴がある。乳児の腸内フローラはStaphylococcaceae、大腸菌群、ビフィズス菌のいずれかが最優勢であることを特徴とする3つのグループに分類される、ビフィズス菌優勢のフローラに不可逆的に移行する、その移行時期には個人差が認められる。
（b）ビフィズス菌には母乳オリゴ糖を効率よく利用できる菌とできない菌が存在する。母乳オリゴ糖の主成分であるFLの利用には、今回見出したFL輸送体が重要な役割を果たしている。このFL輸送体は、乳児の腸内の酢酸濃度とpHを規定する重要な遺伝子である。

研究の背景

最近の研究により、乳児期の腸内フローラ構成が成長後の個体の生理機能に大きな影響を及ぼすことが明らかとなっている。また、これまでの多くの研究から、乳児ではビフィズス菌優勢の腸内フローラが形成されることは明らかになっているが、乳児期の腸内フローラ形成の法則性やビフィズス菌優勢の腸内フローラの形成機構は十分に明らかとはなっていなかった。

そこで、乳児から生後1か月間に提供された糞便サンプルのフローラ構成を調べ、その動的変化と平衡、ならびに代謝産物との関係性を調べることにより、ビフィズス菌優勢の腸内フローラの形成に影響を及ぼす環境要因とビフィズス菌の特性について解析をした。

研究成果

通常分娩で生まれた12名の母乳により保育される新生児より、生後1か月間糞便を採集し、乳児期の腸内フローラ形成過程を解析した（図1-a）。その結果、生後１か月間の腸内フローラは、Bifidobacteriaceae（ビフィドバクテリア科）、Enterobacteriaceae（腸内細菌科）、またはStaphylococcaceae（スタフィロッカス科）が優勢の3つのグループに分類できることが、主成分分析およびクラスター分析によって明らかになった（図1-b、c）。さらに興味深いことに、各グループ間の変遷には法則性があり、Staphylococcaceaeが優勢のグループからEnterobacteriaceaeが優勢のグループへ、Enterobacteriaceaeが優勢のグループからBifidobacteriaceaeが優勢のグループへ不可逆的に変化することが分かった（図1-d）。

図1. 生後1か月間の乳児腸内フローラ構成の変化

（a）ヒートマップ解析結果：各被験者の生後1か月間の腸内フローラ構成を、時間経過に沿って左から右にカラースケールで示した。
（b）多変量＆クラスター解析結果：白丸は被験者サンプル、四角は各グループの中心を示す。ビフィズス菌優勢、大腸菌群優勢、Staphylococcaceaeが優勢のフローラを、それぞれB（赤）、E（青）、S（黄）で示した。色づけされた楕円には各グループに属するサンプルの67%が含まれる。
（c）各クラスターを特徴付ける菌群の占有率をボックスプロットにて比較した。ボックス右上の異なるアルファベット（a-c）は、群間で占有率が有意に異なることを示す（p<0.05、マンホイットニーU検定）。
（d）生後の日数経過と優勢菌群の遷移。

上述の12名の新生児に加え、通常分娩で生まれた15名の母乳により保育される新生児より糞便の採集を行い（計27名）、生後1か月目の腸内フローラ構成を調べた。さらに、これら新生児の保護者（成人）22名より糞便の採集を行い、腸内フローラ構成を調べた。

その結果、生後1か月目の腸内フローラ構成は、Bifidobacteriaceaeが優勢のグループとEnterobacteriaceaeが優勢の2つのグループに分類できた。一方、成人の腸内フローラ構成は、Lachnospiraceae（ラクノスピラ科）、Clostridiales incertae sedis X I V、Bacteroidaceae（バクテロイデス科）、Ruminococcaceae（ルミノコッカス科）およびPeptostreptococcaceae（ペプトストレプトコッカス科）優勢のグループのみだった（図2-a、b、c）。

図2. 1か月目の乳児（27名）と成人（22名）の腸内フローラ構成の比較

（a）ヒートマップ解析結果：腸内フローラ構成に基づく階層的クラスタリングを行い、作成した樹形図を元にサンプルを並べ替えた（図上部）
（b）多変量解析結果（PCoA&PAM）：ビフィズス菌優勢、大腸菌群優勢、成人型フローラを、それぞれB（赤）、E（青）、AD（黄緑）で示した。
（c）各クラスターを特徴付ける菌群の占有率をボックスプロットにて比較した。ボックス右上の異なるアルファベット（a-c）は、群間で占有率が有意に異なることを示す（p<0.05、マンホイットニーU検定）。

腸内細菌の定着が腸内環境に及ぼす影響を調べるために、乳児糞便中のpHならびに有機酸の測定を行い、腸内フローラ構成との関係を調べたところ、Bifidobacteriaceaeの占有率は、糞便の有機酸濃度と正に相関すること、ならびに糞便pHと負に相関することが分かった（図3-a）。これまでの研究で、ビフィズス菌は母乳オリゴ糖（Human Milk Oligosaccharide、HMO）を利用することにより、その代謝産物として酢酸や乳酸を産生することが報告されていることから、乳児糞便中の残存HMO量の測定を行った。

その結果、糞便中のHMOの減少と糞便Bifidobacteriaceae占有率の増加、有機酸濃度の増加、pHの低下との間には相関関係が見られた（図3-b）。しかし、一部の乳児では、Bifidobacteriaceaeが存在するにも関わらず、糞便中に高濃度のHMOが残存していることが明らかになった（図3-c）。

そこで、ビフィズス菌のHMOの利用能を調べるために、糞便よりビフィズス菌29株を分離し、HMOを唯一の炭素源とする培地を用いてビフィズス菌の増殖性、ならびにHMOの利用性を調べた。その結果、図3-d、eに示したとおり、29株中14株はHMO添加培地で生育したが、15株は生育できなかった。

培地中の残存オリゴ糖を調べた結果、ほとんどのビフィズス菌株はHMOの構成成分のひとつであるラクト-N-テトラオースを利用していたが、HMOの主要な構成成分であるFLの利用性は単離したビフィズス菌株により顕著な差があった。これらのことから、乳児糞便中のビフィズス菌によるFL利用性は菌株特異的であることが分かった。

図3. 腸内フローラ構成と腸内環境の関連性

（a）スピアマンの順位相関係数：腸内フローラ構成菌と腸内環境を比較した。
（b）便中残存オリゴ糖濃度とpH値および酢酸濃度の関連性。
（c）腸内フローラ構成と便中のオリゴ糖濃度、およびビフィズス菌種の占有率との関係。腸内フローラ構成に基づく階層的クラスタリングを行い、作成した樹形図を元にサンプルを並べ替えた（図上部）。
（d）乳児から分離した29株のビフィズス菌を母乳オリゴ糖を唯一の糖源として培養した時の増幅曲線。
（e）培養上清の残存オリゴ糖解析結果、顕著な増殖が認められた株では、母乳オリゴ糖の主成分のFLがほとんど消費されている。

乳児のビフィズス菌によるFL利用機構を明らかにするために、ビフィズス菌29株のゲノム解析を行った（表1）。各菌株がもつ遺伝子を詳細に解析したところ、新たに見いだされたABC輸送体がFLを利用できる菌株にのみ存在していた（図4-a）。

さらに、このABC輸送体遺伝子がFL利用性に関わっているのかを明らかにするために、このABC輸送体を欠損させたビフィズス菌株を作製し、HMOを含んだ培地での増殖性とFLの消費を調べたところ、ABC輸送体欠損ビフィズス菌では増殖が抑制され、FLも利用されていないことが確認された（図4-b、c）。このことから、今回新たに見いだされたABC輸送体がHMOの主要構成成分であるFL利用の中心的な働きを担っていることが分かった。

表1. ビフィズス菌29株のドラフトゲノム解析結果の概要

図4. 母乳オリゴ糖の利用に関わる遺伝子の同定

（a）フコシダーゼ遺伝子（GH95およびGH29ファミリー遺伝子）の近傍の遺伝子配置。矢印は遺伝子がコードされている方向性を示す。
（b）フコシダーゼ近傍のABC輸送体（FL-SBP）の遺伝子破壊株。
（c）培養上清の残存オリゴ糖解析結果。破壊株では、FLが利用できなくなっていることが確認された。

27名の乳児を、FL輸送用のABC輸送体を保有するビフィズス菌株が優勢な乳児、FL非利用なビフィズス菌株が優勢な乳児、ならびにEnterobacteriaceaeが優勢な乳児に群分けし、糞便有機酸、pH、残存HMO量、腸内フローラの比較を行った（図5）。その結果、FL利用能を保有するビフィズス菌株が優勢な乳児の糞便では、他の群の乳児に比べ、糞便中のBifidobacteriaceae占有率が高く、Enterobacteriaceae占有率が低いことが明らかになった。また、FL利用能を保有するビフィズス菌株が定着した乳児の糞便では、残存のFL濃度が低く、並びに酢酸濃度が高くpHが低い値を示した。

図5. FL利用ビフィズス菌の定着による腸内微生物生態系への影響

FL利用ビフィズス菌が優勢の乳児（B1グループ）、FL非利用ビフィズス菌が優勢の乳児（B2グループ）、大腸菌群が優勢の乳児（Eグループ）の比較をボックスプロットで表した。ボックス右上の異なるアルファベット（a-c）は、群間で占有率が有意に異なることを示す（p<0.05、マンホイットニーU検定）。

今後の展開

前述したように、乳児期の腸内フローラ構成が成長後の個体の生理機能に大きな影響を及ぼすことが報告されている。これまでの研究から、多くの乳児の腸管内では、ビフィズス菌が最優勢菌となる腸内フローラが形成されることが明らかになっている。しかし、ビフィズス菌優勢の腸内フローラ形成の法則性やその形成機構は十分に明らかとはなっていなかった。

今回の研究により、乳児期の腸内フローラは、Staphylococcaceae、Enterobacteriaceae、Bifidobacteriaceaeのいずれかが最優勢なフローラが形成されていること、ビフィズス菌優勢の腸内フローラ構成に不可逆的に変化すること、その移行時期は乳児によって異なることが明らかになった。また、ビフィズス菌のHMO利用性が、糞便中のビフィズス菌の占有率と酢酸および残存オリゴ糖濃度、pH、大腸菌群占有率に大きな影響を及ぼしていることも明らかになった。

さらにHMOの主要な構成成分であるFLの利用にあたり、新たに見いだされたABC輸送体が重要な役割を果たしていることが分かった。新たに同定されたABC輸送体を保有するビフィズス菌株が定着した乳児では、FL利用性ビフィズス菌のHMO代謝により、腸内のビフィズス菌占有率が上昇する結果、酢酸など有機酸生成が高まり、腸管内のpHが低下したと考えられる。

これらの腸内環境の変化がEnterobacteriaceae占有率に影響を及ぼしていることが予想される。すなわち、今回の研究で見いだされたビフィズス菌が保有するABC輸送体は、乳児とビフィズス菌の共生関係構築のために重要な因子であることが示された。

論文情報

論文タイトル :	A key genetic factor for fucosyllactose utilization affects infant gut microbiota development
著者 :	Takahiro Matsuki, Kana Yahagi, Hiroshi Mori, Hoshitaka Matsumoto, Taeko Hara, Saya Tajima, Eishin Ogawa, Hiroko Kodama, Kazuya Yamamoto, Takuji Yamada, Satoshi Matsumoto, & Ken Kurokawa
掲載誌 :	Nature Communications
DOI :	10.1038/ncomms11939

要点

• 蓄電池特性を左右するイオンの動きなどのリアルタイム観測手法を開発
• 実用蓄電池の充放電時に現れる電池内部の非平衡状態の反応を世界で初めて直接観測
• 大型蓄電池の反応・劣化挙動の解明に威力

概要

東京工業大学、高エネルギー加速器研究機構、京都大学の研究グループは、実際に充放電しているリチウムイオン電池の内部で起こる不均一かつ非平衡状態で進行する材料の複雑な構造変化を原子レベルで解析することに成功した。

中性子線を用いて、非破壊かつリアルタイムに観測し、そのデータを自動解析するシステムを開発した。刻一刻と変化する電池反応を観測し、解明できる手法の開発は画期的である。蓄電池の信頼性や安全性に関する詳細な情報が容易に得られるため、リチウムイオン電池のさらなる高性能化だけでなく、全固体電池などの次世代蓄電池開発にも大きく貢献すると期待される。

研究成果は6月30日（現地時間）発行の英国科学誌「サイエンティフィックレポート（Scientific Reports）」に掲載された。

共同研究グループ

この研究成果は新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）との共同研究により得られた。研究グループは東京工業大学の田港聡研究員、菅野了次教授、高エネルギー加速器研究機構の米村雅雄特別准教授、神山崇教授、京都大学の森一広准教授、福永俊晴教授、荒井創特定教授、右京良雄特定教授、内本喜晴教授、小久見善八特任教授らで構成した。

研究成果

本共同研究グループは、リチウム二次電池の充放電過程における電池内部の電気化学反応およびその反応に対応した電極材料の構造変化を観測する新たなシステムと、その解析手法を開発した。蓄電池の反応をリアルタイムで観測するため、革新型蓄電池先端科学基礎研究事業（RISING プロジェクト^[用語1]：プロジェクトリーダー小久見特任教授）に基づいて開発され、大強度陽子加速器施設 J-PARC^[用語2]に設置された、特殊環境中性子回折計（SPICA : BL09^[用語3]）（図1A）を用いた。新たに開発したシステムはリチウムイオン電池の特性を決める鍵となるリチウムイオンの挙動を中性子線により直接観測できることが特徴である。

最も一般的な18650型円筒リチウムイオン電池^[用語4]を用いて、異なる充放電レートの充放電過程をリアルタイムに観測し、不均一かつ非平衡に進行する電池反応を初めて明らかにした。これまでの分析手法とは異なり、電池特性を左右するリチウムイオンの動きを非破壊かつ実動作環境下で定性・定量的に分析できる。観測システムはリチウムや水素といった軽元素も敏感に検知する。

開発したシステムを用い、リチウムイオン電池（図1C、D）に対する様々なレートでの充放電過程をリアルタイムに観測し（図1B）、不均一で非平衡状態な電極反応を検出した。充放電レートを0.05から2Cレート^[用語5]で行いながら測定した電池内部の正極・負極電極合材料の結晶構造変化を図3に示す。

負極電極合材中では（1）高レートの反応では不均一に反応が進行し、充放電終了後に緩和過程が存在する（図3E）（2）電池反応に関与しない電極合材部分が出現する（図3B、C、D、E）（3）充電と放電とで反応機構が異なる（図4）（4）低レートの充放電時にのみ2L相が存在する―など充放電レートに依存して非平衡に反応が進行することなどを明らかにした。また正極電極合材中では充放電後に電池を分解して解析していた従来の報告とは異なり、放電時に使用される組成領域が高充放電レートでは変化することを明らかにした。

このように、同観測システムで採用したTime-Of-Flight法（TOF法＝飛行時間法^[用語6]）を用いた中性子回折測定技術が、実電池中で起こる電池反応に関する情報を明確にとらえ、充放電中の非平衡状態の反応機構を理解するうえで優れた分析手段となることを明らかにした。

背景

リチウムイオン電池は1991年に小型電子機器用として利用が始まり、優れた安定性に加えて、高いエネルギー密度と出力特性を兼ね備えた電池として発展した。現在では電気自動車やハイブリッドの車載用蓄電池や、電力貯蔵用の定置型蓄電池としても利用されるようになった。リチウムイオン電池の発売から25年以上経過した現在も社会的なニーズは高く、利用方法の広がりに伴って、さらなる高エネルギー密度と高出力、長寿命、高信頼性が望まれている。

より一層の特性向上に向けたブレークスルーを引き起こすには、ブラックボックス化した蓄電池内部の充放電時の現象を実際に目に見えるようにするための新たな分析手段が必要である。電池反応を解明するための様々な解析技術の一つがモデル系電池^[用語7]を用いた分析である。既存の分析手法をそのまま適用するこの手法では、電池そのものの形状を分析手法が適用できる環境に合わせる必要がある。しかし、実際に使用する電池とは異なる形状での解析は、実電池のものと一致しないため、実電池を用いた実際の使用環境下で電池反応が観測できる新たな分析手法の開発が熱望されていた。

研究の経緯

共同研究グループは、RISINGプロジェクトにおいて、非破壊で実動作環境下（オペランド^[用語8]）での分析手法の一つとして、中性子線を用いた測定・解析手法の開発を行った。実電池の形状を変化させず、実電池の動作環境に合わせて、分析手法を適用するものである。

中性子線は透過性が高い量子ビームであり、電池の金属容器の内部まで容易に到達し、金属容器内の電極材料の情報を得ることができる。中性子線を用いると、リチウムのような電子数の少ない軽元素であっても核散乱は弱くないため、その回折現象（中性子回折）により、電極に使われる材料比率と各材料を構成する原子配列、及び各原子の濃度（占有率）が得られる。そのため、リチウムイオン二次電池の材料研究には、中性子回折法は多く用いられている。

実電池の動作環境下の電池反応を観測するために、18650型円筒リチウムイオン電池を用いて0.05から2Cレートで充放電を行いながら中性子回折測定を行い、電池内部の正極・負極電極合材からの回折中性子を検出し、正極・負極の構造が充放電過程でどのように変化するかを観測した。

充放電レートによって、負極では不均一な電池反応が進行して、高レートでは反応に寄与しない相が発生すること、充電と放電で反応機構が違うことを示すとともに、正極での反応では、これまでの報告とは異なる反応機構を提案した。今回の観測システムでは、実用電池を用いたオペランド測定でも、電池反応を定性・定量的に解明することができることを初めて示した。

今後の展開

実電池の内部の材料の構造変化が、実際の充放電時にリアルタイムで観測できることが可能になったことは、充放電サイクルに伴う劣化挙動、長期保存時の経時変化、高温や低温での使用時の劣化挙動など、蓄電池の信頼性や安全性に関する詳細な情報が、実際に使用する電池を直接観測することで容易に得られることを示している。

リチウムイオン電池のみならず、現在、開発が進んでいる全固体電池やリチウム酸素電池、マグネシウム電池、リチウム硫黄電池、アニオン電池など、次世代の蓄電池の反応挙動を実電池に基づいて解明することが可能になる。リチウムイオン電池のさらなる高性能化に寄与できるとともに、次世代蓄電池の開発に大きく貢献すると期待できる。

図1.

実用蓄電池オペランド測定用中性子回折計（BL09 : 特殊環境中性子回折計、SPICA）の外観図（A）および、実験の概要図（B）。オペランド測定は、非破壊のまま18650型円筒リチウムイオン電池（C）をSPICAの中心に設置し、電池に電気を流し充放電反応を進行させたまま、パルス中性子を照射し電池反応をリアルタイムに観測する。中性子は金属に覆われた蓄電池内部まで透過し、電極で散乱（回折）され、検出器に到達する。検出器に到達した中性子の時刻と角度をデータ処理すると、観測結果として回折図形が得られる。この回折図形には、18650型円筒電池の拡大図（D）に示すように、正極、負極、集電体、電池のケースからの固有の回折線が含まれる。これらの回折線の変化を解析することでリアルタイムな電池反応に伴うリチウムイオンを含むイオン（原子）の配列や濃度（占有率）の変化を解析できる。

図2 リアルタイム観測により得られた充放電中の電極材料の構造解析例

正負極材料、集電体、電池の外ケースの結晶構造を基に、リートベルト解析^[用語9]を行い、それぞれの材料の存在比率と各材料を構成する原子配列とその濃度（占有率）を精密化した。観測値と計算値の差（観測値-計算値）が小さく、それらがよく一致しており、得られた構造情報の信頼性が高いといえる。

図3 放電時の電極材料の相変化

放電時の電極材料の相変化。0.05（A）、0.1（B）、0.5（C）、1（D）、2（E）Cレートによる放電時のカーボン負極の00l反射の変化を示している。それぞれの図中に放電に伴う電圧変化も示している。グラファイト負極は、構造中のリチウムイオンの分布の違いで、ステージ構造と呼ばれる異なる面間隔の回折線を示す。0.1C以上の放電レートでは、放電中反応に寄与しないと考えられるStage 3Lの回折線が常に存在し、不均一な電池反応が進行することを示している。2Cレート（E）で放電した場合、Stage 4L相がStage 3Lに徐々に変化し、放電後に電池内部で緩和反応が進行する様子を観測した。高い電流が電極合材中で不均一なリチウムイオンの分布を生成すると考えられる。

図4 放電時と充電時で異なる反応機構を示すグラファイト負極

0.05Cレートの充電（A, C）と放電（B, D）によるグラファイト負極の00l反射の変化を充電（放電）時間に対して示している。充電放電ともに、Stage 2からStage 3の相変化が存在するが、放電時にだけStage 2後半にStage 2L相を経由してStage 3へ相変化が観測された。このように充電と放電においてグラファイト負極で反応機構が異なることを明らかにした。

論文情報

論文タイトル :	Real-time observations of lithium battery reactions—operando neutron diffraction analysis during practical operation
著者 :	Sou Taminato, Masao Yonemura, Shinya Shiotani, Takashi Kamiyama, Shuki Torii, Miki Nagao, Yoshihisa Ishikawa, Kazuhiro Mori, Toshiharu Fukunaga, Yohei Onodera, Takahiro Naka, Makoto Morishima, Yoshio Ukyo, Dyah Sulistyanintyas Adipranoto, Hajime Arai, Yoshiharu Uchimoto, Zempachi Ogumi, Kota Suzuki, Masaaki Hirayama and Ryoji Kanno
掲載誌 :	Scientific Reports 6, Article number: 28843 (2016)
DOI :	10.1038/srep28843

要点

• 量子スピン液体を示す理論模型を大規模数値計算によって解析
• 磁気ラマン散乱強度の温度変化を調べた結果、広い温度範囲において幻の「マヨラナ粒子」の創発を発見
• 本研究で得られた計算結果が実験結果と非常に良い一致
• これまでとは一線を画した新しい量子スピン液体の検証方法を提案

概要

東京工業大学 理学院の那須譲治助教と東京大学 大学院工学系研究科の求（もとめ）幸年教授は、ケンブリッジ大学のJohannes Knolle研究員、Dmitry Kovrizhin研究員、マックスプランク研究所のRoderich Moessner教授とともに、量子スピン液体^[用語1]を示す理論模型に対して大規模数値計算を駆使することで、磁気ラマン散乱^[用語2]強度の温度変化が、幻の「マヨラナ粒子^[用語3]」を色濃く反映することを見出した。この結果は、磁性絶縁体の基本構成要素である電子スピンがより小さな単位へと分裂する「分数化」という現象が、広い温度領域にわたって生じていることを意味する。さらに、この理論計算の結果が、カナダと米国の共同研究によって得られていた磁性絶縁体の塩化ルテニウム^[用語4]に対する実験結果と非常に良い一致を示すことを見出した。このことは、電子スピンの分数化によって創発^[用語5]されたマヨラナ粒子が、現実の物質中で室温程度まで存在することを強く示唆するものである。本研究で提案する創発マヨラナ粒子による量子スピン液体の実証方法は、低温極限にのみ着目してきた従来のものとは一線を画すものであり、他の量子スピン液体への応用が期待される。また、この幻の粒子を追い求めてきた素粒子物理学や量子情報などの周辺分野にも大きな波及効果をもたらすものである。

本研究成果は7月4日発行の英国の科学雑誌「ネイチャー・フィジクス（Nature Physics）」電子版に掲載された。

研究成果

東京工業大学 理学院の那須譲治助教と東京大学 大学院工学系研究科の求幸年教授は、英国ケンブリッジ大学のJohannes Knolle研究員、Dmitry Kovrizhin研究員、ドイツマックスプランク研究所のRoderich Moessner教授と共同で、絶対零度で量子スピン液体を示すことが知られているキタエフ模型^[用語6]と呼ばれる理論模型に対して量子モンテカルロ法^[用語7]による大規模数値計算を適用し、磁気ラマン散乱強度の温度変化を詳細に調べた。その結果、幻の粒子といわれる「マヨラナ粒子」の創発を示すフェルミ粒子性を反映した振る舞いが広い温度範囲にわたって現れることを発見した。このマヨラナ粒子は、磁性絶縁体の基本構成要素である電子スピンが分裂する「分数化」と呼ばれる量子スピン液体特有の現象によって創発されるものである。通常の磁性絶縁体における磁気ラマン散乱強度の温度変化はボース粒子としての性質を反映することが知られていたが、本発見はこれまでにない全く新しい現象である。

本研究の最大の成果は、この数値計算の結果を実験結果と詳細に比較することで、電子スピンの分数化による創発マヨラナ粒子が、現実の物質中で、約-250℃から室温にわたる非常に広い温度範囲に存在することを示した点にある。この比較は、キタエフ模型で良く記述される磁性絶縁体のひとつとされる塩化ルテニウムに対して昨年4月にカナダと米国のグループによって報告された実験結果を用いて行われた（図1）。この比較を通じて、理論と実験が非常に良い一致を示すことだけでなく、この幅広い温度領域の磁気ラマン散乱が、光によるマヨラナ粒子の生成・消滅という単純な散乱プロセスによって理解できることを明らかにした（図2）。この結果は、塩化ルテニウムの磁性を担う基本構成要素は電子スピンそのものではなく、それらが量子力学的な相互作用によって分数化し創発されたマヨラナ粒子であること強く示唆するものである。

従来の量子スピン液体の探求のほとんどは、絶対零度（-273.15℃）およびそのごく近傍に現れる特異な性質を追い求めるものであった。本研究が示した、室温までの非常に幅広い温度領域に存在する創発マヨラナ粒子を通じた量子スピン液体の実証法は、これまでの研究とは一線を画すものである。また、マヨラナ粒子は、長年にわたって素粒子物理学の分野で注目され、最近では量子情報の分野でも盛んに研究されている幻の粒子である。本研究は、磁性絶縁体がこの幻の粒子の性質を研究する格好の舞台であることを示した点で、これらの周辺分野に大きな波及効果をもたらすものである。

図1.

磁気ラマン散乱強度の温度依存性。塩化ルテニウムに対する実験結果と本研究でキタエフ模型に対して得られた理論計算結果との比較を示している。

図2.

磁気ラマン散乱によるマヨラナ粒子創発の概念図。光の散乱によって電子スピンが分数化したマヨラナ粒子を2つ生成する。この過程が散乱強度の温度変化に現れる。

背景

磁性絶縁体中の電子は原子核の周りに局在しており、電子が持つスピンの自由度に由来した磁気モーメントが磁性を支配している。すなわち、磁性絶縁体の基本構成要素は電子スピンである。一方、この世に存在するすべての基本粒子は、ボース粒子とフェルミ粒子^[用語8]のどちらかに分類される。磁性絶縁体中の電子スピン集団の性質は、これまでボース粒子として記述されると考えられてきた。しかし、量子スピン液体という特殊な量子状態が実現した場合には、電子スピンが量子力学的な相互作用効果によって複数のフェルミ粒子に分裂する「分数化」と呼ばれる創発現象が起きることが理論的に予想されていた。特に、キタエフ模型と呼ばれる理論模型では、絶対零度において、電子スピンがフェルミ粒子である2種類のマヨラナ粒子に分数化することが知られていた。

こうした創発フェルミ粒子の存在を実験的に検証するために、これまで温度が非常に低いときの性質が精力的に調べられてきた。しかしながら、極低温では、物質中に内在する乱れの効果や原子核スピンの影響といった電子スピン以外の寄与が顕在化してしまう。そのため、電子スピンの分数化による創発現象を捉えるためには、これまでとは全く異なる視点からの研究が必要とされてきた。

研究の経緯

本研究は、日本、英国、ドイツの研究グループ間の共同研究である。元々日本の理論研究グループでは、量子スピン液体を示すキタエフ模型におけるさまざまな物理量の温度変化を研究してきた。一方、ヨーロッパの理論研究グループでは、絶対零度における磁気ラマン散乱の研究を行っていた。本研究成果は、これら2つの研究を融合して磁気ラマン散乱の温度変化の計算を行い、さらに実験との詳細な比較や創発マヨラナ粒子の新しい実証方法の提案へと発展させた画期的な国際共同研究によるものである。

今後の展開

1973年のフィリップ・アンダーソン^[用語9]による量子スピン液体の理論的な提案以来、その実現可能性がおよそ半世紀にわたり現在まで精力的に議論されてきた。本研究は、量子スピン液体の検証方法として画期的な提案を行うものである。極低温から室温にわたる広い温度領域で創発マヨラナ粒子を捉えるという本研究の提案は、さまざまな物質や理論模型に応用が可能であるため、今後量子スピン液体の実証方法のひとつとして広く用いられていくことが期待される。

また、本研究が明らかにした創発マヨラナ粒子が室温まで存在するという可能性は、これまでボース粒子に基づいて議論されてきた磁性の常識を覆すものである。この発見は、フェルミ粒子の創発による新しい高温量子磁気現象の開拓につながる。

さらに、本研究で扱ったキタエフ模型は、元々はトポロジカルに保護された「堅牢な」量子計算^[用語10]を実現するため提案された画期的な模型である。この量子計算では、キタエフ模型で実現する量子スピン液体の創発マヨラナ粒子が重要となるため、本研究の成果は、量子情報の分野にも大きなインパクトを与える。

論文情報

掲載誌 :	Nature Physics
論文タイトル :	Fermionic response from fractionalization in an insulating two-dimensional magnet
著者 :	J. Nasu, J. Knolle, D. L. Kovrizhin, Y. Motome, and R. Moessner
DOI :	10.1038/nphys3809

要点

• 火星衛星は地球の月の起源と同様に巨大天体衝突により誕生
• 火星にかつて存在した巨大衛星がフォボスとディモスの形成に重要な役割
• JAXAの火星衛星サンプルリターン計画で火星物質の持ち帰りに期待

概要

東京工業大学 地球生命研究所の玄田英典特任准教授、神戸大学の兵頭龍樹院生、ベルギー王立天文台のRosenblatt（ローゼンブラット）博士、パリ地球物理研究所／パリ・ディドゥロ大学のCharnoz（シャノーズ）博士、レンヌ第1大学の研究者らの国際共同研究チームは、火星の衛星「フォボス」と「ディモス」が月の起源と同じように巨大天体衝突（ジャイアントインパクト）で形成可能なことを明らかにした。火星で起こった巨大天体衝突による円盤形成とその円盤から衛星が作られる過程をコンピュータシミュレーションによって解明した。

火星の北半球には天体衝突で作られたと考えられている太陽系最大のクレータ（ボレアレス平原）がある。この衝突で破片が飛び散り、火星の周囲に円盤が作られる。そして、その円盤物質が集まって巨大衛星が形成された。巨大衛星は円盤外縁部を自身の重力でかき混ぜることで、フォボスとディモスの形成を促進させた。その後、巨大衛星は火星の重力に引かれて落下して消失、現在観測される二つの衛星だけが生き残っていることがわかった。

さらに火星衛星が火星から飛散した物質を多量に含むことも明らかにした。これは宇宙航空研究開発機構（JAXA）が計画検討している火星衛星サンプルリターン計画（2020年代打ち上げ予定）によって、火星衛星から火星物質を地球に持ち帰る可能性が高いことを意味する。研究成果は7月4日発行の英国科学誌「Nature Geoscience（ネイチャージオサイエンス）電子版」に掲載された。

図1. 火星衛星、フォボス（左）とディモス（右）の画像（提供：NASA/JPL-Caltech/University of Arizona）

研究の背景

火星の衛星フォボスとディモス（図1）は、火星の赤道面を円軌道で回っている。半径10km程度のフォボスとディモスは火星質量の約1000万分の1と非常に小さく、半径1,000kmを超える地球の巨大衛星（月）とは大きく異なっている。火星衛星のいびつな形状と表面スペクトルは、火星と木星の間に存在する小惑星と類似していることから、その起源は長らく小惑星が火星の重力に捕獲されたものであると考えられていた（捕獲説）。

しかし、捕獲説の場合、現在の衛星の軌道（赤道面を円軌道で公転）を説明することは極めて困難であることが指摘されている。一方で、火星の北半球には太陽系最大のクレータ（ボレアレス平原）が存在し、巨大天体の衝突で形成されたことが分かっている。このことから、巨大天体衝突による火星衛星の形成（巨大天体衝突説）も提案されていたが、今までに具体的な形成過程を明らかにした研究はなく、火星衛星の存在は謎のままだった（図2）。

図2.

近接遭遇した天体を重力によって捉える捕獲説（左）と巨大衝突によって形成された破片から衛星が集積する巨大天体衝突説（右）。図の作成者：黒川宏之（東京工業大学 地球生命研究所）

研究成果

地球の月形成との比較

我々の太陽系の地球型惑星（水星・金星・地球・火星）で、地球と火星にのみ衛星が回っている。地球の月を作ったとされる衝突天体は、地球質量の10分の1程度と非常に大きく、衝突直後の地球は高速回転（自転周期4～5時間）する。その結果、地球の近い場所に共回転半径が位置することになり、月は共回転半径の外側で作られる。この場合、月は地球に落下することなく、地球による潮汐進化で地球から遠ざかっていく。

一方、火星衛星を作ったとされる衝突天体は火星質量の数%と小さめであったため、衝突後の火星は現在の自転周期（約24時間）となり、そのため、火星から遠い場所に共回転半径が位置することになり、内側で形成された巨大衛星は、フォボスとディモスの形成を促した後、火星による潮汐進化で火星に落下する。

このように衝突条件によって、月のような巨大な衛星が生き残る場合と、火星衛星のように非常に小さな衛星のみが生き残る場合とに運命が分かれたと考えられる。

今後の展開

今回の研究によって、火星衛星が巨大天体衝突によって形成可能であることがわかった。しかし、このことは必ずしも火星衛星が捕獲起源であることを否定していない。実際にどちらの説が正しいのかを決めるためには、火星衛星の物質を地球に持ち帰り、詳細に分析する必要がある。

現在日本では、JAXA/ISAS（宇宙科学研究所）が進める宇宙探査・戦略的中型計画において、火星衛星に探査機を送り、火星衛星の物質を地球に持ち帰る計画（火星サンプルリターン計画：MMX）が検討されている。2020年代の打ち上げを目指しており、近い将来、物質科学的に火星衛星の起源が明らかになるはずだ。

もし、今回の研究で示した巨大天体衝突説が正しければ、巨大天体衝突でばら撒かれた相当量の火星物質が火星衛星に含まれていることになり、米航空宇宙局（NASA）が計画しているような火星本体に探査機を着陸させて火星表面から物質を地球に持ち帰らなくても、火星衛星から火星物質を地球に持って帰ってくることが可能であることを意味している。

論文情報

論文タイトル :	Accretion of Phobos and Deimos in an extended debris disc stirred by transient moons
著者 :	Pascal Rosenblatt, Sébastien Charnoz, Kevin M. Dunseath, Mariko Terao-Dunseath, Antony Trinh, Ryuki Hyodo, Hidenori Genda and Stéven Toupin
掲載誌 :	Nature Geoscience
DOI :	10.1038/ngeo2742

工学院 機械系の鈴森康一教授が、TOKYO MXの情報番組「モーニングCROSS」に出演します。鈴森教授が研究している「人工筋肉」について紹介されます。

Musculoskeletal Robot Driven by Multifilament Muscles（字幕：英語）

• モーニングCROSS
• 細く、しなやかな人工筋肉の大学発ベンチャーを設立 | 東工大ニュース
• TBSテレビ「未来の起源」に鈴森・遠藤研究室の学生が出演 | 東工大ニュース
• 株式会社s-muscle
• 鈴森・遠藤研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 鈴森康一 Koichi Suzumori
• 工学院 機械系

ポイント

• 分散ストレージシステムにおいて認証・伝送・保存のすべてに情報理論的安全性の担保を実証
• パスワード認証を用いた情報理論的に安全な認証方式を実現
• 将来どんなに計算機が発達しても情報漏えいの危険のない安全な分散ストレージを開発

概要

国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT、理事長: 坂内 正夫）量子ICT先端開発センター及びセキュリティ基盤研究室と、国立大学法人東京工業大学（東工大、学長: 三島 良直）工学院 情報通信系の尾形わかは教授は共同で、分散ストレージシステムにおいて認証・伝送・保存の過程をすべて情報理論的安全性で担保されるシステムの実証実験に世界で初めて成功しました。

NICTが運用している量子鍵配送（QKD）^[用語1]ネットワーク（名称: Tokyo QKD Network）を利用し、情報理論的に安全なデータ保存を可能とする分散ストレージプロトコルを実装しました。さらに、我々独自のプロトコルであり、一つのパスワードだけで情報理論的に安全なユーザ認証を可能とするパスワード分散プロトコルも併せて実装しました。

なお、この成果は、英国科学誌「Scientific Reports」（Nature Publishing Group）（電子版：英国時間7月1日（金）午前10:00）に掲載されました。

本研究開発の一部は、総合科学技術・イノベーション会議により、制度設計された革新的研究開発推進プログラム（ImPACT）の支援を受けています。

背景

元NSA・CIA職員のスノーデン氏によるリーク情報^[用語2]でも喧伝されていますが、インターネットで使用されている暗号の一部は、既に破られている可能性があります。現在インターネット上で広く使用されている暗号の多くは、計算機による解読に膨大な時間を必要とすることを安全性の根拠としています。一方で、年々計算機の能力は向上しており、その安全性は日々低下していく宿命にあります。長期の秘匿性を必要とする情報、例えば30年後に漏えいしても大きな問題となる国家安全保障情報やゲノム情報等もインターネットを行き来し、保管される時代において、計算機の性能向上に安全性を脅かされない、将来にわたり安全性を保証できる情報伝送・保存システム（分散ストレージシステム）を確立することが急務となっています。

今回の成果

Shamirの(k,n)しきい値秘密分散法は、情報理論的に安全にデータ保管を可能とするプロトコルとして知られており、この二つを組み合わせることにより、将来にわたり情報漏えいのない安全な分散ストレージを実現することができます。

一方、データを保存・復元する際のユーザ認証において情報理論的な安全性を満たし、かつ利便性・操作性に優れた方式は知られていませんでした。例えばWegman-Carter認証^[用語5]方式は、安全にユーザ認証を可能としますが、大量の鍵を個人で管理する必要があり、専用のデバイスを必要とします。しかしながら、このことは鍵管理デバイスの紛失や鍵データの複製という危険性があることを意味し、デバイス管理を個人の責任において行わなければならないという不便さを伴います。

そこで、我々は一つのパスワードを用いて、情報理論的に安全なユーザ認証方式を新たに開発しました。通常のパスワード認証では計算量的な安全性しかなく、強力な計算機を用いればパスワードを推定される可能性がありました。それに対し、パスワード分散という新しいプロトコルを導入し、データを保存する本人は一つのパスワードを覚えているだけで、将来にわたり安全に認証できる方式を開発しました（図2参照）。

この方式実現には、通常の秘密データの分散と比較して、10倍以上のデータをストレージサーバ間で通信する必要があり、それに伴い、信頼性が高く高度に設計されたQKDネットワークが必須となります。今回我々は、分散ストレージを構成する3つのプロセス（ユーザ認証・伝送・保存）において情報理論的に安全なシステムを東京圏に敷設されたファイバ網上のQKDネットワークを用いて実証に成功しました。

図2. Tokyo QKD Network上に構築された分散ストレージシステム

STS（storage server）：ストレージサーバ、KMS（key management server）：鍵管理サーバKMA（key management agent）：鍵管理エージェント、KSA（key supply agent）：鍵供給エージェント

今後の展望

今後は、さらに、分散ストレージの処理能力の向上を図り、より大量のデータを高速に処理できるシステムにするとともに、ネットワークの可用性を長期にわたり検証することで、実利用に耐え得るシステムの開発を進めていきます。また、本システムを用いた安全なデータ中継等の新しい応用の開発を進めていきます。

量子鍵配送（QKD）を用いた完全秘匿通信（量子暗号）：
QKDによる暗号鍵の共有と、それを用いたワンタイムパッド暗号化を行うことにより、完全秘匿通信が可能になる。

図3. 量子鍵配送を用いた完全秘匿通信の概要

信頼できる鍵中継ノード：
QKDシステムの信号媒体が単一光子であり、ファイバ内の損失で容易に消失してしまうこと及び単一光子検出を行う技術が非常に難しいことから、現在のQKDシステムの性能は、距離50kmで数百kbps程度でしかない。鍵を共有する距離を伸張するためには、50kmごとに秘密が漏えいすることのない中継ノードを設置して鍵をリレーする方法がある。この堅牢な安全性を持つ中継局のことを信頼できる中継ノードと呼称する。例えばA-B間のQKDリンクで生成した鍵をK1、B-C間QKD装置で生成した鍵をK2とする。A-C間で鍵を共有するにはBから排他的論理和(K1⊕K2)を古典情報としてCに送る。CではK2を知っているのでK1⊕K2⊕K2=K1となり、A-C間で鍵K1を共有できる。

QKDシステム内の鍵管理のためのレイヤ構造（図2参照）：
QKDにより生成された暗号鍵は、物理的に厳重に管理された場所に配置され、上位の鍵管理レイヤの鍵管理エージェントに吸い上げられる。鍵管理エージェント（Key management agent: KMA）は、暗号鍵と各リンクの鍵の量を常に把握し、鍵の量やリンクの状況を、更にその上の鍵管理サーバ（Key management server: KMS）に知らせる。鍵供給エージェント（Key supply agent: KSA）は使用アプリケーションに合わせ、QKDネットワークの任意の2点間に鍵を供給する。何時・何のアプリケーションに鍵を供給したかという情報は鍵管理サーバへ知らせる。

用語説明

[用語1] 量子鍵配送（QKD）: Quantum Key Distribution : 量子鍵配送では、送信者が光子を変調（情報を付加）して伝送し、受信者は届いた光子1個1個の状態を検出し、盗聴の可能性のあるビットを排除（いわゆる鍵蒸留）して、絶対安全な暗号鍵（暗号化のための乱数列）を送受信者間で共有する。変調を施された光子レベルの信号は、測定操作をすると必ずその痕跡が残り、この原理を利用して盗聴を見破る。

[用語2] スノーデン氏によるリーク情報 : 日本語による解説記事

• NSA（とGCHQ）の暗号解読能力: 真実と嘘 | フォーティネット
• 米諜報機関 NSA は、どのようにして暗号を解析したのか？ その手法が明らかになってきた！ | Agile Cat --- in the cloud

[用語3] Shamir（シャミア）の(k,n)しきい値秘密分散法 : (k,n)しきい値秘密分散法では、最初に、秘密情報S（整数）の保有者がSからn個のシェアと呼ばれる値を生成する。
次に、秘密保有者は、シェア保有者（1～n）に各シェアを秘密裏に渡す。秘密保有者は、この後、秘密情報を消去する。
秘密情報の復元には、k人のシェア保有者が協力してk個のシェアを収集し、所定の計算をすることにより、秘密データSを復元できる。このときkをしきい値と定義する。
代表的な(k,n)しきい値法であるShamirの(k,n)しきい値秘密分散法は、以下のように構成される。

分散：定数項を秘密情報Sとするランダムなk-1次多項式

を生成する。ここで、a_k-1,...,a₁はランダムな整数であり、a₀が秘密データSである。
シェア保有者の識別子をiとしたとき、シェア保有者にはシェアとして(i,f(i))を配布する。
復元時、k人のシェア保有者が(i,f(i))を持ち寄ることにより、a₀=Sを求める。
秘密情報Sの復元は、下記の式に従って行う。復元に協力するk人のシェア保有者の識別子を{i₁,...,i_k}とする。このとき、各シェア保有者の保有するシェアについて、

が成り立つ。ここで、(i₁,f(i₁)),...,(i_k,f(i_k))が与えられれば、未知変数をa_k-1,...,a₀のk個とするk変数1次方程式がk個与えられる。したがって、この連立方程式より、すべての未知変数を求めることが可能であり、秘密情報Sを復元できる。
実際に秘密情報を復元する際には、ラグランジュ補間が利用される。
下記は、(3,4)の例である。2次方程式中の3つの変数を確定するために、3組以上の(i,f(i))があれば、秘密データSを復元できる。

Shamirの(k,n)しきい値秘密分散法

[用語4] ワンタイムパッド暗号化 : 送信する情報（平文）のデジタルデータと同じ長さの真性乱数を暗号鍵として用意し、はぎ取り式メモ（パッド）のように1回ごとに使い捨てる暗号化方式。異なる平文ごとに、異なる暗号鍵を使う。平文と暗号鍵の排他的論理和によって暗号文を生成して伝送し、受信側で再び暗号文と暗号鍵の排他的論理和によって平文を復号する。この暗号化方式は、どんなに高い計算能力を持つ盗聴者であっても、暗号文から平文を永遠に解読できないことが証明されている最も安全で強固な暗号方式である。

[用語5] Wegman-Carter認証 : 最後にニ者間で通信した内容を記録し、事前に共有している鍵を用いてダイジェストを作成する。次に、通信を開始する際に、お互いのダイジェストを送り合い、これが正しいことを確認することにより、相互認証を行う。認証ごとに新しい鍵を使用する。

論文情報

論文タイトル :	Unbreakable distributed storage with quantum key distribution network and password-authenticated secret sharing
著者 :	Mikio Fujiwara, Atsushi Waseda, Ryo Nojima, Shiho Moriai, Wakaha Ogata, and Masahide Sasaki
掲載誌 :	Scientific Reports（Nature Publishing Group）
DOI :	10.1038/srep28988

地球生命研究所の井田茂教授が、NHKラジオ第2「カルチャーラジオ 科学と人間」に出演します。

井田茂教授

井田茂教授のコメント

• 番組名
  NHKラジオ第2「カルチャーラジオ 科学と人間」
• 放送予定日
  毎週金曜　20:30～21:00（全13回）
  2016年7月8日、15日、22日、29日、8月5日、12日、19日、26日、9月2日、9日、16日、23日、30日

• カルチャーラジオ 科学と人間 | NHK
• 系外惑星の深すぎる海と砂漠 ―地球のような惑星は低質量星のまわりではなく、やはり太陽型星のまわりにある？― | 東工大ニュース
• 井田研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 井田茂 Shigeru Ida
• 地球生命研究所
• 理学院 地球惑星科学系

• RU11 学術研究懇談会
• RU11「自由な発想に基づく独創性豊かで多様な研究を継続的に支援することの重要性について」（提言）｜東工大ニュース
• RU11「日本の科学研究の未来のために ―ノーベル物理学賞受賞を祝して―」提言｜東工大ニュース

東京工業大学は、三島学長の強いリーダーシップの下、2030年までに「世界トップ10に入るリサーチユニバーシティ」になることを目指して、4月から3つの改革を開始しました。

東工大の3つの改革

• 学生の学びを深めて世界で活躍する力を育てる「教育改革」
• 進化する組織でイノベーションを創出する「研究改革」
• 大学改革を進める強力な体制を築く「ガバナンス改革」

2016年東工大が変わります 東京工業大学大学改革パンフレット

※

7月11日16:20 関連リンクの削除と一部文言修正を行いました。

東京大学教授を務め、のちに東京工業大学の前身となる東京職工学校の教師となったゴットフリード・ワグネル博士が明治初期に開発し、日本の陶磁器を美しく進化させた釉下彩陶器「旭焼7点」（東京工業大学博物館所蔵）が、3月26日に「日本化学会認定化学遺産第38号」の認定を受けました。

化学遺産とは

公益社団法人日本化学会化学遺産委員会が2010年から行っている化学遺産認定は、化学と化学技術に関する貴重な歴史資料の中でも特に貴重なものを認定することにより、文化遺産、産業遺産として次世代に伝え、化学に関する学術と教育の向上および化学工業の発展に資することを目的とするものです。

選定に当たっては、認定候補を日本化学会会員以外からも広く公募し、応募のあった候補を含めて化学遺産委員会が認定候補の具体的な内容、現況、所在、歴史的な意義などを実地調査した上で、学識経験者で構成された「化学遺産認定小委員会」に諮問し、最終的に理事会の承認を得て決定されます。

「認定証」には次のように書かれています。

化学遺産認定証

日本化学会認定化学遺産第038号

日本化学会化学遺産　認定証

A Chemical Heritage Authorized by The Chemical Society of Japan

東京工業大学殿

日本の近代的陶磁器産業の発展に貢献したG.ワグネル関係資料

貴下ご所有の「旭焼7点」を日本の化学および化学技術にとって歴史的に貴重な資料として日本化学会化学遺産に認定します。

平成28年3月26日

公益財団法人　日本化学会

会長　榊原定征

ワグネル博士と東工大

1881年にワグネル博士は、イギリスに帰国する外国人教師アトキンソン氏の後任として東京大学理学部教授となり、製造化学を担当することになりましたが、1884年6月に退職し、同年11月に東京職工学校の教師となりました。日本で最初の「窯業学」を開講し、さらに1886年には東京職工学校に「陶器瑠璃工科」を設置し、ワグネル博士自身がその主任官となって日本で初めて陶磁器やガラスの専門教育や研究を進めました。陶器玻璃工科は、後に窯業科、窯業学科…と名称を変え、著名な研究者や、河井寛次郎（1914年卒 文化勲章辞退、人間国宝辞退）、濱田庄司（1916年卒 文化勲章、人間国宝）、島岡達三（1941年卒 人間国宝）等の陶芸作家を多く輩出しました。

ワグネル博士が、教え子で助手の植田豊橘氏と共に、今回、化学遺産に認定された「旭焼」（最初は吾妻焼）製作の実験研究を開始したのは、1883年東京大学理学部教授時代の実験室においてでした。ワグネル博士は白い素地（きじ）の上に多色の美しい日本画を描き、その上に釉薬をかけて焼き上げようとしましたが、釉薬にひびが入りました。試験体の成分をやや珪酸質にしたところ釉薬にひびが入らないことには成功しましたが、次は素地が割れてしまいました。そこで、炭酸カルシウムを入れたところ割れが止まりました。狩野派の絵師達が描いた日本画の濃淡の手加減を可能にするには、低火度釉下彩が適切とも考えました。使われた素地の例としては、蛙目（がいろめ）粘土20%、寺山土70%、胡粉10%があり、焼いた温度は1,100～1,140℃、最初は経験で、後にはゼーゲル温度計を使いました。ゼーゲル氏はワグネル博士の友人で、この温度計は彼から得たとされています。

東京工業学校のワグネル博士と門下生ら（1890年9月）

小さなサンプル実験はともかく、茶わんくらいの大きさのものの実験となると大学内では出来ず、1884年に外部の工場の空家を借りて、ろくろと窯を備えた小工場を自費で設営して実験し、成功しました。1886年11月に、「吾妻焼」の施設・設備をすべて東京職工学校に移し、「旭焼」と改称しました。

1890年には澁澤栄一氏、浅野総一郎氏らの出資により旭焼組合が出来、「東京深川区東元町旭焼製造場」が設立され、大量の旭焼が生産されましたが1896年に閉鎖されました。

これより前の1892年11月8日、ワグネル博士は東京の自宅で亡くなり、青山霊園で永遠の眠りにつきました。墓所の世話は、今日も公益社団法人日本セラミックス協会の人々が中心となって行っています。

化学遺産に認定された旭焼7点を始めとする東工大の陶器は、大岡山キャンパス百年記念館博物館に展示していますので、ぜひご覧ください。

※

ガウス教授：ヨハン・カール・フリードリヒ・ガウス（1777～1855年）はドイツの数学者、天文学者、物理学者。数学の各分野、さらには電磁気など物理学にも彼の名が付いた法則、手法等が数多く存在する。

• 公益社団法人日本化学会化学遺産
• 平野コレクション ｜ デジタルコレクション ｜ 東京工業大学博物館
• 化学遺産認定　東京工業大学蔵　旭焼7点
• 化学遺産認定　東京深川区東元町旭焼製造場生産　信楽窯業技術試験場蔵　旭焼4セット
• 東工大で益子焼 ｜ 社会連携TOPICS

要点

• ひも状タンパク質Atg13がオートファジー始動タンパク質同士をつなぎ留め、巨大なオートファジー始動装置を構築することを発見
• 巨大なオートファジー始動装置がオートファジーの初期過程に働くことを解明
• オートファジーの特異的制御剤開発に向けた基盤的知見が確立

概要

東京工業大学の大隅良典栄誉教授、山本林特任助教（現・東京大学大学院医学系研究科講師）、微生物化学研究会の野田展生主席研究員、藤岡優子研究員らの研究グループは、栄養飢餓などでオートファジーが誘導されると、ひも状で構造を持たないタンパク質Atg13が中心的な役割を担い、5つのタンパク質因子からなる複合体を形成し、さらにタンパク質同士をつなぎ留めることで、オートファジー始動に必須なオートファジー始動に関わる巨大な構造を形成する仕組みを明らかにした。この巨大オートファジー始動装置が形成されることでオートファジーの始動に必須な高いリン酸化^[用語1]能と、オートファジーに使われる膜の種となるAtg9小胞を呼び込む機能が獲得されることを明らかにした。以上の結果から、栄養飢餓によって引き起こされるオートファジー始動のメカニズムが分子レベルで明らかとなり、オートファジー特異的制御剤開発のための基盤的知見を得ることに成功した。

研究成果は、米国の生命科学誌「ディベロップメンタル・セル（Developmental Cell）」のオンライン版で7月11日（米国東部標準時）に公開された。

背景

生物が生きるためには、細胞内において必要な成分を合成するだけでなく、不要なもの、有害なものを分解することも非常に重要である。オートファジーは酵母からヒトにいたる真核生物において広く保存された細胞内分解システムの一つであり、オートファゴソーム^[用語2]と呼ばれる膜構造の新生を通して、栄養源のリサイクルや細胞内で過剰なもの、有害なものを分解することで、生体の健康維持に寄与している。オートファジーの異常は神経変性疾患や癌などの重篤な疾患を引き起こすことが示唆されていることから、オートファジーの活性を人為的に制御できれば、これら重篤な疾病に対する治療や予防への応用が期待される。

出芽酵母においては、Atg1複合体（Atg1、Atg13、Atg17、Atg29、Atg31の5つのタンパク質からなる複合体）がオートファジーの始動を担っていると考えられている（図1）。オートファジーは栄養飢餓になると強く誘導されるが、その第一段階として5つの因子が互いに結合して5者複合体となることがこれまでの研究で明らかになっていた。しかしながらオートファジーが始動するためには5者複合体の形成だけでは不十分であり、それが多数集まって巨大なオートファジー始動装置を形成することが必要であることが示唆されていたが、そのメカニズムは不明であった。

図1. オートファジー始動装置の形成モデル

オートファジーが誘導されていない条件では、Atg1、Atg13、そしてAtg17-29-31はそれぞればらばらの状態で存在しているが、オートファジーが誘導されると5者複合体を形成し、それがさらに多数集まることで巨大なオートファジー始動装置を形成する。

研究成果

東京工業大学の大隅良典栄誉教授、山本林特任助教、微生物化学研究会の野田展生主席研究員、藤岡優子研究員らの研究グループは、Atg1複合体の構成因子のうち、Atg13に着目しその構造と機能を詳細に解析した。その結果、Atg13はその大部分の領域が特定の立体構造を持たない、揺れ動くひものような形状を取ること、そしてひも状の構造の中に2ヶ所、Atg17に結合する領域が存在することを明らかにした。続いてAtg13とAtg17の間の相互作用様式をX線結晶構造解析法^[用語3]で詳細に調べた結果、Atg13は1つ目の結合領域を用いて1つのAtg17と、2つ目の結合領域を用いて別のAtg17と結合することが明らかとなった。すなわちAtg13は2つのAtg17をひも状の構造でつなぎ留めるように結合することがわかった。続いてAtg1複合体の大きさを詳細に調べたところ、Atg13によるAtg17同士のつなぎ留めの活性に依存してAtg1複合体同士がつなぎ留められ、巨大複合体を形成することが明らかとなった（図2）。この巨大複合体の形成を失なったAtg13変異体を導入すると、酵母内でのオートファジー始動装置の形成も失われた。以上の結果から、Atg13によってAtg1複合体同士がつなぎ留められて形成された巨大複合体は、細胞内のオートファジー始動装置として必須であることが明らかとなった。

図2. Atg13を介した巨大複合体の形成機構

Atg13（赤線）はひも状構造を用いてAtg1（青）およびAtg17（緑）をつなぐとともに、Atg17同士をつなぐことで、巨大複合体の形成を促進する。

続いてオートファジー始動装置が担う機能を出芽酵母^[用語4]を用いて解析した結果、Atg1が持つリン酸化活性がオートファジー始動装置に組み込まれることで顕著に上昇することが明らかとなった。オートファゴソームを新生するためには膜が必要であるが、膜タンパク質Atg9を含む膜小胞（Atg9小胞）がオートファゴソームの最初の膜材料であると考えられている。オートファジー始動装置は、Atg9小胞を効率的にリクルートし、さらにリクルートしたAtg9をリン酸化することが明らかとなった。すなわちオートファジー始動装置はAtg9小胞をリクルートすることで最初の膜構造の形成を促進するとともに、その高いリン酸化活性によって、オートファジーに関わる因子（群）をリン酸化することで、オートファゴソーム形成過程を進めていることが強く示唆された（図3）。

図3. オートファゴソーム形成の始動モデル

オートファジー始動装置はAtg9小胞をリクルートすることで、オートファゴソームの初期膜（初期隔離膜）の形成を促す。また高いリン酸化活性によりAtg9や他のオートファジー関連（Atg）因子をリン酸化し、オートファゴソーム形成を進行させる。

今後の展開

本成果は、オートファジーがどのように始動し、オートファゴソームの形成へと導かれるのかという、オートファジー分野における長年の謎に対する答えの一部を明確に提示したものであり、さらなる全容解明に向けた基盤的知見になると考えられる。オートファジー始動機構を完全に理解することで、オートファジーを特異的に制御する薬剤の合理的開発が可能になると期待される。

論文情報

掲載誌 :	Developmental Cell
論文タイトル :	The intrinsically disordered protein Atg13 mediates supramolecular assembly of autophagy initiation complexes.
著者 :	Hayashi Yamamoto, Yuko Fujioka, Sho W. Suzuki, Daisuke Noshiro, Hironori Suzuki, Chika Kondo-Kakuta, Yayoi Kimura, Hisashi Hirano, Toshio Ando, Nobuo N. Noda & Yoshinori Ohsumi
DOI :	10.1016/j.devcel.2016.06.015

腸内細菌叢（腸内フローラ）のメタゲノム解析による発がん研究の加速に期待
―糞便試料の新たな保存法を確立、効率的な収集・保存を実現―

本研究成果のポイント

• 腸内細菌叢（腸内フローラ）のメタゲノム解析に欠かせない研究試料である糞便の収集方法について、標準方法とされる冷凍保存よりも簡便な収集方法を確立
  既存溶液を活用した室温保存について、冷凍保存と同レベルの解析結果が得られることを実証した。
• 大腸内視鏡検査により腸内細菌叢は変動しないことを確認
  大腸内視鏡検査とその前処置（腸管洗浄剤内服による洗浄）に伴う腸内細菌叢への影響を検討し、大腸内視鏡検査の前後で腸内細菌叢の組成の変動はみられないことが明らかになった。

国立研究開発法人国立がん研究センター（理事長：中釜斉、東京都中央区）と国立大学法人東京工業大学（学長：三島良直、東京都目黒区）は、腸内細菌叢（腸内フローラ）のメタゲノム解析^[用語1]に欠かせない研究試料である糞便の簡便な保存方法を開発し、また大腸内視鏡検査により腸内細菌叢が変動しないことを明らかにしました。

本研究成果により、現在、標準的な収集方法とされる凍結保存・輸送が困難な地域住民のメタゲノム解析や、腸内細菌叢の大規模コホート研究の実施が可能となり、腸内細菌叢に関する研究が世界的に加速し、発がんメカニズムや各種疾患との関連の解明につながることが期待されます。

本研究成果は、国立がん研究センター 研究所 がんゲノミクス研究分野の谷内田真一ユニット長と同センター 中央病院 内視鏡科、東京工業大学 生命理工学院の山田拓司准教授の研究グループが、国立がん研究センター研究開発費「生体細菌叢のメタゲノム解析を用いた先駆的アプローチによる腫瘍発生メカニズムに関する基盤研究」の支援を受けて行ったもので、国際消化器病関連誌「GUT」オンライン版に掲載されました。

研究背景

腸内細菌叢は、培養を行わず細菌がもつDNAを次世代シーケンサーで解析する技術（メタゲノム解析）の発展により、近年、肥満や糖尿病、炎症性腸疾患、アレルギーなど様々な疾患との関連が報告されています。がんにおいても、発がん要因の特定やバイマーカーとして診断への応用が期待されています。

一方で、糞便は1gあたり1,000億個の細菌が高密度に存在しており、常温保存では15分以内に雑菌が繁殖し、メタゲノム解析は困難となります。そのため、排便直後にドライアイスや超低温冷蔵庫で冷凍保存するのが標準的ですが、より簡便な収集と保存方法が強く求められていました。

また腸内細菌叢は、約1,000種類100兆個の共生細菌で構成され（ヒトの体細胞数は37兆個）、その組成は各個人で異なり「もう一つの臓器」とも呼ばれていますが、以前より大腸内視鏡検査（大腸カメラ）による腸内細菌叢への影響が懸念されていました。

研究成果の概要

日本人健常者8名を研究対象とし、国立がん研究センター中央病院内視鏡科で便を収集、糞便からDNAを抽出し、16SrRNA解析^[用語2]で腸内細菌の菌叢組成（どのような細菌がどれくらいの割合でいるか）の解析を、次世代シーケンサーを用いて行いました。同センター研究所でシーケンス解析を、東京工業大学でシーケンス・データの情報解析を行いました。

図1. 大腸内視鏡検査前後および凍結保存検体と常温保存検体の間における腸内細菌叢の相関関係

本研究では凍結保存に代わる保存法として、グアニジン・チオシアン酸塩溶液^[用語3]入り採便容器を用いて便を室温保存する方法で検討を行いました。その結果、大腸内視鏡検査の前日（自宅採取）の凍結保存便と室温保存便の相関係数は高く（0.89）、保存法による差異は少ないことが示されました。同様に当日の朝、腸管洗浄剤内服後の初回便の室温保存においても高い相関係数を示し、室温保存でも凍結保存法と遜色のない腸内細菌叢のメタゲノム解析（16SrRNA解析）が可能であることを実証しました。（図1）

また、大腸内視鏡検査前日（青色）、当日の朝（赤色）、腸管洗浄剤内服後の初回便（黄色）について、それぞれ室温保存と凍結保存で、細菌（属レベル）ごとの存在割合を比較したところ有意な差は見られませんでした。（図2：保存法の検証）

大腸内視鏡検査の実施前後で腸内細菌叢の菌叢組成を経時的に比較・検討することで、その影響を検討しました。検査日朝の凍結保存便、腸管洗浄剤内服後初回の凍結保存便、検査後60日目の凍結保存便は、検査前日の凍結保存便（標準便）と比較して高い相関係数（各々0.91、0.86、0.91）を示しました。その一方で、大腸内視鏡検査中の吸引便汁（凍結保存）は相関が低く（白色を示している）、メタゲノム解析の菌叢組成の結果、小腸液の混入が示唆され、研究試料としての活用には適さないことが明らかとなりました。（図1）

検査前日と当日の朝（青色）、検査前日と腸管洗浄剤内服後初回の便（赤色）、検査前日と検査後60日目の凍結保存便（黄色）の細菌ごと（属レベル）の存在割合を比較しましたが、有意な差は見られませんでした。（図2：採取時期の検証）

また、検査前日と検査後60日目の凍結保存便について、個々の被験者における各細菌（属レベル）の存在割合を調べても、大腸内視鏡検査の腸管洗浄による影響を受けないことが明らかとなりました。（図3）

図2. 大腸内視鏡検査前後および凍結保存検体と常温保存検体の間における個々の腸内細菌相対存在量の変動

細菌を属ごとに保存法（中央グラフ）や採取時期の違い（右グラフ）による差異をLog変換した値を比較した結果、左右に多少のずれはみられますが、概して0を中心にしており、保存法や採取時期の違いによる差異は細菌の属ごとの解析でも少ないことが分かりました。

中央グラフ：保存法の検証

保存法の検証を行ったもので、大腸内視鏡検査実施の前日の室温保存便（D0_R）と凍結保存便（D0_F）の比較（青色）、当日朝の室温保存便（D1-1_R）と凍結保存便（D1-1_F）の比較（赤色）、腸管洗浄剤内服後の初回の室温保存便（D1-2_R）と凍結保存便（D1-2_F）の比較（黄色）を行いました。

右グラフ：採取時期の検証

大腸内視鏡検査当日朝の凍結便（D1-1_F）と検査前日の凍結保存便（D0_F：組成解析の基準となる標準便）の比較（青色）、腸管洗浄剤内服後の初回の凍結保存便（D1-2_F）と検査前日の凍結保存便（D0_F）の比較（赤色）、検査後60日目の凍結保存便（D60_F）と検査前日の凍結保存便（D0_F）の比較（黄色）を行いました。

図3. 大腸内視鏡検査後60日における腸内細菌相対存在量の変動

検査前日の凍結保存便（D0_F：x軸）と検査後60日目の凍結保存便（D60_F：y軸）について、採取可能であった5名の日本人健常者（被験者A、C、D、EとF）で、色分けされた各細菌（属レベル）がどれくらいの割合で存在していたかを散布図に示しました。その結果、腸内細菌叢の菌叢組成は個々人で異なりますが、各人では検査の前後で極めて高い相関を示し、大腸内視鏡検査の腸管洗浄による影響を受けないことが明らかとなりました。

今後の展望

腸内細菌叢の研究は、欧州では2008年からMetaHIT（Metagenomics of the Human Intestinal Tract）、米国でも2008年からHMP（Human Microbiome Project）の巨額の予算を投じた国家プロジェクトが始まっています。国内では、本研究の研究グループが2013年に日本人腸内環境の全容解明とその産業応用プラットフォーム（JCHM：Japanese Consortium for Human Microbiome） を設立し、日本人腸内微生物データーベース構築による「日本人固有の腸内環境及および腸内代謝系の発見」と「疾病マーカーの発見」を目指したプロジェクト活動の推進に取り組んでいます。

また、国立がん研究センター中央病院および研究所と東京工業大学は、共同で大腸内視鏡検査を受ける患者さんを対象に大規模なメタゲノム解析を実施中であり、発がんメカニズムの解明が期待されます。

論文情報

掲載誌 :	Gut
論文タイトル :	High stability of faecal microbiome composition in guanidine thiocyanate solution at room temperature and robustness during colonoscopy
著者 :	Yuichiro Nishimoto,Sayaka Mizutani,Takeshi Nakajima,Fumie Hosoda, Hikaru Watanabe, Yutaka Saito,Tatsuhiro Shibata,Shinichi Yachida*,Takuji Yamada*（*責任著者）
DOI :	10.1136/gutjnl-2016-311937

※

7月14日14:15 関連リンクに誤りがありましたので、修正しました。

概要

九州大学と東京工業大学、理化学研究所、スペインのバルセロナ・スーパーコンピューティング・センター、富士通株式会社による国際共同研究グループは、2016年6月に公開された最新のビッグデータ処理（大規模グラフ解析）に関するスーパーコンピュータの国際的な性能ランキングであるGraph500において、スーパーコンピュータ「京（けい）」^[用語1]による解析結果で、2015年11月に続き3期連続（通算4期）で第1位を獲得しました。

大規模グラフ解析の性能は、大規模かつ複雑なデータ処理が求められるビッグデータの解析において重要となるもので、今回のランキング結果は、「京」がビッグデータ解析に関する高い能力を有することを実証するものです。

本研究の一部は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業CREST「ポストペタスケール高性能計算に資するシステムソフトウェア技術の創出」（研究総括：佐藤三久 理研計算科学研究機構）における研究課題「ポストペタスケールシステムにおける超大規模グラフ最適化基盤」（研究代表者：藤澤克樹 九州大学、拠点代表者：鈴村豊太郎 バルセロナ・スーパーコンピューティング・センター）および「ビッグデータ統合利活用のための次世代基盤技術の創出・体系化」（研究総括：喜連川優 国立情報学研究所）における研究課題「EBD：次世代の年ヨッタバイト処理に向けたエクストリームビッグデータの基盤技術」（研究代表者：松岡聡 東京工業大学）の一環として行われました。

2016年6月20日に公開されたGraph500上位10位

• 2016年6月20日に公開されたGraph500上位10位

1. Graph500とは

近年活発に行われるようになってきた実社会における複雑な現象の分析では、多くの場合、分析対象は大規模なグラフ（節と枝によるデータ間の関連性を示したもの）として表現され、それに対するコンピュータによる高速な解析（グラフ解析）が必要とされています。例えば、インターネット上のソーシャルサービスなどでは、「誰が誰とつながっているか」といった関連性のある大量のデータを解析するときにグラフ解析が使われます。また、サイバーセキュリティや金融取引の安全性担保のような社会的課題に加えて、脳神経科学における神経機能の解析やタンパク質の相互作用分析などの科学分野においてもグラフ解析は用いられ、応用範囲が大きく広がっています。こうしたグラフ解析の性能を競うのが、2010年から開始されたスパコンランキング「Graph500」です。

規則的な行列演算である連立一次方程式を解く計算速度（LINPACK^[用語2]）でスーパーコンピュータを評価するTOP500^[用語3]においては、「京」は2011年（6月、11月）に第1位、その後、2016年6月20日に公表された最新のランキングでも第5位につけています。一方、Graph500ではグラフの幅優先探索（1秒間にグラフのたどった枝の数（Traversed Edges Per Second;TEPS^[用語4]））という複雑な計算を行う速度で評価されており、計算速度だけでなく、アルゴリズムやプログラムを含めた総合的な能力が求められます。

今回Graph500の測定に使われたのは、「京」が持つ88,128台のノード^[用語5]の内の82,944台で、約1兆個の頂点を持ち16兆個の枝から成るプロブレムスケール^[用語6]の大規模グラフに対する幅優先探索問題を0.45秒で解くことに成功しました。ベンチマークのスコアは38,621GTEPS（ギガテップス）です。Graph500第1位獲得は、「京」が科学技術計算でよく使われる規則的な行列演算だけでなく、不規則な計算が大半を占めるグラフ解析においても高い能力を有していることを実証したものであり、幅広い分野のアプリケーションに対応できる「京」の汎用性の高さを示すものです。また、それと同時に、高いハードウェアの性能を最大限に活用できる研究チームの高度なソフトウェア技術を示すものと言えます。「京」は、国際共同研究グループによる「ポストペタスケールシステムにおける超大規模グラフ最適化基盤プロジェクト」および「EBD：次世代の年ヨッタバイト処理に向けたエクストリームビッグデータの基盤技術」の2つの研究プロジェクトによってアルゴリズムおよびプログラムの開発が行われ、2014年6月に17,977GTEPSの性能を達成し第1位、また「京」のシステム全体を効率良く利用可能にするアルゴリズムの改良が行われ2倍近く性能を向上させ、2015年7月に38,621GTEPSを達成し第1位でした。そして今回のランキングでもこの記録は神威太湖之光等の新しいシステムに比べても大幅に高いスコアであり、世界第1位を3期連続で獲得しました。

2. 今後の展望

大規模グラフ解析においては、アルゴリズムおよびプログラムの開発・実装によって今回のように性能が飛躍的に向上する可能性を示しており、研究グループでは今後も更なる性能向上を目指していきます。また、上記で述べた実社会の課題解決および科学分野の基盤技術へ貢献すべく、スーパーコンピュータ上でさまざまな大規模グラフ解析アルゴリズムおよびプログラムを研究開発していきます。

• 細胞制御工学研究ユニット

  （リーダー：大隅良典栄誉教授）

  • 日本語

  • 英語

• グローバル水素エネルギー研究ユニット

  （リーダー：岡崎健特命教授）

  • 日本語

  • 英語

• ビッグデータ数理科学研究ユニット

  （リーダー：高安美佐子准教授）

  • 日本語

  • 英語

• スマート創薬研究ユニット

  （リーダー：関嶋政和准教授）

  • 日本語

  • 英語

• ハイブリッドマテリアル研究ユニット

  （リーダー：山元公寿教授）

  • 日本語

  • 英語

• バイオインタフェース研究ユニット

  （リーダー：小池康晴教授）

  • 日本語

  • 英語

• 超集積材料研究ユニット

  （リーダー：彌田智一教授）

  • 日本語

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• 革新固体触媒研究ユニット

  （リーダー：原亨和教授）

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• 原子燃料サイクル研究ユニット

  （リーダー：竹下健二教授）

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• クリーン環境研究ユニット

  （リーダー：藤井正明教授）

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