ダイヤモンド量子デバイス：量子技術を変える「宝石」の可能性

著者：アスタミューゼ株式会社 古川 昭夫 修士（工学）

量子技術とダイヤモンド

第二世代量子技術（量子技術2.0）ということばが近年使われはじめています。量子技術とは、電気や光を構成する単一の粒子である電子や光子がもつ、マクロな物理法則では説明できない量子力学的性質を利用する技術です。

従来の量子技術（第一世代量子技術）では大量の電子や光子を集団としてあつかい、その平均的な量子効果を利用することで半導体やレーザーなどの製品を生み出してきました。

これに対して第二世代の量子技術では個々の粒子の状態を直接操作・制御して利用します。この単一粒子の直接操作によって、高速な情報処理が可能な量子コンピューティングや、安全な情報伝達が可能な量子暗号通信、超高感度な量子計測などへの応用が可能になります。

一方、単一の粒子の量子状態は外部からの擾乱に弱く、きわめて不安定なため、これを保持し操作・制御するには極低温の特殊な環境をつくる必要がありました。そのために大型の冷却・断熱装置が必要となる場合があり、第二世代量子技術の産業化における大きなハードルのひとつとなっています。そこで、量子状態を安定して保持する材料として注目されているのがダイヤモンドです。

ダイヤモンドはその宝石としての美しさの源でもある強固な炭素原子の四面体からなるダイヤモンド型結晶構造により、磁気ノイズや熱振動のような内部擾乱がきわめて少なく、さらに高い光透過性を有します。このため、結晶中に量子状態を形成できれば、これを安定的に保持し、光や電波によって外部から操作・制御することが可能になります。

ダイヤモンド中に量子状態を作り出す方法は、1997年にヨルグ・ヴラハトルップ（Jörg Wrachtrup、現ドイツ・シュトゥットガルト大学教授）らの研究チームが、以前から知られていたダイヤモンド中に窒素（N）と空孔（V：炭素原子が抜けた位置）がならんだ複合欠陥（NV中心）を単一電子スピンの量子状態としてあつかうことに成功し、量子技術への応用が大きく発展しました。窒素を加速してダイヤモンドに打ち込み、熱処理することでNV中心を人工的に形成できます。

2000年代に入ると、従来の量子デバイスでは不可能だった室温環境下での量子状態の保持や操作がダイヤモンドNV中心で実証され、今日に続くダイヤモンド量子デバイスの研究開発が進展してきました。

現時点におけるダイヤモンド量子デバイスの主な用途は以下に分類できます。

• 量子コンピューティング
  • 動作原理：NV中心等の電子スピンを量子ビットとし、重ね合わせや量子もつれを利用して高速な並列計算を行う
  • 制御方法：レーザー光でスピンを初期化し、マイクロ波パルスで論理ゲート操作を行い蛍光で読み出す
• 量子暗号通信
  • 動作原理：欠陥から発生する単一光子の量子状態に暗号鍵を乗せ、第三者の観測による状態の変化で盗聴を検知する
  • 制御方法：レーザーに単一光子を発生させ、欠陥スピンと光子を量子もつれさせて偏光や位相を制御しファイバ送出する
• 量子センサ
  • 動作原理：外部磁場や温度によるスピンの共鳴周波数シフトを微小なエネルギー変化として捉える
  • 制御方法：レーザー光でスピンを初期化後、マイクロ波パルスでスピンを操作し、蛍光強度の変化で外部磁場や温度変化を読み取る

このように、現時点での用途は限定的ですが、それぞれの用途において従来技術ではむずかしかった室温動作が可能となっており、第二世代量子技術の産業化を飛躍的に進める基盤技術として期待されています。

本レポートでは、ダイヤモンド量子デバイスを対象に、アスタミューゼ独自のデータベースを活用し、グラントや論文、特許、スタートアップ企業の情報をもとに、その技術動向を分析しました。

ダイヤモンド量子デバイス関するグラントの動向分析

まず、アスタミューゼが保有するグラント（競争的研究資金）データベースから、研究概要文に「ダイヤモンド」および量子・窒素-空孔関連のキーワードをふくむ、2016年以降に開始されたグラント1,181件を抽出しました。なお、中国はグラントデータの開示状況が年によって大きく異なり、実態を反映しない可能性が高いため分析対象から除外しています。また、公開直後のグラント情報はデータベースに格納されていないものもあるため、直近の集計値については過小評価されている場合があります。

図1に国・地域別のグラント件数と、全世界の総配賦額の年次推移をしめします。

件数では日本がもっとも多く、全体の4割を占めます。これに米国（25%）、英国（14%）が続きます。総件数は2022年までは横ばいでしたが、2023年以降は増加傾向がみられます。総配賦額では2023年の件数増加後も横ばいで、1件あたりの配賦額の減少が読みとれますが、2025年には件数の集計が途中段階にも関わらず同水準の総配賦額を維持している事から、1件あたりの配賦額が上昇し始めていることがわかります。

これらのグラントを母集団として、「未来推定」による分析をおこないました。これは母集団のタイトルや概要文にふくまれるキーワードの出現頻度の年次推移を調べることで、ブームが去った技術やこれから注目をあびると予測される要素技術を定量的に評価する手法です。

分析結果が図2です。ここでは増減傾向を直近10年間の出現本数に対する直近5年間の出現本数の割合として算出される「growth」という指数で評価しています。growthは1に近いほど直近での出現頻度が高いといえ、その値が高い注目キーワードをとりあげました。

最初にあげた「navigation」は、ダイヤモンドNV中心をもちいた地磁気センサにより、GPSが使用できない環境等におけるナビゲーションを実現する研究に対するグラントのキーワードです。ダイヤモンド量子センサが商用化段階となりつつあり、その用途の開拓に研究資金がむかいはじめていることがうかがえます。

つぎにあげる「tin-vacancy」は窒素-空孔のNV中心と同様にダイヤモンド中のスズ原子不純物が空孔と結合して形成されるSnV中心を指すキーワードです。SnV中心はNV中心と比較して外部環境に対する感受性が低いためセンサとしての用途には向きませんが、光の発生効率が非常に高いため、量子通信や量子計算の用途においてより高い性能が期待されています。

続いて、「addressable」はNV中心のアレイから読み出す点を光で選択する「optically addressable」にふくまれるキーワードです。NV中心を量子ビット（qbit）として量子計算にもちいるデバイスの読み出し方式として、研究資金の対象となっていると考えられます。

最後の「nanodiamond」はナノ粒子状のダイヤモンド量子センサを生体細胞などの測定対象に導入することで高感度に解析するための材料形態です。グラントにおけるgrowthはそれほど高くありませんでしたが、後述する特許において出現頻度がのびている点から、注目キーワードとして掲載しています。

これらの注目キーワードをふくむグラントから、直近（2021年以降）に開始され、配賦額の大きい代表的なものを以下に紹介します。

• ダイヤモンド中のIV族‐空孔中心の電荷制御と量子ネットワークデバイスの創製
  • 機関/企業：東京科学大学
  • グラント名/国：科研費/日本
  • 採択年：2022年
  • 資金賦与額：1.93億円（累計）
  • 概要：量子通信ネットワークに向けたダイヤモンド量子光源材料として、ダイヤモンド中にスズ-空孔および鉛-空孔の発光中心を形成する製造プロセスと光学特性評価技術の開発をおこなう。

• FuSe2 Topic 2: Co-designing a Semiconductor-based Quantum Architecture Platform for Scalable Quantum Information Processing
  • 機関/企業： Massachusetts Institute of Technology
  • グラント名/国：NSF/米国
  • 採択年：2024年
  • 資金賦与額：200万ドル（累計）
  • 概要：光学的に制御されるダイヤモンド量子素子による光集積回路と、電気的に制御される半導体回路を協調設計によって統合し、大規模な量子演算チップの実現を目指す。

• QuSeC-TAQS: Nanodiamond Quantum Sensing for Four-Dimensional Live-Cell Imaging
  • 機関/企業： Purdue University
  • グラント名/国：NSF/米国
  • 採択年：2024年
  • 資金賦与額：200万ドル（累計）
  • 概要：ナノダイヤモンド量子センサ粒子を細胞内に導入し、光学顕微鏡技術との組み合わせにより細胞内の温度や磁場、pH、代謝物濃度などの局所環境パラメータの時間変化を、3次元で空間的に計測する基盤技術を確立する。

グラントの件数が多い日本と米国からそれぞれ1件と2件をあげましたが、日本のグラントが対象領域を絞り込んだ研究となっているのに対し、米国のグラントはより広範な領域に大型の予算で取り組む内容となっています。

ダイヤモンド量子デバイスに関する論文の動向分析

つぎに、論文の動向を分析します。

2016年以降に公開され、グラントと同様のキーワードをタイトルまたは要約文にふくむ論文4,474件を抽出し、図3に筆頭著者の所属国別の年次推移でしめします。

主要国には米国と日本に加え、グラントでは除外していた中国、さらにロシアが入ってきています。総件数は増加傾向で、とくに中国は2024年以降に件数を急速に伸ばして首位の米国に迫るいきおいとなっており、研究体制の拡大がうかがえます。

グラントと同様に、これらの論文を母集団として「未来推定」による分析をおこないました。図4にgrowth値が高い注目キーワードをしめします。

量子計算にむけたダイヤモンド量子デバイスに関連し、グラントでも出現頻度上昇が高いキーワードとしてあがった「tin-vacancy」と「addressable」が論文でも増加がみられました。「緩和時間計測（relaxometry）」はNV中心のスピンを光で整列させたあとに緩和する時間を計測することでセンサ周囲の磁気的なゆらぎを検出する方式で、おもにナノダイヤモンド量子センサによる生体内などの局所環境計測にもちいられます。これに対して「光検出磁気共鳴（Optically Detected Magnetic Resonance：ODMR）」はNV中心に周波数を変えながらマイクロ波を照射し、NV中心が共鳴して蛍光強度が変化するマイクロ波周波数から周辺環境の静磁場を定量的に測定する方式で、半導体や電池などの電流解析に適しています。最後の「ハーンエコー」（Hahn-echo）はODMRで特定したマイクロ波の共鳴周波数において蛍光の励起光とマイクロ波を交互にパルス照射することでNV中心によるより高感度な磁気検出をおこなう方法で、同じく磁気共鳴をもちいる核磁気共鳴（Nuclear Magnetic Resonance：NMR）や磁気共鳴画像法（Magnetic Resonance Imaging：MRI）などの技術領域に由来しています。

これらの注目キーワードをふくむ論文の中から、近年出版され、被引用数が多く注目度が高いものを紹介します。

• Heterogeneous integration of spin–photon interfaces with a CMOS platform
  • 雑誌名：Nature
  • DOI: 10.1038/s41586-024-07371-7
  • 出版年：2024
  • 機関名：Massachusetts Institute of Technologyほか
  • 概要：グラント事例で示したMITの研究プロジェクトの中核となる技術に関する論文。ダイヤモンドのスズ-空孔中心をふくむ「微小チップレット」を、光でアドレス可能な2次元アレイとして半導体基板上に高密度に異種材料集積する技術をQSoC（Quantum System-on-Chip）として実証。

• In Vivo Nanodiamond Quantum Sensing of Free Radicals in Caenorhabditis elegans Models
  • 雑誌名：Advanced Science
  • DOI: 10.1002/advs.202412300
  • 出版年：2025
  • 機関名：University Medical Center Groningen
  • 概要：神経変性疾患であるハンチントン病のモデル生物である線虫において、原因物質となるポリグルタミンの異常凝集が酸化ストレスとなるフリーラジカルの発生量を有意に増加させることを、ダイヤモンド量子センサをもちいたスピンの緩和時間計測により解明した。

• Heteroepitaxial (111) Diamond Quantum Sensors with Preferentially Aligned Nitrogen-Vacancy Centers for an Electric Vehicle Battery Monitor
  • 雑誌名：Advanced Quantum Technologies
  • DOI: 10.1002/qute.202400400
  • 出版年：2025
  • 機関名：東京科学大学, 産業技術総合研究所, 信越化学工業株式会社
  • 概要：量子センサグレードの単結晶ダイヤモンド基板のサイズを、異種基板へのダイヤモンド膜成長により従来の数mmから11.3mmまで大型化。電気自動車バッテリの電流解析に必要なサイズのセンサ形成を可能とする。作製されたNV中心の配向性や電流解析用途の性能評価にODMRを使用。

1件目のMITによる量子計算チップの作製方法に関する論文は上昇キーワードの「tin-vacancy」と「addressable」の両方をふくんでおり、被引用数も本レポート執筆時点で48件と注目度が高い論文となっています。

ダイヤモンド量子デバイスに関する特許の動向分析

続いて、特許の動向を分析します。2016年以降に出願され、グラントや論文と同様のキーワードを発明名称または要約文にふくむ特許出願約842件を抽出し、図5に出願国別の年次推移でしめしました。

特許では出願から公開までに1年前後の期間がかかるため、分析対象は2024年の出願分までとしています。その主要国は論文とほぼ同様で、中国、米国、日本、英国が上位を占めています。多くの技術分野と同様にダイヤモンド量子デバイスにおいても近年は中国の出願件数が多く、直近では半数以上を占める水準となっています。

続いて、論文と同様に特許の母集団に対する「未来推定」分析の結果を図6にしめします。

特許ではダイヤモンド量子デバイスの用途や製法に関連するキーワードの出現頻度が上がっています。検査装置に関する「nondestructive」や「wide-field」、材料の製法や形態に関する「HPHT」や「nano-diamond」が該当します。グラントや論文であげられた「addressable」も特許における出現回数はまだ少ないものの、2022年以降に出現が見られました。

これらの注目キーワードをふくむ最近の出願事例を以下に紹介します。

• A microwave reflection detection device and method based on diamond NV color center
  • 機関/企業：Anhui Guosheng Quantum Technology Co Ltd
  • 国：中国
  • 公開年：2023
  • 概要：マイクロ波の反射をもちいた金属の非破壊検査装置において、検出器にダイヤモンド量子センサをもちいることで高感度化を実現する。検査対象からの反射マイクロ波とダイヤモンド量子センサへの印加マイクロ波の干渉による蛍光強度の変化を検出。金属の欠陥検査などへの応用を想定。

• Atomic scale fabrication of diamond quantum computers
  • 機関/企業：Australian National University, Quantum Brilliance Pty Ltd
  • 国：オーストラリア
  • 公開年：2022
  • 概要：光学的にアドレス可能なダイヤモンド量子プロセッサで必要となる、5～10nm間隔で均一にNV中心が分布した状態を作成するため、ダイヤモンド基板表面に走査型トンネル顕微鏡の探針による電圧パルス印加で活性点を形成。その後基板表面を窒素ガスに暴露することで活性点に選択的にNV中心を形成する製法。

• 蛍光ナノダイヤモンドの製造方法
  • 機関/企業：株式会社ダイセル
  • 国：日本
  • 公開年：2020
  • 概要：火薬の爆発により火薬中の炭素から作り出したナノサイズのダイヤモンドに、イオンまたは電子線の照射により結晶内空孔を導入。照射後の熱処理による空孔の移動を利用して窒素-空孔結合による発光中心が形成される。人工ダイヤモンドを砕く製法と比較して純度や粒子サイズの均一性にすぐれる。

2件目のオーストラリア国立大学と同国のQuantum Brilliance社の共同出願であるダイヤモンドNV中心を均一に形成する製造方法は、不純物窒素を外部からランダムな位置に打ち込む従来の方式に対して、リソグラフィのように形成した指定点に選択的に不純物を結合・導入することで、より高いNV中心分布の均一性を低損傷で実現する方式です。本稿執筆時点ではまだ特許登録には至っていませんが、権利化されれば重要な知的財産になると考えられます。

ダイヤモンド量子デバイスに関連するスタートアップ企業の動向分析

最後に、ダイヤモンド量子デバイスに関連するスタートアップ企業を紹介します。2016年以降に創業し、これまでに100億円以上の資金調達を達成したと確認された企業として、以下の2社が該当しました。

• QuantumDiamonds GmbH
  • URL：http://www.qd-st.com
  • 所属国/創業年：ドイツ/2022年
  • 事業概要：ダイヤモンドNV中心を利用した量子センサをもちいた顕微鏡を、半導体の故障解析向けに世界で初めて商品化。電流から生じる微小磁界の検出により半導体集積回路の短絡や断線、電流漏れを、従来技術よりも高い解像度で可視化できる。

• Quantum Brilliance
  • URL：https://quantumbrilliance.com
  • 所属国/創業年：オーストラリア/2019年
  • 事業概要：ダイヤモンドNV中心の製造、およびこれを利用したセンサデバイスや室温動作の量子コンピューティングユニット（Quantum Processing Unit：QPU）を販売。3つのQPUを並列化したシステムQuollが米国オークリッジ国立研究所に導入されたほか、防衛や宇宙産業においてエッジコンピューティング用途での活用が検討されている。前述したダイヤモンドNV中心の製造方法に関する注目特許の共同出願人でもある。

ダイヤモンド量子デバイスに関する技術動向のまとめ

本レポートでは、従来技術を凌駕する磁気センサや量子プロセッサの核となる技術として期待される、ダイヤモンド量子デバイスに着目し、グラント、論文、特許、スタートアップの動向分析をおこないました。

グラントにおいては2023年以降の件数の増加と、2025年からは1件あたりの配賦額の上昇が確認されました。米国において量子計算チップや生体内局所環境計測の研究プロジェクトに多額の資金が賦与されています。

論文では件数の堅調な増加傾向が確認され、グラントの動向と同様に量子計算チップや生体内局所環境計測に関するキーワードの出現頻度が上昇しています。

特許においては他の技術領域と同様に中国における出願数が近年伸びています。また、オーストラリアの大学とスタートアップ企業の共同出願による注目特許が確認されました。このスタートアップは多額の資金調達にも成功しており、今後もダイヤモンド量子プロセッサにおける存在感を高めていく可能性があります。

繊細で壊れやすい量子を、安全に収納して取り扱えるようにする強固なケースとして、美しい輝きももつダイヤモンドをもちいることにより、第二世代量子技術の産業化が大きく進展することが期待されます。その始まりとなったダイヤモンドNV中心の発見から30年の節目の年となる、本レポート執筆時点の翌年2027年には、ダイヤモンド量子デバイスが生活の中にもより身近な存在として見られるようになっていることと思われます。

著者：アスタミューゼ株式会社 古川 昭夫 修士（工学）

さらなる分析は……

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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。

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