論文まとめ354回目 Nature Electronics エントロピー安定化酸化物を用いた、調整可能で安定したメムリスタによる効率的なデータ処理！？など

2024年6月9日 18:00

科学・社会論文を雑多/大量に調査する為、定期的に、さっくり表面がわかる形で網羅的に配信します。今回もマニアックなNature Electronicsです。

さらっと眺めると、事業・研究のヒントにつながるかも。
世界の先端はこんな研究してるのかと認識するだけでも、
ついつい狭くなる視野を広げてくれます。

一口コメント

Neuromorphic dendritic network computation with silent synapses for visual motion perception
視覚運動知覚のための、サイレントシナプスを用いた樹状突起ネットワーク計算のニューロモルフィックモデル
「私たちの脳内では、ニューロン同士が複雑につながり合って情報処理を行っています。特に、ニューロンの樹状突起と呼ばれる部分は、まるで木の枝のように広がり、情報を巧みに処理しています。本研究では、この樹状突起の働きを電子回路で再現することで、脳のような視覚情報処理を実現するための新しい技術が開発されました。これにより、将来的には脳のように柔軟で効率的な情報処理が可能な人工知能の実現に近づくかもしれません。」

Yttrium-doping-induced metallization of molybdenum disulfide for ohmic contacts in two-dimensional transistors
2次元トランジスタにおけるオーミック接触のための、イットリウムドーピングによる二硫化モリブデンの金属化
「トランジスタの性能を上げるには、電極と半導体の接触を良くすることが重要です。本研究では、二硫化モリブデン（MoS2）という半導体材料に、イットリウムという元素をドーピング（添加）することで、MoS2を金属化し、電極との接触を改善する方法を開発しました。この方法を使うと、わずか10ナノメートルの超小型トランジスタを、2インチウエハー上に大量に作製できます。この技術は、高性能な次世代電子デバイスの実現に貢献すると期待されています。」

Imperceptible augmentation of living systems with organic bioelectronic fibres
有機バイオエレクトロニクス繊維による生体システムの知覚されない拡張
「この研究では、クモの巣のように、生物の体表面に直接極細の導電性繊維を張り付ける技術を開発しました。この繊維は、皮膚の毛穴や指紋の溝を塞がないほど細く、装着しても触覚などの感覚を損ないません。さらに、この繊維で作った電極やセンサーを使えば、心電図の測定や環境モニタリングができます。将来は、体の機能を拡張したり、植物の状態を監視したりするのに役立つかもしれません。」

Strain relaxation and multidentate anchoring in n-type perovskite transistors and logic circuits
n型ペロブスカイトトランジスタとロジック回路における歪み緩和と多座配位子アンカリング
「ペロブスカイトは太陽電池の材料として注目されていますが、トランジスタへの応用は課題が多いとされてきました。本研究では、ペロブスカイト結晶の歪みを緩和し、欠陥を抑制する独自の手法を開発。その結果、電子の移動度が従来の約10倍に向上し、高性能なn型トランジスタの作製に成功しました。さらに、このトランジスタを用いて、ペロブスカイトだけで構成されるインバーターやリングオシレーターを実現。ペロブスカイトによる高性能な電子回路の可能性を示しました。」

Efficient data processing using tunable entropy-stabilized oxide memristors
調整可能なエントロピー安定化酸化物メムリスタを用いた効率的なデータ処理
「メムリスタは、コンピューティングの様々な用途に使える可能性がありますが、多くのメムリスタはアモルファス材料を使っているため、スイッチング動作の系統的な制御が難しいという問題がありました。本研究では、エントロピー安定化酸化物を用いて、スイッチング特性を調整できる安定したメムリスタを開発しました。このメムリスタを使ってリザバーコンピューティングネットワークを作製し、従来のシステムよりも高い分類精度とエネルギー効率を実現しました。」

A fast and robust quantum random number generator with a self-contained integrated photonic randomness core
自己完結型の集積フォトニックランダムネスコアを搭載した高速かつ堅牢な量子乱数生成器
「情報技術にとって、高速かつ安全な乱数生成は重要です。この研究では、電子プラットフォームに直接組み込まれた光集積回路を基にした高速量子乱数生成器を開発しました。光学的エントロピーコアから乱数を収集し、リアルタイムで処理・配布する8枚の基板を製造。1週間の連続ギガヘルツ動作でベンチマークを行い、量子鍵配布システムに導入したところ、制御されていない環境下でも物理的ランダムさが38日間で299万のヒストグラムにおいて最小限の変動しか示さないことを実証しました。」

要約

神経回路網の樹状突起構造を模倣した、視覚情報処理のための新しいニューロモルフィックコンピューティングモデルの提案

本研究では、ニューロンの樹状突起構造とシナプス結合の特性を模倣した新しいニューロモルフィックコンピューティングモデル「デンドリスター」を提案しています。このモデルは、シリコンナノワイヤートランジスタとイオンドープゾルゲル膜の物理特性に基づいており、興奮性・抑制性シナプス入力の非線形統合や、サイレントシナプスの空間分布依存性を再現することができます。さらに、デンドリスターを用いた樹状突起ニューラル回路網を構築し、網膜における3次元空間運動知覚をエミュレートする多層ネットワークシステムの設計に応用しています。

事前情報
従来のニューロモルフィック技術では、ニューロンの時空間的な情報処理特性を無視した点ニューロンモデルが用いられてきました。しかし、樹状突起の形態とシナプス結合の構造は、視覚知覚などの時空間情報処理に特化しています。

行ったこと

シリコンナノワイヤートランジスタとイオンドープゾルゲル膜の物理特性に基づいた、デバイスレベルおよびニューラル回路レベルで樹状突起計算を行うニューロモルフィックコンピューティングモデル「デンドリスター」を開発しました。
デンドリスターを用いて、興奮性・抑制性シナプス入力の非線形統合や、サイレントシナプスの空間分布依存性を再現しました。
デンドリスターを相互接続した樹状突起ニューロンのニューロモルフィック回路網を開発し、多層ネットワークシステムの設計に応用しました。

検証方法 デンドリスターモデルを用いて、樹状突起上のシグナル方向に反応する方向選択性を再現し、樹状突起ニューロンの回路網を構築して、網膜における3次元空間運動知覚のエミュレーションを行いました。

分かったこと

デンドリスターモデルは、興奮性・抑制性シナプス入力の非線形統合や、サイレントシナプスの空間分布依存性を再現することができます。
デンドリスターを用いた樹状突起ニューロンの回路網は、網膜における3次元空間運動知覚をエミュレートする多層ネットワークシステムの設計に応用できます。

この研究の面白く独創的なところ
従来のニューロモルフィック技術とは異なり、ニューロンの樹状突起構造とシナプス結合の特性を模倣したデンドリスターモデルを提案し、視覚情報処理に特化した時空間的な情報処理を実現している点が独創的です。

この研究のアプリケーション
デンドリスターモデルを用いた樹状突起ニューロンの回路網は、脳のような柔軟で効率的な情報処理を行う人工知能の開発に応用できる可能性があります。特に、視覚情報処理や3次元空間認識などの分野での応用が期待されます。

著者と所属

Eunhye Baek, Sen Song, Chang-Ki Baek, Zhao Rong, Luping Shi
Carlo Vittorio Cannistraci

詳しい解説
本研究では、脳内のニューロンの樹状突起構造とシナプス結合の特性に着目し、これらを電子回路で再現することで、視覚情報処理のための新しいニューロモルフィックコンピューティングモデル「デンドリスター」を提案しています。
デンドリスターモデルは、シリコンナノワイヤートランジスタとイオンドープゾルゲル膜の物理特性を利用して、デバイスレベルおよびニューラル回路レベルで樹状突起計算を行います。このモデルの特徴は、興奮性・抑制性シナプス入力の非線形統合や、サイレントシナプスの空間分布依存性を再現できる点にあります。
研究では、デンドリスターを用いて方向選択性を再現し、樹状突起上のシグナル方向に反応する性質をエミュレートしました。さらに、デンドリスターを相互接続した樹状突起ニューロンの回路網を開発し、これを多層ネットワークシステムの設計に応用することで、網膜における3次元空間運動知覚をエミュレートすることに成功しました。
従来のニューロモルフィック技術では、ニューロンの時空間的な情報処理特性を無視した点ニューロンモデルが主流でしたが、本研究のデンドリスターモデルは、視覚情報処理に特化したニューロンの樹状突起構造とシナプス結合の特性を模倣している点が独創的です。
この研究成果は、脳のような柔軟で効率的な情報処理を行う人工知能の開発に貢献すると期待されます。特に、視覚情報処理や3次元空間認識などの分野での応用が見込まれます。将来的には、デンドリスターモデルを発展させることで、より高度な脳型情報処理技術の実現につながるかもしれません。

イットリウムドーピングによる二硫化モリブデンの金属化を利用した、2次元トランジスタにおける理想的なオーミック接触の実現

本研究では、2次元半導体材料である二硫化モリブデン（MoS2）にイットリウムをドーピングすることで、MoS2を金属化し、トランジスタの電極との理想的なオーミック接触を実現する方法を開発しました。この方法は、プラズマ、堆積、アニールの3段階の固体ソースドーピング法に基づいており、ウエハースケールの集積回路製造に適用可能です。イットリウムドープMoS2は金属的なバッファとして機能し、金属電極から半導体MoS2へのキャリア輸送を改善します。この方法を用いて、2インチウエハー上に自己整合型の10ナノメートルチャネル長MoS2電界効果トランジスタを作製し、優れた特性を達成しました。

事前情報
2次元半導体材料を用いたトランジスタでは、ファンデルワールス系を利用することでフェルミレベルピニングの問題を解決できますが、先端ノードリソグラフィに適合する方法がないため、ウエハースケールの集積回路製造への応用が制限されています。

行ったこと

プラズマ、堆積、アニールの3段階からなる固体ソースドーピング法を用いて、MoS2へのイットリウムドーピングを行い、MoS2を金属化しました。
イットリウムドープMoS2を金属的なバッファとして利用し、金属電極から半導体MoS2へのキャリア輸送を改善しました。
この方法を用いて、2インチウエハー上に自己整合型の10ナノメートルチャネル長MoS2電界効果トランジスタを作製しました。

検証方法
イットリウムドーピングによるMoS2の金属化を利用して、2インチウエハー上に自己整合型の10ナノメートルチャネル長MoS2電界効果トランジスタを作製し、その電気的特性を評価しました。

分かったこと

イットリウムドーピングによりMoS2を金属化することで、金属電極とMoS2の接触を改善し、理想的なオーミック接触を実現できます。
この方法を用いて、平均接触抵抗69Ωμm、全抵抗235Ωμmの10ナノメートルチャネル長MoS2電界効果トランジスタを作製できました。
作製したトランジスタは、ドレイン電圧0.7Vにおいて1.22mAμm-1のオン電流密度、79%のバリスティック比、3.2mSμm-1のトランスコンダクタンスを示しました。

この研究の面白く独創的なところ
先端ノードリソグラフィに適合する、固体ソースドーピング法を用いてMoS2を金属化し、理想的なオーミック接触を実現した点が独創的です。この方法により、ウエハースケールの集積回路製造に適用可能な、高性能2次元半導体トランジスタの作製が可能になります。

この研究のアプリケーション
本研究で開発された、イットリウムドーピングによるMoS2の金属化技術は、高性能な次世代電子デバイスの実現に貢献すると期待されます。特に、ウエハースケールの集積回路製造に適用可能な、超小型・高性能トランジスタの開発に応用できます。

著者と所属

Jianfeng Jiang, Lin Xu, Luojun Du, Lu Li, Guangyu Zhang, Chenguang Qiu, Lian-Mao Peng:

詳しい解説
本研究は、2次元半導体材料である二硫化モリブデン（MoS2）を用いたトランジスタにおいて、電極との理想的なオーミック接触を実現する新しい方法を提案しています。
従来、2次元半導体材料を用いたトランジスタでは、ファンデルワールス系を利用することでフェルミレベルピニングの問題を解決できますが、先端ノードリソグラフィに適合する方法がないため、ウエハースケールの集積回路製造への応用が制限されていました。
この課題を解決するため、本研究ではイットリウムドーピングによりMoS2を金属化する方法を開発しました。この方法は、プラズマ、堆積、アニールの3段階からなる固体ソースドーピング法に基づいており、ウエハースケールの集積回路製造に適用可能です。
イットリウムドープMoS2は金属的なバッファとして機能し、金属電極から半導体MoS2へのキャリア輸送を改善します。これにより、電極とMoS2の接触が改善され、理想的なオーミック接触が実現されます。
研究チームは、この方法を用いて、2インチウエハー上に自己整合型の10ナノメートルチャネル長MoS2電界効果トランジスタを作製しました。作製したトランジスタは、優れた電気的特性を示し、高性能な次世代電子デバイスへの応用が期待されます。
本研究で開発された、イットリウムドーピングによるMoS2の金属化技術は、ウエハースケールの集積回路製造に適用可能な、超小型・高性能トランジスタの開発に貢献すると考えられます。この技術は、次世代の高性能電子デバイスの実現に向けた重要な一歩となるでしょう。

生体構造にバイオエレクトロニクス繊維を直接装着することで、生体機能を損なわずに機能や感覚を拡張する技術の開発

本研究では、有機バイオエレクトロニクス繊維を生体構造に直接装着することで、生体機能を損なわずに機能や感覚を拡張する技術を開発しました。この技術は、指先や鶏胚、植物の表面に適用可能で、心電図や筋電図の測定、皮膚ゲート型有機エレクトロケミカルトランジスタの作製、触覚や植物インターフェースの拡張に利用できます。また、この繊維を用いて、既製のマイクロエレクトロニクスやe-テキスタイルと接続したり、繊維を修復、アップグレード、リサイクルしたりすることもできます。

事前情報
従来の機能的・知覚的拡張技術では、生体機能への影響や環境負荷が課題でした。薄膜技術は生体表面に適合しますが、基材が水分や気体の透過性を制限します。電子テキスタイルは通気性に優れますが、繊維サイズが大きく、生体との密着性に欠けます。

行ったこと

有機バイオエレクトロニクス繊維を生体構造に直接装着する技術を開発しました。
この技術を指先、鶏胚、植物の表面に適用し、心電図、筋電図の測定、皮膚ゲート型有機エレクトロケミカルトランジスタの作製、触覚や植物インターフェースの拡張を実現しました。
繊維を用いて既製のマイクロエレクトロニクスやe-テキスタイルと接続したり、繊維を修復、アップグレード、リサイクルしたりする方法を示しました。

検証方法
開発した有機バイオエレクトロニクス繊維を指先、鶏胚、植物の表面に装着し、心電図、筋電図の測定、皮膚ゲート型有機エレクトロケミカルトランジスタの作製、触覚や植物インターフェースの拡張を行いました。また、繊維とマイクロエレクトロニクスやe-テキスタイルとの接続、繊維の修復、アップグレード、リサイクルを実証しました。

分かったこと

有機バイオエレクトロニクス繊維は、生体機能を損なわずに機能や感覚を拡張できます。
この技術は、指先、鶏胚、植物の表面に適用可能で、心電図、筋電図の測定、皮膚ゲート型有機エレクトロケミカルトランジスタの作製、触覚や植物インターフェースの拡張に利用できます。
繊維を用いて既製のマイクロエレクトロニクスやe-テキスタイルと接続したり、繊維を修復、アップグレード、リサイクルしたりすることができます。

この研究の面白く独創的なところ
クモの巣に着想を得て、極細の有機バイオエレクトロニクス繊維を生体構造に直接装着することで、生体機能を損なわずに機能や感覚を拡張する点が独創的です。また、この技術が指先、鶏胚、植物など様々な生体構造に適用可能で、多様な応用が期待できる点も面白いです。

この研究のアプリケーション
この技術は、健康管理や環境モニタリングのためのデータ収集プラットフォームとして利用できる可能性があります。また、将来的には、体の機能を拡張したり、植物の状態を監視したりするのに役立つかもしれません。

著者と所属

Wenyu Wang, Yifei Pan, Yuan Shui, Tawfique Hasan, Iek Man Lei, Stanley Gong Sheng Ka, Thierry Savin, Santiago Velasco-Bosom, Yang Cao, Susannah B. P. McLaren, Yuze Cao, Fengzhu Xiong, George G. Malliaras, Yan Yan Shery Huang:

詳しい解説
この研究では、有機バイオエレクトロニクス繊維を生体構造に直接装着することで、生体機能を損なわずに機能や感覚を拡張する技術を開発しました。この技術は、クモの巣に着想を得ており、極細の繊維を生体表面に張り付けることで、生体との高い適合性を実現しています。
研究チームは、PEDOT:PSSをベースとした有機バイオエレクトロニクス繊維を開発し、オービタルスピニング法を用いて、指先、鶏胚、植物の表面に直接装着しました。この繊維は、直径が1〜5μmと非常に細く、皮膚の毛穴や指紋の溝を塞がないため、装着しても触覚などの感覚を損ないません。
装着した繊維を用いて、心電図や筋電図の測定、皮膚ゲート型有機エレクトロケミカルトランジスタの作製、触覚や植物インターフェースの拡張を実現しました。例えば、指先に装着した繊維電極で、別の人の心電図を測定したり、植物の葉に装着した繊維でアンモニアガスを検出したりすることができました。
さらに、この繊維を用いて、既製のマイクロエレクトロニクスやe-テキスタイルと接続したり、繊維を修復、アップグレード、リサイクルしたりする方法も示されました。例えば、植物の葉に装着した繊維とLEDを接続し、アンモニアガスを検出する警告システムを作製したり、使用済みの繊維を回収して3Dプリンティング用のインクに再利用したりできました。
この技術は、健康管理や環境モニタリングのためのデータ収集プラットフォームとして利用できる可能性があります。将来的には、体の機能を拡張したり、植物の状態を監視したりするのに役立つかもしれません。また、材料や製造プロセスの工夫により、環境負荷の低減にも貢献できると期待されます。

ペロブスカイト結晶の歪み緩和と多座配位子アンカリングによる高性能n型トランジスタとロジック回路の開発

本研究では、ホルムアミジニウム鉛ヨウ化物ペロブスカイトを用いて、電界効果移動度が最大33 cm2 V−1 s−1（連続バイアス測定）に達するn型トランジスタを開発しました。これは、塩化メチルアンモニウム添加剤によるペロブスカイト格子の歪み緩和と、フッ化テトラメチルアンモニウムによる配位不足の鉛の抑制を組み合わせることで達成されました。この手法により、アルファ相の安定化、歪みのバランス、表面形態、結晶性、配向性が改善され、低欠陥のペロブスカイト-誘電体界面が実現されました。開発したトランジスタを用いて、単極性インバーターと11段リングオシレーターを作製しました。

事前情報
スズハライドペロブスカイトを用いたp型トランジスタでは、電界効果移動度が70 cm2 V−1 s−1を超える高性能化が達成されていますが、バックグラウンドのホールドーピングのため、n型トランジスタには適していません。両極性の鉛ハライドペロブスカイトは候補材料ですが、欠陥が多いため電子移動度が3〜4 cm2 V−1 s−1程度に制限され、ペロブスカイトのみを用いたロジック回路の開発が困難でした。

行ったこと

塩化メチルアンモニウム添加剤を用いてペロブスカイト格子の歪みを緩和しました。
フッ化テトラメチルアンモニウムを用いて配位不足の鉛を抑制しました。
開発したペロブスカイトを用いて、電界効果移動度が最大33 cm2 V−1 s−1（連続バイアス測定）に達するn型トランジスタを作製しました。
このトランジスタを用いて、単極性インバーターと11段リングオシレーターを作製しました。

検証方法
開発したペロブスカイトの物性評価（アルファ相の安定性、歪み、表面形態、結晶性、配向性）を行い、トランジスタの電界効果移動度を連続バイアス測定で評価しました。また、作製したトランジスタを用いて、単極性インバーターと11段リングオシレーターを作製し、その性能を評価しました。

分かったこと

塩化メチルアンモニウム添加剤によるペロブスカイト格子の歪み緩和と、フッ化テトラメチルアンモニウムによる配位不足の鉛の抑制を組み合わせることで、アルファ相の安定化、歪みのバランス、表面形態、結晶性、配向性が改善され、低欠陥のペロブスカイト-誘電体界面が実現できます。
この手法により、電界効果移動度が最大33 cm2 V−1 s−1（連続バイアス測定）に達するn型ペロブスカイトトランジスタが開発できます。
開発したトランジスタを用いて、ペロブスカイトのみで構成される単極性インバーターと11段リングオシレーターを作製できます。

この研究の面白く独創的なところ
ペロブスカイト格子の歪み緩和と配位不足の鉛の抑制を組み合わせることで、高性能なn型ペロブスカイトトランジスタを開発した点が独創的です。また、このトランジスタを用いてペロブスカイトのみで構成されるロジック回路を実現した点も面白いです。

この研究のアプリケーション
高性能なn型ペロブスカイトトランジスタとロジック回路は、低コストで高性能な電子デバイスの開発に応用できる可能性があります。特に、ペロブスカイト太陽電池と組み合わせることで、エネルギーハーベスティングと情報処理を融合したスマートデバイスの実現が期待されます。

著者と所属

Ravindra Naik Bukke, Olga A. Syzgantseva, Maria A. Syzgantseva, Konstantinos Aidinis, Anastasia Soultati, Apostolis Verykios, Marinos Tountas, Vassilis Psycharis, Thamraa Alshahrani, Habib Ullah, Leandros P. Zorba, Georgios C. Vougioukalakis, Jianxiao Wang, Xichang Bao, Jin Jang, Mohammad Khaja Nazeeruddin, Maria Vasilopoulou, Abd. Rashid bin Mohd Yusoff:

詳しい解説
ペロブスカイト材料は、太陽電池の分野で高い光電変換効率を達成し、次世代の太陽電池材料として注目されています。一方、トランジスタへの応用については、p型トランジスタでは高い電界効果移動度が達成されているものの、n型トランジスタの開発は課題が多いとされてきました。
本研究では、ホルムアミジニウム鉛ヨウ化物ペロブスカイトを用いて、高性能なn型トランジスタの開発に取り組みました。ペロブスカイト結晶の歪みを緩和するために、塩化メチルアンモニウム添加剤を用いました。また、配位不足の鉛を抑制するために、フッ化テトラメチルアンモニウムによる多座配位子アンカリングを行いました。
この手法により、ペロブスカイト結晶のアルファ相が安定化され、歪みのバランスが改善されました。また、表面形態、結晶性、配向性も向上し、低欠陥のペロブスカイト-誘電体界面が実現されました。その結果、電界効果移動度が最大33 cm2 V−1 s−1（連続バイアス測定）に達するn型トランジスタの作製に成功しました。これは、従来の両極性鉛ハライドペロブスカイトを用いたトランジスタの電子移動度（3〜4 cm2 V−1 s−1程度）を大幅に上回る値です。
さらに、開発したトランジスタを用いて、ペロブスカイトのみで構成される単極性インバーターと11段リングオシレーターを作製しました。これは、ペロブスカイト材料による高性能な電子回路の可能性を示す重要な成果です。
本研究の独創的な点は、ペロブスカイト格子の歪み緩和と配位不足の鉛の抑制を組み合わせることで、高性能なn型ペロブスカイトトランジスタを開発したことです。また、このトランジスタを用いてペロブスカイトのみで構成されるロジック回路を実現した点も面白いです。
今後、高性能なn型ペロブスカイトトランジスタとロジック回路は、低コストで高性能な電子デバイスの開発に応用できる可能性があります。特に、ペロブスカイト太陽電池と組み合わせることで、エネルギーハーベスティングと情報処理を融合したスマートデバイスの実現が期待されます。本研究は、ペロブスカイト材料によるエレクトロニクスの発展に大きく貢献すると考えられます。

エントロピー安定化酸化物を用いた、調整可能で安定したメムリスタによる効率的なデータ処理

本研究では、エピタキシャル下部電極上に成長させた単結晶(Mg,Co,Ni,Cu,Zn)O膜を用いて、調整可能で安定したメムリスタを開発しました。エントロピー安定化酸化物膜のマグネシウム組成(XMg = 0.11–0.27)を調整することで、スイッチング過程の内部時定数を159–278 nsの範囲で制御できました。このメムリスタを用いて時系列入力データを分類するリザバーコンピューティングネットワークを作製し、調整可能なリザバーを持つリザバーコンピューティングシステムが、従来のシステムよりも高い分類精度とエネルギー効率を実現できることを示しました。

事前情報
メムリスタは様々なコンピューティング用途に使える可能性がありますが、多くのメムリスタはアモルファス材料を使っているため、スイッチング動作の系統的な制御が難しいという問題がありました。

行ったこと

エピタキシャル下部電極上に単結晶(Mg,Co,Ni,Cu,Zn)O膜を成長させました。
エントロピー安定化酸化物膜のマグネシウム組成(XMg = 0.11–0.27)を調整することで、スイッチング過程の内部時定数を制御しました。
開発したメムリスタを用いて、時系列入力データを分類するリザバーコンピューティングネットワークを作製しました。

検証方法
開発したメムリスタのスイッチング特性を評価し、内部時定数のマグネシウム組成依存性を調べました。また、メムリスタを用いて作製したリザバーコンピューティングシステムの分類精度とエネルギー効率を評価し、従来のシステムと比較しました。

分かったこと

エントロピー安定化酸化物膜のマグネシウム組成を調整することで、メムリスタのスイッチング過程の内部時定数を159–278 nsの範囲で制御できます。
開発したメムリスタを用いて作製したリザバーコンピューティングシステムは、調整可能なリザバーを持つことで、従来のシステムよりも高い分類精度とエネルギー効率を実現できます。

この研究の面白く独創的なところ
エントロピー安定化酸化物を用いて、メムリスタのスイッチング特性を系統的に制御できる点が独創的です。また、このメムリスタを用いてリザバーコンピューティングシステムを作製し、高い分類精度とエネルギー効率を実現した点も面白いです。

この研究のアプリケーション
調整可能で安定したメムリスタは、エネルギー効率の高いデータ処理や、ニューロモルフィックコンピューティングなどの応用に利用できる可能性があります。また、リザバーコンピューティングシステムは、時系列データの分類や予測など、様々な用途に応用できると期待されます。

著者と所属

Sangmin Yoo, Sieun Chae, Tony Chiang, Matthew Webb, Tao Ma, Hanjong Paik, Yongmo Park, Logan Williams, Kazuki Nomoto, Huili G. Xing, Susan Trolier-McKinstry, Emmanouil Kioupakis, John T. Heron, Wei D. Lu: 所属不明

詳しい解説
メムリスタは、電気抵抗が電流や電圧の履歴に依存して変化する非線形素子であり、コンピューティングの様々な用途に使える可能性があります。しかし、多くのメムリスタはアモルファス材料を使っているため、スイッチング動作の系統的な制御が難しいという問題がありました。
本研究では、エントロピー安定化酸化物を用いて、調整可能で安定したメムリスタを開発しました。エントロピー安定化酸化物は、複数の元素を混合することで高いエントロピーを持ち、熱力学的に安定した単相を形成する材料です。研究チームは、エピタキシャル下部電極上に単結晶(Mg,Co,Ni,Cu,Zn)O膜を成長させ、そのマグネシウム組成を調整することで、メムリスタのスイッチング特性を制御しました。
具体的には、マグネシウム組成(XMg)を0.11から0.27の範囲で変化させることで、メムリスタのスイッチング過程の内部時定数を159–278 nsの範囲で制御することに成功しました。この結果は、エントロピー安定化酸化物を用いることで、メムリスタのスイッチング特性を系統的に制御できることを示しています。
さらに、研究チームは開発したメムリスタを用いて、時系列入力データを分類するリザバーコンピューティングネットワークを作製しました。リザバーコンピューティングは、非線形ダイナミクスを持つリザバー（記憶層）を用いて、時系列データを高次元空間に写像し、その状態を読み出すことで計算を行う手法です。作製したリザバーコンピューティングシステムでは、調整可能なメムリスタを用いてリザバーを構成することで、従来のシステムよりも高い分類精度とエネルギー効率を実現しました。
本研究の独創的な点は、エントロピー安定化酸化物を用いてメムリスタのスイッチング特性を系統的に制御できる点です。また、このメムリスタを用いてリザバーコンピューティングシステムを作製し、高い分類精度とエネルギー効率を実現した点も面白いです。
調整可能で安定したメムリスタは、エネルギー効率の高いデータ処理や、ニューロモルフィックコンピューティングなどの応用に利用できる可能性があります。また、リザバーコンピューティングシステムは、時系列データの分類や予測など、様々な用途に応用できると期待されます。本研究は、メムリスタの制御性を高め、その応用範囲を拡大する重要な成果といえます。

自己完結型の集積フォトニックランダムネスコアを搭載した、高速かつ堅牢な量子乱数生成器の開発

本研究では、電子プラットフォームに直接組み込まれたフォトニック集積回路を基にした高速量子乱数生成器を開発しました。光学的エントロピーコアからランダムネスを収集し、リアルタイムで処理・配布する8枚の基板を製造し、1週間の連続ギガヘルツ動作でベンチマークを行いました。また、量子鍵配布システムに導入し、制御されていない環境下でも物理的ランダムさが38日間で299万のヒストグラムにおいて最小限の変動しか示さないことを実証しました。さらに、セキュリティモデルを用いて生成されるランダムネスコンテンツのレートを調整し、2 Gbit/sでの安全な生成を実証しました。

事前情報
集積フォトニクスを用いて大量生産可能な量子乱数生成器を作成できる可能性がありますが、産業的な導入に適した堅牢でスケーラブルなアプローチの開発は困難です。

行ったこと

電子プラットフォームに直接組み込まれたフォトニック集積回路を基にした高速量子乱数生成器を開発しました。
光学的エントロピーコアからランダムネスを収集し、リアルタイムで処理・配布する8枚の基板を製造しました。
量子鍵配布システムに導入し、制御されていない環境下での物理的ランダムさの変動を評価しました。
セキュリティモデルを用いて生成されるランダムネスコンテンツのレートを調整し、安全な生成を実証しました。

検証方法
開発した量子乱数生成器を1週間の連続ギガヘルツ動作でベンチマークを行い、量子鍵配布システムに導入して38日間で299万のヒストグラムを収集し、物理的ランダムさの変動を評価しました。また、セキュリティモデルを用いてランダムネスコンテンツのレートを調整し、安全な生成を実証しました。

分かったこと

開発した量子乱数生成器は、1週間の連続ギガヘルツ動作で安定して動作します。
量子鍵配布システムに導入した場合、制御されていない環境下でも物理的ランダムさが38日間で299万のヒストグラムにおいて最小限の変動しか示しません。
セキュリティモデルを用いることで、2 Gbit/sでの安全なランダムネス生成が可能です。

この研究の面白く独創的なところ
電子プラットフォームに直接組み込まれたフォトニック集積回路を基にした量子乱数生成器を開発し、産業的な導入に適した堅牢でスケーラブルなアプローチを実現した点が独創的です。また、量子鍵配布システムへの導入による実環境での性能評価や、セキュリティモデルを用いたランダムネス生成レートの調整など、実用性を重視した検証を行っている点も面白いです。

この研究のアプリケーション
高速かつ安全な乱数生成は、暗号化、シミュレーション、ゲームなど、情報技術の様々な分野で重要な役割を果たします。本研究で開発された量子乱数生成器は、産業的な導入に適した堅牢でスケーラブルなアプローチを提供するため、これらの分野での実用化が期待されます。特に、量子鍵配布システムへの導入により、安全な通信の実現に貢献すると考えられます。

著者と所属

Davide G. Marangon, Peter R. Smith, Nathan Walk, Taofiq K. Paraïso, James F. Dynes, Victor Lovic, Mirko Sanzaro, Thomas Roger, Innocenzo De Marco, Marco Lucamarini, Zhiliang Yuan, Andrew J. Shields: 所属不明

詳しい解説
情報技術の発展に伴い、高速かつ安全な乱数生成の重要性が高まっています。量子乱数生成器は、量子力学の原理を利用して真の乱数を生成できる有望なデバイスですが、産業的な導入に適した堅牢でスケーラブルなアプローチの開発が課題となっていました。
本研究では、電子プラットフォームに直接組み込まれたフォトニック集積回路を基にした高速量子乱数生成器を開発しました。この量子乱数生成器は、光学的エントロピーコアからランダムネスを収集し、リアルタイムで処理・配布する8枚の基板から構成されています。研究チームは、1週間の連続ギガヘルツ動作でベンチマークを行い、安定した動作を実証しました。
さらに、開発した量子乱数生成器を量子鍵配布システムに導入し、制御されていない環境下での性能を評価しました。その結果、物理的ランダムさが38日間で299万のヒストグラムにおいて最小限の変動しか示さないことが明らかになりました。これは、量子乱数生成器が実環境でも安定して動作することを示唆しています。
また、研究チームはセキュリティモデルを用いて生成されるランダムネスコンテンツのレートを調整し、2 Gbit/sでの安全な生成を実証しました。これにより、量子乱数生成器が高速かつ安全な乱数生成を実現できることが示されました。
本研究の独創的な点は、電子プラットフォームに直接組み込まれたフォトニック集積回路を基にした量子乱数生成器を開発し、産業的な導入に適した堅牢でスケーラブルなアプローチを実現したことです。また、量子鍵配布システムへの導入による実環境での性能評価や、セキュリティモデルを用いたランダムネス生成レートの調整など、実用性を重視した検証を行っている点も面白いです。
高速かつ安全な乱数生成は、暗号化、シミュレーション、ゲームなど、情報技術の様々な分野で重要な役割を果たします。本研究で開発された量子乱数生成器は、産業的な導入に適した堅牢でスケーラブルなアプローチを提供するため、これらの分野での実用化が期待されます。特に、量子鍵配布システムへの導入により、安全な通信の実現に貢献すると考えられます。
本研究は、量子乱数生成器の実用化に向けた重要な一歩を示すものであり、情報技術の発展に大きく寄与すると期待されます。

最後に
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