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Silicon Quantum Computer Research: Itoh Group, Keio University
Researchers at the Kohei Itoh Group in Keio University are working to create the ultimate silicon computer, which does calculations using individual silicon atoms. The brain of a computer is made from silicon semiconductor integrated circuits, or silicon chips. In the semiconductor industry, to make silicon chips run faster and consume less power, people have worked to increase circuit integration. This trend is known as Moore's Law. However, if Moore's Law is pursued, by 2025, we will have reached the stage where a single silicon atom stores a one or a zero to do calculations in binary. Q. Because computers calculate using ones and zeros, computing is done just by switching currents on and off. The shorter the distance the current flows, the faster computing can be done, and lower power consumption can also be achieved. At present, currents are switched in areas consisting of about 200 atoms. But it is predicted that in 2020-2030, switching on and off will be done in areas the size of a single atom. Our research began with the question of whether computing can be done with individual atoms. There are three isotopes of silicon, Si-28, Si-29, and Si-30, where the number of neutrons in the silicon atom is 14, 15, and 16. Among the three isotopes, only Si-29 has a nuclear spin, making it magnetic. In 2002, the Itoh Group suggested a method of computing using Si-29 magnets placed on a silicon wafer made of Si-28, which is not magnetic. By counting zero if the Si-29 magnet points upward and one if it points downward, computing can be performed using individual silicon atoms. Q. Computing with individual atoms is truly the cutting edge of nanotechnology. So we are trying to do the ultimate in nanotech. To read the individual magnets, we have to develop extremely sensitive instruments. So we've started this research by developing equipment. The world of individual atoms is very different from the world that normally surrounds us, where Newtons Law describes behavior of motion. At the level of individual atoms, the world of quantum mechanics pioneered by people like Einstein emerges, where each atom can carry both one and zero simultaneously. That's the most difficult thing to grasp. Ordinarily, we would have one or zero, but here, we can have one and zero at the same time. We try to control quantum mechanics. Ultimately, we may even be able to make new discoveries in quantum mechanics. A device for computing with individual silicon atoms, which are dominated by quantum mechanics, will be an entirely new kind of computer, called a quantum computer. This is what the Itoh Group is pursuing to develop. To achieve a silicon quantum computer, the Itoh Group is studying various topics. The first is the ultimate in nanotechnology, for arranging the individual atoms. Then quantum physics research to align all the magnets in the same direction, and quantum operation technology for freely manipulating the orientation of each atomic magnet, which corresponds to calculation. The Itoh Group is also developing measurement technology to detect the orientation of each magnet after a calculation.
Nature誌に発表をしたシリコン半導体中での量子もつれ生成と検知に関する研究内容を動画で紹介します。 http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature09696.html
KEIO Hyperlapse Tour
慶應義塾大学の6つのキャンパスの風景を、ハイパーラプス手法で撮影しました。 スピード感溢れるキャンパスツアーをお楽しみください!
坂内研究室 整数論の問題を幾何学的な直感を使って解く数論幾何の世界
慶應義塾大学理工学部数理科学科 坂内研究室では数学の中でも整数の性質を解き明かす整数論についての研究をおこなっております。「数学の女王」と呼ばれる整数論の中でも、坂内研究所では数論幾何を中心に研究を進めています。 数論幾何は代数幾何学の手法や結果を利用し、単純に数式を扱うだけではなく、代数方程式で与えられた図形の幾何学的性質から、もとの代数方程式の整数論的な性質を調べようとする分野です。 Q. "人間には論理と直感という二つ、物事を捉える要素があるんですけど、論理というのは式をきっちり計算するということ。幾何学的な直感というのは図形とかを見て、『図形的にこれは正しい』とか、そういうところからそもそも来ていると思います。 これをどう整数論の問題に応用するかと言いますと、例えば x²+y²=1という円を考えたとき、その円上に有理数の座標となるような点はどれくらいあるかとか、有理数の座標の点を求める問題は整数論の問題なんですけど、それを円の性質からどれくらい導けるか、ということです。 直感という言葉を使っているのは、単に x²+y²=1という式を見るのではなくて、それは円だ、という幾何学的な図形と思うと、より問題が解きやすくなるのです" 300年前から多くの数学者を悩ませ続けてきた有名なフェルマーの最終定理も、1995年にアンドリューワイルスが数論幾何的な手法を用いて解くことに成功しました。この様な整数論は応用という面においても、今日暗号理論等に用いられ情報化社会において重要な役割を担っています。 Q. "整数論て整数の話なので1、2、3とかいう話なので、最初聞くとすごく狭いというか広がりがないように感じてしまうかもしれないけど、そんなことはないのです。 私自身も整数論ってすごくマニアックなことやるのかなって思って数学はやりたいけど整数論はやりたくないとか思ってはいたんですけど、あるとき整数論の問題が例えば気幾何学図形や幾何の問題と結びついたりいろいろ特殊なL関数とかデータ関数とかいろんな関数が出てくるので、解析の問題と結びついたとかそういうことで、整数って非常に基本的なものなので基本的であるだけにありとあらゆるものと結びついてしまうというところで、そこが整数論の面白さだと思います。表面的な問題ではなくて、数学の最先端のいろんな理論を使えたり関係しているというところが面白さだと思います" 文明の黎明期より、事象を数に置き換え抽象化する事により広く応用を可能としてきた数学の世界。坂内研究室では目で表すことはできない物事の基本的な構造を論理や直感で捉えるべく、今後も更なる研究を進めていきます。
2017年、慶應義塾大学医学部は開設100年を迎えました。 福澤諭吉の遺志を引き継ぎ、初代医学部長となった北里柴三郎は「我等の新しき医科大学は、多年医界の宿弊たる各科の分立を防ぎ、基礎医学と臨床医学の連携を緊密にし、学内は融合して一家族の如く」という理念を掲げました。 それから100年。 現在、さまざまな領域で革新的な医療が現実のものになろうとしています。この新しい医療の実現に、医学部の理念が大きく結実しています。 「越えられないを、超えてゆく。」 次の100年に向けて、医学部の新たな挑戦がスタートしています。 慶應義塾大学医学部開設100年 特設ウェブサイト http://100th.med.keio.ac.jp 特設ウェブサイトでは、医学部の過去と現在の写真を比較する「TIME TRAVEL PHOTO GALLERY」をはじめ、医学部内外からの祝賀メッセージや、記念シンポジウムなどのイベント情報などを公開しています。みなさまのアクセスをお待ちしています。
Leading the world in molecular dynamics simulation
Yasuoka Laboratory conducts research on how atoms and molecules move in soft materials, such as fluids and biological systems. To do this, the Lab uses a method called molecular simulations. In particular, the researchers focus on molecular dynamics simulation to calculate the forces between molecules or atoms, so they can see how the position of molecules and atoms change with time. Recent advances in nanotechnology have made it necessary to generate visualizations of a world that cannot be seen. Experimentally, it is difficult, if not impossible, to see how the state of atoms changes with time, but Yasuoka Lab is able to see what happens through computer simulations. Q."In a typical simulation, one sets up a highly complex set of equations, performs calculations in line with the equations, and compares the results with experimental data. But here, we use Newton's equations of motion, which is one of the basic equations in physics that everyone learns in middle school. Using this simple equation, one can understand more complicated aspects of nature. It is very satisfying when things we cannot see, even in laboratory experiments, become visible through this method, helping us learn and discover new phenomena. We can obtain many great scientific results this way." Yasuoka Lab uses this simulation technique to specifically study clathrate hydrates, in which the water molecules form a cage-like structure. Currently, to transport and store methane and natural gas, cryogenic temperatures and high pressures are required. But recently, attention has been focused on the idea of enclosing natural gas in clathrate hydrates, which can be stored at temperatures and pressures much closer to typical room operations. Notwithstanding the technological developments, carrying out lab experiments for this type of research still involves a lot of problems. Therefore, Yasuoka Lab intends to circumvent these problems by calculations, through unique simulations. Q."Conventional lab experiments such as those for clathrate hydrates are often very difficult because they tend to involve high pressures or hazardous materials. Furthermore, setting up an experimental apparatus can be very expensive and time consuming, as one has to design and assemble the device. If experiments can be replaced by computer simulations, which cuts costs and eliminates hazards, the advantage of saving both time and money becomes noteworthy. So I think that from now on, simulations are going to become more common." The Yasuoka Lab anticipates that this research method can be applied to a broad range of fields, which includes the environment and healthcare by developing next-generation energy sources and materials. Thus the Lab will continue its R&D, and present their results from Keio University to the world. Q."Our research can be conducted by any student in Japan or overseas with equal quality. And I am confident that we are a world leader in this field. Our students write up their research results as theses for their dissertations, and these results are world-class. So we also publish many papers in world renowned international journals. In that sense, I think students from overseas would find it worth their while to come here to study."
Arithmetic Geometry - solving number theoretical problems using geometrical intuition
In the Department of Mathematical Sciences at Keio University, the Bannai Group, led by Professor Kenichi Bannai, is conducting research in number theory. Number theory, which deals with the properties of integers, is known as the "Queen of Mathematics." The Bannai Group is focused especially on arithmetic geometry. Arithmetic geometry utilizes methods and results from algebraic geometry. In this field, number theoretical problems are investigated via the geometric properties of geometric objects defined by algebraic equations. Q. "Humans perceive things in two ways, logically and intuitively. Logic involves calculating things precisely. On the other hand, when using intuition, especially geometric intuition, we look at a problem in a certain geometric way and immediately "know" the answer. If one asks how this can be applied to problems in number theory, for example, consider the problem of finding rational solutions of the equation x2 + y2 = 1. The problem of seeking rational solutions of an algebraic equation is a number theoretical problem. Geometry comes into the picture if one thinks of the equation x2 + y2 = 1 as expressing a unit circle. When I use the word geometric intuition, what I mean is, it is much easier to solve this problem if one thinks that the equation x2 + y2 = 1 is not simply an algebraic equation but also that it represents a circle." Using methods from arithmetic geometry, Andrew Wiles in 1995 solved the Fermat's Last Theorem, which had puzzled mathematicians for 300 years. Number theory can be applied for example to cryptography, which is an important practical application of number theory to society. Q. "Because number theory concerns integers s -- 1, 2, 3, and so on -- one might think it's a very narrow field. At first, I also imagined that number theory was a very narrow topic; I wanted to do mathematics, but number theory did not seem all that interesting. But when I learned that problems in number theory were deeply related to geometry and also to analysis through various interesting analytic functions, I realized that number theory was a very deep field related to a wide range of areas in mathematics. That's what's fascinating about number theory. Rather than being superficial, because number theory deals with integers, which is a very fundamental object of study, it is deeply related to many interesting theories in the forefront of mathematics." Since the dawn of civilization, numbers and equations were used to better understand natural phenomena. Through abstraction, mathematics has greatly expanded its range of application. The Bannai Group will continue to do research, in order to understand through logic and intuition abstract phenomena appearing in number theory.
アメリカ大学院留学説明会 その1:出願から入学まで
12月26日(水)に慶應義塾大学矢上キャンパスにて行われた「アメリカ大学院留学説明会」の様子を収めたビデオです。 詳細 ↓ Web http://gakuiryugaku.net/ ・皆さんは日々の研究や勉強に、十分な充実感をお持ちでしょうか。もし現状に物足りなさを感じているならば、海外の大学院へ学位取得のために留学する 「学位留学」という選択肢を、ぜひ考えてみてください。 アメリカのトップスクールの理工系や一部の人文系の大学院の多くでは、学生はRAやTAによって学費を全てカバーされるだけでなく、生活費として給料も支給されます。世界中から集まった優秀な学生たちと切磋琢磨する環境は刺激に溢れ、挑戦する目標に事欠きません。経済的な心配をすることなく大きな夢を追うことができる素晴らしいチャンスがあることを、学生の皆様に知っていただくことが、本説明会の目的です。 ・講演者プロフィール 森亮 慶應義塾大学理工学部物理情報工学科卒、カリフォルニア大学バークレー校博士課程に在学中。 アメリカ大学院留学説明会 2012年12月26日 慶應義塾大学矢上キャンパス 主催: 米国大学院学生会、慶應鴻志会 共催: 慶應大学理工学部国際交流委員会 後援: 船井情報科学振興財団、米国大使館 アメリカ大学院留学説明会 その1:出願から入学まで https://www.youtube.com/watch?v=bi3Xuum-GL4 アメリカ大学院留学説明会 その2:入学から卒業まで https://www.youtube.com/watch?v=3dn-RrPsXpQ アメリカ大学院留学説明会 その3:卒業後のキャリア https://www.youtube.com/watch?v=1HNW45VwEWE アメリカ大学院留学説明会 その4:米国大学院学生会の紹介 https://www.youtube.com/watch?v=oMDyJOPOD9E アメリカ大学院留学説明会 その5:慶應鴻志会の紹介 https://www.youtube.com/watch?v=UfCcR8EextM
慶應義塾ワグネル・ソサィエティー・オーケストラ / Keio Wagner Society Orchestra
Keio Times https://www.keio.ac.jp/ja/keio-times/features/2016/4/index.html https://www.keio.ac.jp/en/keio-times/features/2016/4/
足立研究室 - ダイナミックシステムのモデリングと制御
足立研究室では「モデリングと制御」に関する研究を行っています。 制御とは,対象のダイナミクスを望みどおりにアクティブに変化させるもので,われわれの日常生活のさまざまな場面で活躍しています。 Q「具体的には自動車の制御や人工衛星やロケットの制御などといったように、動くものつまりダイナミクスがあるものをコントロールすることが制御です。我々の身の回りにはいろいろな場面で制御が入っていますが、目に見えないので一体なにが制御なのかよく分からないかもしれません。例えば自動車のエンジンでも最適な転換の時期だとかを制御してうまく走っています。我々は物がないと見えないので分からないだけで、いろいろな所で制御のお世話になっています。そういう制御という考え方を理論的に研究しています。」 研究室では、この制御の考え方を体系化した「制御理論」について研究しています。制御理論が対象とするものは,動的システムです。「動的」とは,対象の動きが微分方程式で記述できることをいい、自然界に存在するもの、人工的なもののほとんどは動的システムと見なすことができます。 Q「私たちの研究室で得意な分野はシステム同定といって、制御対象のダイナミクスといったものをどうやって知ろうか、測ろうかといった難しいことをやってます。例えばロボットを制御しようとするとこう歩いたらこうなるといったようにロボットに関する物理的な関係や法則を知る必要があります。そういうのをモデルというんですが、そのモデルを作るモデリングということをやっています。システム同定というのはモデリングのひとつの方法なんですが、それに関しては我々の研究室は日本の中でトップクラスの有力な研究室です。」 モデルに基づいて制御を行うことは「モデルベースト制御」と呼ばれ,近年,産業界で注目されている技術です。これらの研究のほとんどは企業との共同研究であり,最新の実験装置を用いて制御理論の実用化研究を行っています。 Q「制御理論の本当の面白い所はモノを限定しないということです。ダイナミクスという動きのあるものであれば、なんでも制御の対象となりうるということが面白い所です。私がなぜこの研究をしているかというと、車を制御したいと思ったら車を勉強すれば良いし、人工衛星ならば人工衛星を勉強すれば良い、今やっているのは生物の中のタンパク質のネットワークを制御しようとかいったことをやっていますが、つまり新しいものが見つかるたびにいろんな所で制御を使うことができ、そこで性能を良くしていくことができる、そういうところが非常に面白いと思うからです。逆にいうと制御理論というのは何にでも使えるという意味で抽象的です。そこに面白さを見いだすかというのは、人によりますが、そういう抽象的な所を楽しいという人にとったらとても面白い学問です。そういう人が出てきてくれないと困ります。ロボットなど動く物というのは皆さん興味があるんです。それは見て分かるからです。見て分かるというのもとても大事ですがその中で実際なにが起こっているのか、そういう所まで見れる学生、研究者が出てきてほしいと思っています。」
井口研究室  偏微分方程式の数学的解析による自然現象の理解を目指して
慶應義塾大学 理工学部 数理科学科 井口研究室では、流体力学において現れる様々な非線形偏微分方程式の解の性質を数学的に厳密に調べ、自然現象をより正しく理解することを目指しています。 Q. 自然現象にも色々あります。例えば、波とか拡散という現象があります。波っていうのは例えば海の波とか、川を流れる水面に起こる波とか、この声自身も空気中の、空気の分子が波として伝わる事によって、声が伝わるという事になっています。それ以外に後は例えば、拡散というのは、熱ですね。熱いところから冷たいところに熱がどんどん伝わっていく、というのが、よく言われますが、そういった現象は身近に起こっていますが、その定性的な性質と言うのは、我々は日常から経験で知っているんですが、それを定量的に調べようとすると、大抵偏微分方程式がでてくるんですね。 水面のように時間と共にその形状が変化するような境界面は自由境界と呼ばれ、その運動は非圧縮性流体の自由境界問題としてモデル化されます。そのモデル方程式は非常に複雑であり、数学的に厳密な解析が出来るようになったのは比較的最近です。その為、これまでに非常に多くの近似方程式が提唱されて来ました。 Q. 端的に言ってしまえば、空気の運動を調べようとした時に、空気は分子でできているわけです。分子1個1個をニュートン力学に従って計算しようということも可能なんですが、それは膨大な量の分子を計算していかなければいけないので、現在のコンピュータを持ってしてでも、限られた事しかできない。そうなると、ある種の近似をすることによって、モデル化しようという事が起こります。モデル化するという事自身は、ある種の近似を行って、その現象をより正確に記述できるようなものを露出するというのに対応しています。近似のレベルにも色々あります。そのレベルによって、色んな偏微分方程式がでてきます。 近年では地震が発生すると量的津波予報(りょうてきつなみよほう)が発表されますが、その基礎となっているのは浅水波方程式と呼ばれる近似方程式です。また、ソリトン解をもつことで有名になったKdV方程式も水の波の長波長近似として導出されます。 近年井口研究室では、このような多くの近似方程式と元の基礎方程式との関係を厳密に調べ、それら近似方程式の守備範囲を明らかにする事で近似方程式の限界を引き出したいと考えています。 Q. 数学の強みは、一旦証明されてしまうと永遠に覆ることはないんですね。 だからそのモデル、津波のモデルがそれでいいのかという事に関しても、数学で証明されている部分に関しては、「だからそれでいいんだ」という事を、この仮定の基ではこの状況下ではこれでいいんだと自信をもって言えるんです。 その仮定が正しい限りでは、得られている結果というのは必ず正しいんですね。それは覆る事はない。それが数学の一番の強みだと思うんです。
Yukichi Fukuzawa and the Founding of Keio University(Subtitles in Japanese and English)(日・英字幕あり)
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山本研究室 - 量子力学の基礎理論から量子情報技術までを見据えて
山本直樹研究室では、量子力学の基礎理論から、その究極の応用である量子情報技術まで、「量子系を制御する」という一貫したコンセプトのもとで研究を行っています。 量子力学とは、古典力学で説明しきれない電子や原子核などの間の現象を説明するために開発された理論で、これらの理論が提案された20世紀初頭にはその解釈をめぐって大論争が展開されました。 初期量子論の確立に多大な貢献をしたアインシュタインでさえ、その正当性を疑い、「神はサイコロを振らない」という有名な言葉が象徴するように、確率論的に振舞うとする量子力学自体について懐疑的な立場をとりました。 Q「我々が見るサイコロというのは、3であれば3、4であれば4というように確定しています。しかし、量子の世界では3でもあり4でもあるというようなあいまいな中間的な状態、これを『重ね合わせ状態』といいますが、そういったものが存在してしまうことになります。」 現在のところ、量子力学に反する実験結果は見つかっておらず、さらには、量子力学の不可思議な法則を逆に利用した「量子情報技術」が提案され、実用段階に入っているものさえあります。 Q「『重ね合わせ状態』というのは非常に脆いので、見てしまうと壊れてしまいます。サイコロの例だと、1か6どれかが出てしまう、3でもなく4でもない状態というのは、見ると壊れてしまいます。そこで、我々はそれを安定に作りたいあるいは安定に保持したいということを目指して、弱く見て、その弱い結果を見て操作する『フィードバック制御』を行うことで安定に『重ね合わせ状態』を作り出し、保持するということを考えています。」 フィードバック制御を用いると、量子力学の絶対法則に従うまま、アインシュタインが言うところの「神はサイコロを振らない」状況を作り出すことができます。 Q「原子や電子の位置を知りたいと思ったら、それに光を当てて探さなければなりません。しかしその探すという行為が量子系に対してダメージを与えてしまいます。つまり見た瞬間に壊れてしまいます。なので、我々はどのへんにあるというぼやっとしたことしか量子系に対しては分かりません。それをどうやって見るかということですが、光の当て方を工夫します。サイコロの例でいうと1から6どこかに行きそうだという途中経過を使うということです。つまり見ながら、変化していく過程を追います。その変化の過程を使ってフィードバックする、制御するということを狙っています。」 現在、考案した理論の検証をするためのシミュレーションなどを東京大学の古澤明教授の研究室と共同で行っており、山本直樹研究室でも来年度に向けて実験の準備を進めています。
福嶋健二研究室 量子色力学、クォーク・グルーオン・プラズマの研究
物質の構成要素をよりミクロスケールへと分解していくと、最終的には素粒子と呼ばれる基本構成要素にいきつきます。今日では素粒子の「標準模型」と呼ばれる理論が確立し、「重力相互作用」を除く全ての相互作用、すなわち「電磁相互作用」「弱い相互作用」「強い相互作用」を標準模型によって理解することができます。 福嶋健二研究室では、標準模型、特に量子色力学(りょうしいろりきがく)と呼ばれる理論で記述される「強い相互作用」の理論研究を行なっています。 Q" 量子色力学というのは、量子電磁力学の親戚のような理論なんですが、量子電磁力学というのが元々ありまして、それが電子と光、フォトンですね、の間の基礎理論になるような量子的な効果まで入れた基礎的な理論なんです。それに対応するもので、クオークとグルーオンの間の相互作用を記述する本質的な理論が量子色力学です。" 物質の基本構成要素であるクォークとグルーオンは、単体で取り出す事が不可能なため実験的に観測されたことがありません。この性質を「カラー閉じ込め」と言います。 量子色力学による「カラー閉じ込め」の理論的証明は未解決問題であり、クレイ数学研究所のミレニアム懸賞問題のひとつにも挙げられています。 Q" 非常に温度の高い物質や、密度の高い物質、非常に特殊な環境を考えると、クオークやグルーオンの重要度は単体を取り出せるわけではないんですが、その自由度が解放されて染み出して来る。クオークやグルーオンが全体としてしみ出した、スープみたいな物質ができるんです。それがクオーク・グルーオン・プラズマと呼ばれるもので、私達の研究室ではクオーク・グルーオン・プラズマの性質を研究しています。" 2兆度を超える超高温物質、クォーク・グルーオン・プラズマの中では、質量の起源とされるクォーク凝縮が溶解し、物質の質量がほとんどゼロになります。 クォークやグルーオンの自由度が解放される「カラー非閉じ込め」転移と、物質の質量がゼロとなる転移との二つの関係性は長らく理解されていませんでしたが、2003年に福嶋研究室により提唱された理論模型により初めて簡明な説明を与える事ができ、今日では、クォーク・グルーオン・プラズマ研究で、最も広く利用される理論的ツールのひとつとなっています。 Q" 我々の興味としては、我々の身の回りにある質量はどこから来るのかという事です。先程申し上げたような、強い相互作用の基礎理論である量子色力学を解けば自然と出て来るわけですね。量子色力学というのは1行で書けるような簡単な理論なんですが、その理論を解くと我々の身の回りの質量の98%くらいが説明できてしまうわけです。 これさえ解けば世の中の98%が説明できてしまうのは素晴らしいことです。そういう事に対する純粋な憧れの気持ちを大事にして、科学と何かに役に立つとか、世の中が便利になるとか、そういった事を離れて純粋に憧れの気持ちで、科学に取り組んでみるのもいいんじゃないか、と私は思っています。"
Yukichi Fukuzawa's Lifelong Fight(Subtitles in Japanese and English)(日・英字幕あり)
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服部研究室 - 多様体のもつ『美しい』微分幾何学的構造の解析と手法の探求
服部研究室 慶應義塾大学理工学部数理科学科 多様体のもつ『美しい』微分幾何学的構造の解析と手法の探求 慶應義塾大学理工学部 数理科学科の服部研究室では、幾何学の研究対象である多様体を、微分幾何学的に研究をしています。 「まず、幾何学という分野があるのですけど、それは図形だとか空間を研究する数学の中の一分野なのですが、幾何学の中に特に微分幾何学とトポロジーという二つ分野がありまして、トポロジーというのは割と言葉だけは多くの人が知っている分野で、よくある説明というのがマグカップの形とドーナツの形を区別しない、同じ形とみなす、穴が一個空いているだけなのでドーナツの形とマグカップの形は同じだという風に見るのがトポロジーの考えなのですけども、同じ形でもどっちがより綺麗な形かというのを考えるというのが微分幾何学というそういう分野で、その空間にこう、形をつけて何が綺麗な形を考える分野ですね。」 微分幾何学において「美しい」とは、無駄がなく効率的であることを意味します。例えば、石鹸膜の数理的モデルである極小曲面がその代表例です。極小曲面は、微分幾何学的な観点によって、無駄がなく効率的であると特徴づけられます。 極小曲面の研究には、解析学や物理学などに用いられる様々な方法を応用します。 そして曲面だけでなく、3次元や4次元以上の空間でも、美しい幾何学的な構造が数多く存在します。 「私が興味持っているところだと、特にアインシュタイン方程式というこれも物理学に由来のある、相対性理論に由来を持つ方程式なのですけども、要は空間ですね、世界、宇宙空間がどんな形をしているのかっていうのに関係している方程式で宇宙空間というのは多分綺麗な形をしているだろうというそういう考えがあってどういう綺麗な形かっていうと、そのアインシュタイン方程式を満たすような考えというのがあって、私は、物理学的な背景は置いておいて、そのアインシュタイン方程式というのは数学的にもすごく自然に現れてくる方程式でそれは数学的な興味からそれに興味を持ってアインシュタイン方程式の解の性質、解に対応する空間とか図形の持つ性質そういうものに興味を持って研究しています。」 服部研究室では、未知の宇宙空間を幾何学からのアプローチで、解き明かし 微分幾何学のもつ美しい構造を、解析的な手法や代数的な手法を用いて研究していきます。 「今後の展望としては幾何学以外のもっとなんかこっちが思いがけない対象に結びついていくとかそういうものがあるともっと面白いなという風には思っています。」
2018年度慶應義塾大学入学式ダイジェスト/April 2018 Entrance Ceremony
2018年度慶應義塾大学学部入学式のインターネット中継フル動画のアーカイブは下記よりご覧いただけます。 https://youtu.be/MnPqruhkIXI
伊藤研究室 - 究極のシリコンコンピュータを目指して
伊藤公平研究室(慶大物理情報工学科 )では個々の原子で計算を行う究極のシリコンコンピュータの実現に挑んでいます。 コンピュータの頭脳はシリコンチップと呼ばれるシリコン半導体集積回路で作られています。半導体業界ではシリコンチップをより高速で省電力化するために、高集積化に取り組んできました。このトレンドはムーアの法則として知られています。ところがムーアの法則を進めていくと、2025年にはわずか原子一個に2進数の0か1を格納して計算を行うところまで到達してしまいます。 Q「コンピュータというのは0か1かの計算なので、電流が流れるか流れないかのスイッチだけで計算されています。電流が流れる距離が短くなればなるほど高速に計算でき、省電力化も図ることができます。/現在ではだいたい原子200個くらいのところを電流が流れる・流れないのスイッチをしているんですが、2020年〜2030年になると原子1個の大きさでスイッチオン・オフをするということが予想されています。その原子一個一個で計算できるかいうのが私たちの研究の始まりです。」 シリコンには中性子の数が14個、15個、16個と異なる3種類の同位体Si-28, Si-29, Si-30が存在します。/この中でSi-29だけが磁石で原子核スピンを持ちます。/そこで伊藤研究室では磁石ではないSi-28のシリコンウエハーの上に一個ずつ並べられたSi-29磁石を用いて計算する方法を2002年に提案しました。Si-29磁石が上を向いていれば0、下を向いていれば1とすることで、原子一つ一つでの計算が可能になります。 Q「原子一個一個で計算するというのは、正にナノテクノロジーの最先端です。だから私たちはこれ以上ないナノテクをやろうとしているのです。一つ一つの磁石を読み出すということはものすごく感度の良い測定機を開発しなけばいけません。だからこの研究は装置開発から始めています。そしてこれが一番難しいところなんですが、原子一個一個の世界というのは、通常の私たちを取り巻く世界、ものが落ちたらこうなるといった事とは違って、量子力学といって、アインシュタインなどが作った0でもあるし1でもあるという世界というのが出て来てしまうのです。通常なら0オア1なんですが、0アンド1というのが出て来ます。その量子力学を全て制御しようとしています。最終的には量子力学の新発見もできるのではと思っています。」 量子力学に支配される原子による計算、すなわち伊藤研究室が開発を進めるシリコン原子一つ一つで計算をする装置は、量子コンピュータという全く新しい計算機なのです。 シリコン量子コンピュータの実現のために伊藤研究室では様々な研究に取り組んでいます。まずは原子一つ一つを並べる究極のナノテクノロジーです。これは、磁石をすべて同じ方向に向けるための量子物理研究、計算に相当する原子一つ一つの磁石の向きを自在に操る量子操作技術です。そして計算の終わりに一つ一つの磁石の向きを読みだす究極の測定技術の開発を行っています。
Making electronic components from organic molecules
[Keio Spintronics Network - Tada Laboratory , Osaka University] The Tada Laboratory at Osaka University is working to fabricate electronic components, such as transistors and diodes, from organic substances. Most organic materials dont conduct electricity. But its become clear that, by carefully designing molecular structures, electronic components like those made from silicon can also be made from organic materials. Q. Currently, silicon transistors are the norm. But were studying how to utilize the flexibility and constituents of organic materials in electronic components. The human brain is also made of organic materials, so we hope that in the future, itll be possible to simulate the brain. The electronic components that support everyday life are rapidly becoming smaller. If this process is taken to its ultimate limit, to make components from single molecules, then the most attractive materials are organic molecules, which can be freely formed with various shapes. Q. Organic materials are very diverse. Because they have such individuality, were trying to make transistors by combining them skillfully. Current silicon transistors take a huge amount of energy to manufacture, but organic components can be made by a very simple process, like printing postcards. So it seems that very cheap, environmentally friendly components could be made very easily. We think they may serve as one means of supporting a new ubiquitous society. One aspect of the Tada Labs research concerns the fundamental question of how to connect single molecules to electrodes to pass a current. The properties of molecules connected to electrodes are affected by the electrodes. The Lab uses a scanning tunneling microscope to actually observe single molecules on electrodes, and see how the properties of the molecules change. Also, electrodes are attached to single-molecule terminals, to actually measure the resistance of the molecules and reveal the principles by which the current flows. Another aspect of the Labs research is investigating the functions of organic materials. The researchers make transistors by attaching electrodes to films of organic materials, ranging in thickness from one molecule to tens of nanometers. They then study new functions, such as luminescence created by manipulating the carriers in the films. The Lab is also investigating whether organic films can transmit not only currents, but also a property called spin, which has an electric charge. Q. Devices like mobile phones are becoming smaller and smaller, but if such devices could utilize flexibility, for example, they could be built into clothing, or used to make flexible displays and computers that can be rolled up.
慶應義塾大学理工学部紹介 Web http://www.st.keio.ac.jp/
勝良研究室 不思議で奥が深い『無限』の数学と作用素環論の研究
何百年、何千年もの歴史を持っている分野も多い数学の世界。勝良研究室の研究対象となる作用素環論はそれに比べ歴史が浅く1929年、20世紀科学史における最重要人物の一人であるフォン・ノイマンによって、量子力学を数学的に記述するという目的のために生み出されました。 Q「作用というのは普通の日本語の作用で、あるものに何か作用する、というもので、私の専門の作用素環では、作用されるものというのはヒルベルト空間と呼ばれる抽象的な数学的対象のもののことで、それに作用するもののことを作用素と言います。作用というものは何かある一つの作用をしてから別の作用をする、というのをまとめて一つの作用と思うことで掛け算の構造が入ります。また、ヒルベルト空間と呼ばれる対象には、足し算の構造が入っていて、それを用いて作用素の間にも足し算を定義することができます。このように足し算と掛け算が考えられるものを数学では環と呼んでいますが、作用素環論ではそのような作用素が成す環の様々な構造を調べています。」 作用素環論の数学的特徴は「無限」「位相」「非可換」という3つのキーワードで表すことができます。「無限」とは対象が無限の大きさを持つものであり、有限の世界では現れない不思議な現象が色々と現れます。 また作用素環論では、対象の持つ無限性を病的なものとして排除するのではなく、様々な道具、手法を用いて飼いならそうとします。その最も強力な道具が2つ目のキーワードである「位相」です。作用素環論では状況に応じて異なる「位相」、C*環(シースターかん)とフォン・ノイマン環を用いることで「無限」を統制しようとします。 最後のキーワードの「非可換」とは、順番を変えて積を考えると結果が異なるという現象を表しています。普通の数では積は順番にはよりませんが、行列の積がそうであるように作用素の積は順番を変えると異なる結果になることがあります。 Q「私は集合論と作用素環論の境界領域でも研究をしています。集合論というのは作用素環論よりも、より直接的に無限の対象、もしくは無限そのものを研究する分野です。有名な例としてヒルベルトホテルと呼ばれている話があります。」 ヒルベルトホテルでは部屋が無限にあり、たとえ満室でも新たに客が来た場合、1番の部屋に泊まっている人に2番の部屋に移ってもらい、2番の部屋に泊まっている人を3番の部屋に、というように1つずつ隣の部屋に移ってもらうことによって1番の部屋を空室にすることができます。この方法を使うと、もし無限人の客が新たにやってきたとしても、今度は1番の部屋の客を2番の部屋に、2番の客を4番、3番の客を6番、4番の客を8番と、N番目の部屋に泊まっている客に2N番目の部屋に移ってもらうことで奇数番室を全て空室にすることができるので、無限の人を泊めることができます。さらに、無限人の客を乗せたバスが無限台やってきたとしてもうまく工夫すれば全員を泊めることができる、という現象が起きます。 勝良研究室で研究を進める学生は作用素環論の他にもタイリングとシースター環の関係や集合論、論理学の研究など幅広い興味を持って挑み、まだまだ未解明な数学の分野を切り開くべく研究を進めていきます。 Q「違う分野との関連、ちょうど境界領域に面白いことが転がっているということがすごく多いと思いますので、学生の方には専門の勉強というのはもちろん大事ですが専門以外、数学で言えば他の分野の数学、それだけじゃなく物理学や化学、理学工学に限らず色んな芸術とかたくさんのものに興味を持って欲しいと思っています。」
Fundamental theory of spintronics
[Keio Spintronics Network - Miyake Laboratory , Osaka University] Professor Kohno at Osaka University is doing theoretical research on spintronics, from the viewpoint of fundamental physics. Spintronics uses both the charge and spin of electrons in solids, to achieve electronic devices with new capabilities. Research on spintronics is currently very vigorous worldwide. Q. "Usually, the aim of spintronics research is to apply it in industry. But I'm studying spintronics theoretically, from the viewpoint of fundamental physics. Specifically, I'm studying phenomena that properties of magnets are manipulated by electric currents, and conversely, dynamical information about magnetization is converted to electrical signals and detected." The impetus for this research came from an experiment on current-driven domain wall motion. In that experiment, a magnetic domain wall was moved by a current passing through a wire made of ferromagnetic material. Professor Kohno attempted to explain this experiment theoretically. Q. "We derived an equation of motion of a domain wall under an applied current. The equation revealed that there are two mechanisms that drives domain walls." These two mechanisms are spin transfer and momentum transfer. Professor Kohno devised a theory of these mechanisms from the microscopic viewpoint. He also generalized this theory to situations other than domain walls. The equations Professor Kohno obtained led to the idea of driving magnetic vortices by currents, which he suggested to experimenters. Q. "By attaching leads to a magnetic disk which contains a vortex and passing a current through them, experimenters have succeeded in exciting the vortex core motion, and detecting this motion electrically." In addition, it's been discovered that, if the current is increased, the orientation of the core can be reversed electrically. Q. "Next, I calculated theoretically the effects that currents have on general magnetic structures, including domain walls, vortices and all others. The magnetization follows an equation of motion of this form. When there's interaction with the conduction electrons, another term is added to the equation. This is the magnetization, and this is the spin of conduction electrons, and their cross product affects the motion of magnetization. In other words, it acts as a torque. We can derive the effective torques by eliminating conduction electrons. In particular, these alpha and beta terms come from a rather delicate process called spin relaxation, which has to be handled rather precisely. We are constructing a theoretical framework that can treat such effects." Q. "We're also investigating the inverse effect of spin torque, that is, the effect that magnetization dynamics has on electrons. Suppose a domain wall is driven by, e.g., magnetic field and is in motion. It's been proposed that then an electromotive force is generated. We are also studying this effect theoretically, by including spin relaxation effects, and gauge invariance. This phenomenon itself can be regarded as a mean to convert the information about magnetization dynamics into electrical signals. However, this effect is very small, and detecting it is an experimental challenge. Success has been achieved only recently; In 2008, a group in Texas detected the effect using magnetic domain walls."
Future spintronics devices using quantum dot structures
[Keio Spintronics Network - Katsumoto Laboratory The University of Tokyo] Institute for Solid State Physics The Katsumoto Laboratory at the University of Tokyo's Institute for Solid State Physics is doing spintronics research, by combining the single-electron effect, which can controls the motion of single electrons in devices, and the quantum interference effect, in which electrons act as probability waves and interfere. The Labs research on quantum effects uses structures called quantum dots. The idea is to control electron spin, by using the Coulomb repulsion between electrons to increase the number of electrons one at a time. One device developed using this technology is a single-electron transistor, which is much smaller than one micron. Q. On scales this small, the single-electron Coulomb force becomes very large, and this can block the next electron. By using the fact that electrons are blocked at one time, and can flow at another time, we can control the number of electrons in here one by one. We can control the number of electrons in the range from zero to about one billion. And were attempting to use this effect in spintronics. Advances in the development of single-electron transistors, which can manipulate spin in units of one electron, will play a major role in computing elements such as CPUs. Also, in research on the quantum interference effect, the Lab is doing experiments on transfer [of what??] to electrical conductors, by investigating the strength of interference using the wavelike characteristics of electrons. If complete spintronics devices can be made by using the results of these experiments, they will be the ultimate in energy efficiency, running on tiny amounts of power. In principle, it will be possible to use a computer for over 100 years on a single battery. Q. Its said that current devices will reach their limit as various things become increasingly small. Of course, theres also the heat generation issue, but there are also various phenomena called quantum fluctuations. Its said that as such phenomena emerge, devices will reach their limit. But conversely, these kinds of phenomena become stronger, so these types of devices will become increasingly usable as quantum fluctuations become worse. Device integration is currently progressing at an astonishing rate, but whereas all devices that run on current principles will become unusable as integration progresses, these kinds of devices will all become usable. In that sense, were running into the walls that exist right now, but were studying devices for the world that exists beyond those walls. In addition to this type of research, we have equipment for molecular beam epitaxy, lithography, and vacuum evaporation in the lab. We do R&D on dilute magnetic semiconductors, at all stages from design to measurement, with the aim of doing further collaborative work on spintronics circuits. Spintronics has the potential to lead to new devices for the future. Professor Katsumoto, whos been involved in this research for many years, explains why spintronics research is so interesting. Q. We often dont get the results we want. We might do an experiment ten times, and succeed once. When we do succeed, it feels great. This sort of thing is really interesting. On the other hand, we dont get disappointed by the nine times we didnt succeed. When we ask why we didnt succeed, new things emerge. Some of them are entirely different from what we designed to occur. Its very interesting to ask why. In a sense, its as if God was laughing at our inexperience, and telling us, Actually, it works like this. Investigating these things is really interesting.
Organic Electrolytic Synthesis
The Nishiyama Group is studying the synthesis of natural organic compounds using electrical energy. The aim is to synthesize compounds that are useful in medicine and other fields, and to enable environmentally friendly organic synthesis. Q: Our aim is to actually synthesize biologically active organic compounds that occur in nature. There are a wide variety of such compounds, ranging from quite complex to very simple. In particular, a feature of our research is that were using electrochemistry, or electrolysis, for environmentally friendly organic synthesis. Chemical synthesis using electrochemistry and electrolysis can be used to induce only the reactions needed, without producing toxic substances. Consequently, it is currently topical as a means of environmentally friendly chemical synthesis. The Nishiyama Group is breaking new ground internationally, through original organic electrolysis reactions using phenols. QOne current environmental problem is waste products that are organic halogen compounds. As these contain halogens such as chlorine or bromine, they are toxic, and they dont naturally decompose. But electrolysis can be used to remove the halogens.A feature of our research is that we synthesize organic compounds based on phenols. Benzene is easy to polymerize. But if you combine just two benzene rings,please clarify part about ether, or link benzene rings directly, then those compounds can be used, for example, to synthesize a chain of amino acids, which is strongly biologically active. So were doing quite original research on phenol chemistry, using electrochemistry for synthesis, as I mentioned earlier. For pharmaceuticals manufactured by organic synthesis, safety testing is extremely important. It can take over a decade to produce a single drug. Organic electrolysis reactions, which do not use toxic substances, are expected to be very safe, and to enable much faster development. For such research, the Nishiyama Group uses a special system to develop man-made biologically active substances that are more effective than natural organic compounds. QIn our study meetings, we have one team that makes the target substances using electrochemistry, and another team that makes complex compounds using standard chemical synthesis. The two teams can complement each other by bringing together their new discoveries and new technologies. For example, weve had several cases where standard chemical synthesis alone doesnt work, but electrochemistry can be used to find a more effective reaction at once. In that sense, we aim to achieve complete syntheses through both teams helping each other.
Quantum algorithm for solving linear equations
A special lecture entitled "Quantum algorithm for solving linear equations" by Seth Lloyd from the Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA.
[慶應スピントロニクス 研究連携先 - 勝本研究室 , 東京大学] 物性研究所 東京大学 物性研究所 勝本研究室ではデバイス中で1個の電子の移動を制御する「単電子効果」と電子が確率の波として振舞い干渉し合う「量子干渉効果」を中核にして、電子スピンとの絡み合いを通してスピントロニクスの研究を進めています。 量子効果の研究では量子ドットと呼ばれる構造を使い、電子同士が反発するクーロン力を利用し1個単位で増減させる事で電子スピンの制御を試みています。この技術によって開発されたデバイスが1ミクロンより遥かに小さな単電子トランジスタです。 Q「これくらい小さくなりますと一個の電子のクーロン力でも非常に強くなってですね次の電子をブロックしてしまう事が出来る。である時はブロックして、ある時は流すと、いう事を使う事によってちょうどこの中にいる電子の数を一個づつ制御する事が出来ます。電子の数0個から10億個くらいまで制御する事ができます。 でそれを使って中でスピントロニクスをやろうって訳です。」 1個単位でスピンを操作出来る単電子トランジスタの開発が進めば、CPUような演算素子の構成をする上で大きな役割を果たす事になります。 また量子干渉効果の研究では量子が持つ波動特性を利用し、干渉の強弱を調べる事で電気伝導に転写する実験もおこなっています。 これらの実験成果を活かしたスピントロニクスデバイスが完成すれば、微量の電力で動く究極の省電力となるため原理的には乾電池1本でコンピューターが100年以上の使用できるようになります。 Q「色んなものをどんどん小さくしていくと今のデバイスは駄目になるという事が言われていまして、もちろんその発熱の件もあるんですけども、それから色んな量子ゆらぎと呼ばれているものですね。そういうものが出てきてデバイスが駄目になってしまうと言われてるんですけども、こういう現象は逆に強くなってきますので量子ゆらぎが酷くなるのに対してこういうデバイスはドンドンドンドン使えるようになって来る訳です。 ですから今みたいに物凄い勢いで集積度が進んでると思うんですけども、あれがもっともっと集積度が進むと今の原理で動いているデバイスが全部駄目になるのに対してこういうデバイスは全部使えるようになるんですね。 そういう意味では今ある壁にぶち当たりつつあるんだけれど、壁を抜けた世界のデバイスの研究をしてるという風に思っています。」 このような研究の他にも、分子線エピタキシー装置、リソグラフィ装置、真空蒸着装置等を研究室内に持ち、希薄磁性半導体をはじめとする試料の設計から測定に至るまで一貫した研究開発を進め更なる協力なスピントロニクス回路の構成を目指しています。 新しい未来のデバイスとしての可能性を秘めたスピントロニクス。 長年研究に携わってきた勝本教授は、スピントロニクスの研究の面白さをこう語ります。 Q「裏切られる事も多々あるというか10回実験して9回裏切られるんですね。1回当たると非常に気持ちがいい。これは非常に面白い事ですね。 一方9回裏切られて残念かっていうとですね、残念な事はないんですね。どう裏切られるか、違う事が出てくる訳です。全然自分の設計と違う事が出てくる。それはなぜかって考えていくと非常に面白いんですね。これはある意味神様が我々の浅知恵を笑ってですね、本当はこうだっていう風に教えてくれてる訳ですね。これを調べる、本当に面白いです。」
栗原研究室 - 整数の世界と数学的自然界を探求する
栗原研究室 慶應義塾大学理工学部数理科学科 「整数の世界と数学的自然界を探求する」 慶應義塾大学数理科学科 栗原研究室では整数論の研究を行っています。整数論は、4000年以上の歴史を持つ学問ですが、現在でも活発な研究が行われ、近年では、暗号理論や符号理論などに応用されたり、フェルマーの最終定理や岩澤主予想が証明されるなど、今でも日々新しい成果が得られる重要な分野です。 「整数論と言いましても最近では、岩澤理論というものに重点を置いた研究が一番多いと思います。 イデアル類群であるとかセルマー群であるとか、方程式の有理数解がなすモーデル・ヴェイユ群であるとか、そういったものとゼータ関数の値、あるいはそのゼータ関数の値から作られるp-進L関数、あるいはゼータ元と呼ばれるものを使って調べるというのが岩澤理論というものなんですけれども、従来は岩澤理論はそういったものを岩澤主予想というもので定式化しておりました。ところが私たちの研究室では、それらと数論的な対象物の間にもっと詳しい関係があることが分かって来ており、研究しています。」 栗原研究室の特徴は、岩澤理論の研究です。 岩澤主予想とは、岩澤加群という数論的な情報を多く持った重要なものとp 進世界でのゼータ関数であるp 進 L 関数という解析的対象の間の関係を記述するもの であり、岩澤理論の中核をなしています。栗原研究室では、岩澤加群と p 進 L 関数の間にある、従来の岩澤主予想より詳しい精密な関係、さらに はより簡明な関係、また一般化を研究して、岩澤加群の構造についての新しい研究を行い、それを応用して様々な数論的問題の研究をしています。 「数学というものは「数学的自然を調べている」というふうに私は思います。 特に整数論とか言いますと実際の対象が数ですから、方程式がどういう風に有理数解があるかとか、非常に基本的なことを調べていることになるんだと思います。 世間で言いますと、数学というのは高校数学とか大学入試とかで普通の人は考えていて、問題を難しくしてそれを解くことが数学だというふうに考えているところが非常に多いと思うんですけれど、特に整数論みたいなものですと数という世界はあるわけですから、その世界がどういうふうになっているかという数学的自然を調べるということが数学になっているので、本当にある意味で自然科学になっていると思います。」 岩澤理論はフェルマーの最終定理の証明にも使われ、欧米では広く研究されている理論です。栗原研究室では岩澤理論をテーマとした国際研究集会を主催するなど、積極的に活動しています。 「今までもそうなんですけれども、国際的な研究集会を開きまして、そういう機会を学生にもたくさん提供して、世界から著名な研究者を呼んだり、あるいは世界の研究集会で話したり、国際的な研究をやって行きたいと考えております。」
足立研セミナー:オセロ大会/Javaプログラミング入門講座 -オブジェクト指向を理解する-
本講座の目的は、「オブジェクト指向」の主要な概念を理解してももらうことです。細かい話は一切抜きにして、クラスとインスタンス、カプセル化、継承、抽象クラス、ポリモーフィズムなどの概念を例を用いて分かりやすく説明します。 また、本講座ではみなさんにその場でサンプル・プログラムを触ってもらいながら進めました。使用したプログラムは以下からダウンロードできます: http://yoda.appi.keio.ac.jp/Othello/?page_id=214 本講座は慶應人工知能オセロ大会の一環として開催しました。学生が作るコンピューター・プログラム同士がオセロで対戦するという企画です。 http://yoda.appi.keio.ac.jp/Othello/ 本大会は3月13日に開催します。直前までエントリーを受け付けております。この春休みに楽しみながらスキルアップをする機会として、ぜひ利用してください。
【究極の超感度磁気センサ】不可能を可能にする"量子計測"の実現を目指して 伊藤公平研究室
慶應義塾大学 理工学部 物理情報工学科 伊藤研究室では同学科の早瀬研究室と共同で、「量子計測」いわゆる従来の古典的な計測では測れないようなものを量子力学の法則を使って計測するという、不可能を可能にする計測に取り組んでいます。 中でも力をいれているのが、ダイヤモンドの中にたった一個の電子をおいて、その電子の量子力学的な性質を使ってその近くにあるものから出てくる磁場を測る「ダイヤモンドによる単一の原子核スピン磁気共鳴センシング」の研究です。 Q. ダイヤモンドはすべて炭素でできていて、炭素がダイヤモンド構造というのをとっているんですが、そのダイヤモンドの中の炭素のひとつが、窒素にまず置き換わります。その窒素の隣にある炭素が抜けてしまう、穴になってしまう、原子がいない。そうするとこの窒素と炭素の抜けた穴が「ナイトルジン」穴は英語でvacancy。ナイトルジンvacancy center。NV中心といわれるんですね。欠陥ですね。そこにひとつ電子がくっついてくれるんです。その磁石が1個だけあるので、電子が1個くっついて、それが磁石として働いてくれるんです。そういうものをつくると、偶然そこに磁石がひとつできるということが既にわかっています。 NV中心の直上のダイヤモンド表面に水素原子を置けば、単一プロトン原子核スピンによって生じる磁場が電子ナノコンパスで測定できる様になります。この状況を確立したうえで、プロトン核磁気共鳴に必要な外部磁場印加と共鳴電磁波照射を行いプロトン核スピンの向きを自在に変化させ、その向きをNV中心の電子スピンで測定することで単一プロトン核スピンのNMR検出が達成されます。この技術を発展させ、将来的にはダイヤモンド上にのせた単一分子の核磁気共鳴の実現を目指しています。 Q. この研究は産業技術総合研究所が、極めて高い、世界でトップのダイヤモンドの作成技術を持っています。そこの研究グループ、またひとつひとつの電子スピンを測る技術というのは、もともと量子計測、それも量子力学の測定なんですが、それはアメリカのヒューレット・パッカード研究所と共同で行っています。さらに小さな磁石として、外のものを測る技術というのはスイスのETH、スイス連邦工科大学と一緒に共同研究をしています。そこがすべて合わさって、さらに慶応の中でも、早瀬潤子准教授のグループと一緒に共同研究をして、全体のパッケージとして、世界トップの技を出そうとしています。 新規化学物質の構造決定、抽出・創製された化学物質の特定、医療におけるMRIなど、現在、物理・化学・医学、化学・製薬・医療機器産業で評価装置として広く使用されている核磁気共鳴の感度では、最低でも同一種類の分子を1018個程度集める必要がありますが、この研究が進めば1個の分子で測る事が可能となります。 伊藤研究室では今後も更なる研究開発を進め、量子力学の法則を使い"不可能を可能にする"究極の超感度磁気センサとなる「ダイヤモンドによる単一原子核スピン磁気共鳴センシング」の実現を目指していきます。 Q. 【20世紀は量子力学の時代】といわれましたけれども、21世紀になって量子力学は何をできるのかという事を色々考えた時に、量子コンピュータができるとか、量子通信ができるとか、量子の応用がいろいろ考えられているんですが、その中でひとつ最近特に話題になっているのが、「量子計測」という分野です。これは今のやり方では絶対に測れないとわかっているものが、もしかしたら量子力学を使えば、測れるかもしれないという事になってきたわけです。量子力学を使うと何が測れるかというと例えば小さな磁場、普通では絶対に測定できないような磁石の力、とか、光ひとつひとつとか、そういったもの測れないものが測れるようになる。そこで量子力学の限界を実験的にテストしながら、その限界がどんどんどんどん先に進んだ時に、それを応用に使って行くというのが、我々の今研究として最も興味をもっていることです。
Aiming to develop the ultimate power cables using new high-temperature superconductors
The Kamihara Laboratory is working to discover new high-temperature superconductors, and use them to make superconducting cables. The ordinary metals currently used for cables, such as copper and aluminum, undergo Joule heating when a current flows. This wastes electric power, and reduces the power that can be used. Q."If you generate 10 units of power, you can't carry 10 units via power cables to the user. But if you use superconductors, Joule heating doesn't occur. Those materials have absolutely no resistivity. In that case, if 10 units are generated, the user gets 10 units. The user's device might be a PC, or many other things. Anyway, superconducting power cables enable us to use the total power of electricity generation. It is an extremely good power cable." Today's high-Tc superconductors, such as layered copper oxides and iron-based oxypnictides, are ceramic, and fragile. Therefore, it's an important issue to develop a technology to make a power cable using the oxides. Q."Most high-Tc materials are fragile. They're ceramics. We have to cover those ceramics with malleable "sheath metal", to make it fairly easy to process bending, rolling, and stretch. If superconductors are covered with the sheath metal, they finally become usable as cables. But when these superconductors are covered with metal, a problem arises. The superconductors react with metals, producing undesirable impurity phase. In our research, we aim to reduce amount of the impurity phase. I think it is a good way of cable-making research on iron-based superconductors." Also, at present, the highest Tc is 138 Kelvin of copper-based superconductors. Even at this temperature, the material is called a "high-temperature" superconductor. But this is too low for materials to be used in power cables at room temperature, which is 300 Kelvin. In 2008, Dr. Kamihara and his bosses have discovered that a group of materials which include iron square lattices are suitable for use as superconductors. Q."There are many elements and compounds which demonstrate superconductivity. For example, there are silicon which is a typical semi-conductor, diamond which is made from carbon, and some species of cements which are construction materials. If you change its chemical composition slightly, or press it in high pressure, they become superconductors at low temperatures."   If you obtain room-temperature superconductors using a variety of elements, it'll be possible to generate and use electricity without wastage. Q."I think that if room-temperature superconductors are achieved, they'll change everything related to power transmission. But the hurdles, which will replace all normal conducting power cables into undiscovered superconducting one, are still too high. So we do research for application of the superconductors which have been obtained. If our research produces results, we could use them, for example, to generate high magnetic fields for Maglev transport, or for MRI. We hope our research contribute to utilize superconductors in efficient power transportation and producing high magnetic field."
The mathematics of infinity and research on operator algebra theory
Many fields of mathematics are hundreds, or even thousands, of years old. By contrast, the Katsura Group researches operator algebra theory, which is a relatively new field, arising in 1929. It was originated by von Neumann, one of the 20th Century's most influential scientists, to describe quantum mechanics mathematically. Q"Operating, in ordinary language, means acting on something. In my specialty, operator algebra, what's acted on is an abstract mathematical object called a Hilbert space. The subject that acts on the Hilbert space is called an operator. With operators, if you do one operation, then a different operation, and think of the two as a combined operation, a multiplicative structure arises. Also, the object called a Hilbert space involves an additive structure, and you can use that to define addition between operators. In mathematics, structures where addition and multiplication are conceivable are called algebras. In operator algebra theory, we investigate the various structures of algebras formed by operators." The mathematical features of operator algebra theory can be expressed in three words: infinite, topology, and non-commutativity. Infinite means the object has an infinite size, and this results in various mysterious phenomena that don't arise in the finite world. Also, in operator algebra theory, we don't exclude the infinite nature of objects as being pathological; instead, we try to tame it using various tools and methods. The most powerful tool is our second keyword, topology. In operator algebra theory, we try to control infinity using topology, which varies depending on situations. Different topologies lead different concepts, C*-algebras and von Neumann algebras. Our last keyword, non-commutativity, expresses the phenomenon where considering a product in a different order changes the result. In ordinary arithmetic, products don't depend on order. But for operators, products may well depend on order, like matrix multiplication. Q"I also do research on the borderline between set theory and operator algebra theory. Set theory involves research on infinite subjects, or infinity itself, more directly than operator algebra theory. One famous example is called the Hilbert Hotel." The Hilbert Hotel has an infinite number of rooms. Even if it's full when a new customer arrives, the hotel can move the person staying in the Room 1 to Room 2, the person staying in Room 2 to Room 3, and so on, to make Room 1 vacant. Using this method, even if an infinite number of new customers arrive, the hotel can move the guest in Room 1 to Room 2, the guest in Room 2 to Room 4, the guest in Room 3 to Room 6, the guest in Room 4 to Room 8, and the guest in Room N to Room 2N, making all odd-numbered rooms vacant, so an infinite number of people can stay. Moreover, another phenomenon occurs: Even if an infinite number of buses each containing an infinite number of customers arrives, the hotel can arrange things so that all of the new customers can stay. Research students in the Katsura Group also study the relationship between tiling and C* algebra, and tackle many topics in set theory and logic. In this way, the Group works to open up new frontiers in mathematics. Q"I think that, in a great many cases, interesting topics lie on the borderline between related fields. Of course, it's important that students do specialized studies. But I'd also like our students to take an interest in other aspects of mathematics, along with techniques from various disciplines. Those could include physics, chemistry, and engineering, but also many other fields."
[慶應スピントロニクス 研究連携先 - 大野研究室 , 東北大学] 東北大学 電気通信研究所 ナノスピン実験施設において、大野英男研究グループではスピントロニクスの量子力学的な側面の解釈とその応用に向けた研究もおこなっています。 現在エレクトロニクスを支えている半導体デバイスの多くは非磁性で磁石としての振る舞いはほとんど見られませんが、非磁性半導体においてはスピンの量子的な振る舞いが顕著に現れます。 そこを制御し、新しい情報通信技術や量子計算機などに活かそうと開発を進めています。 Q「半導体っていうのは集積回路を半導体で作る訳なんですけども、半導体を磁石にして半導体の中で電気の効果とスピンの効果を一緒に使おうという研究をしています。それは必ずしも半導体である必要はないんですけども、電気的な効果で磁石を制御する、磁気的な効果で電気的なものを制御するという新しいパラダイムをそこで見いだそうとしています。」 非磁性半導体のスピン、特に核スピンはその量子力学的な位相を保持する時間が長い事が知られています。 大野英男研究グループ内で研究を行なう大野裕祐三准教授はそういったスピンの量子力学的な面を透過型時間分解ポンププローブ法や時間分解ファラデー・カー回転法といった光を用いた方法で高感度に検出し、物性の理解と応用へ向け研究を進めています。 Q「スピンというのは量子力学的な物理量領でして、その量子力学的な状態を長く保持する事が出来ればこれが計算機の中の1と0の役割をそのスピンの上向きと下向き、更に量子力学的に位相と呼ばれる1と0のちょうど重ね合わせた状態、そいういったものをリソースとして使う事が出来れば、例えば量子コンピューティングですとかあるいは量子通信等新しい情報通信の基盤となるデバイスに応用出来るんではないかと期待されています。」 今後量子情報を利用した次世代の半導体デバイスとして大きな期待を持たれているスピントロニクス技術。 こういった研究開発には、スピントロニクスに希望を見いだす若い研究者も多く参加しています。 Q「電荷の流れを電流というのに対して、スピンの流れをスピン流と言って近年注目を集めています。 スピン流はまだ新しい概念なんですけども、これを用いれば今まで考えられなかったような新しい機能を持ったデバイスが実現される事が期待されています。」 Q「非磁性半導体中にレーザー光を照射して内部にスピンの向きが揃った電子を生成すると電子スピンと核スピンの間のスピンのやり取りによって核スピンの向きを揃える事が出来ます。 揃えられた核スピンは外部から瞬間的に磁場を加える事で自由に向きを変える事が出来ます。さらに核スピンは磁場として電子スピンに働き、電子のスピンの歳差運動の早さ速さを変化させます。 これにより電子スピンを通して高感度に核スピンの状態を検出する事が出来ます。」 大野英男教授は研究を進めていく上で、結果だけではなく将来を支えていく研究者達の成長が科学技術を前進させていくための大きな課題の一つだと考えています。 Q「研究だけじゃなくてですね人材の育成、育成というとわざわざなんか作るような感じですけど、実際にはそこで仲間になる、まあ学生諸君、ポストドックの人達、あるいは職員の人達を含めてですけども、仲間としてチームとしてある研究を進めていく中で、科学技術の研究を進めていくっていうのはどういう事なのかっていうのを肌で理解して世界の一線とやりあっていく、やり合うっていうとあれですけども、協調しながら競争するっていうのはどういう事なのかっていう事を分かった人材がここから育ってると。あるいはこういう環境で育ってるという事を是非理解頂きたいしサポート頂きたいなと思います。」
慶應義塾大学理工学部情報工学科の紹介ビデオです。 ウェブページもご覧下さい。 http://www.ics.keio.ac.jp/
[慶應スピントロニクス 研究連携先 - 田中研究室 , 東京大学] 東京大学 田中研究室では、電子のスピン機能を活用した21世紀の新しいエレクトロニクスを担うスピントロニクスの開発研究に力を入れ、世界をリードする研究を展開しています。 Q「今、私達が使っているコンピューターはシリコンLSIで出来ていますが、シリコンのLSIというのはシリコンのトランジスタで出来ていて、非常に極限にまで微細化したデバイスが使われています。しかし、その微細化の限界が近づいていまして、微細化していきますと消費電力は非常に増える一方であったり、あるいはその微細化するとコストがかかったり、物理的にも経済的にも限界に近づいています。」 これまでエレクトロニクスや情報通信技術を支えてきた半導体においては電子の電荷のみが利用されてきましたが、田中研究室では電子の持つもう一つの自由度である「スピン」を用いることによって新しいエレクトロニクスのパラダイムを作り出そうとしています。 スピンは古典力学で言えば電子の自転になります。この自転は決して止まることがないので、電子はそれ自身が世界最小の磁石であると言えます。このスピンの向きを制御する事により強磁性を発現させたりスピンを制御することが、スピントロニクス技術の大きな鍵となります。 Q「磁性体においては電子のスピンが揃った状態、それが強磁性の状態ですけれども、それを使っているわけです。強磁性を使いますと、高密度の記録媒体というのが出来ます。そのひとつは、コンピューターで使われているハードディスク、それから次世代の不揮発性メモリーとして期待されているMRAMという不揮発性記憶デバイスがあります。 それから、半導体だけでは出来なかった磁気光学効果を使ったデバイス、これは光通信であるとか、光情報処理に非常に重要な役割を果たすことが期待されます。 更に、遠い将来はスピンの量子状態を使った量子情報処理、量子計算といったことも、応用の視野に入ってきます。これらが、私どもの研究が目指しているところです。」 来るべき次世代デバイスを担うスピントロニクス技術。 田中研究室ではこれまでのエレクトロニクス技術ではなし得なかった新たな半導体テクノロジーを切り開いていきます。 Q「世界中の半導体の研究者が、10年後、20年後のシリコンの次のデバイス、あるいはシリコンの中に新しい機能を入れることによって次世代の新しい技術を生み、イノベーションを獲得するための研究を活発に行っています。ただしその新しい確かな方向というのはまだ見えていません。その候補としてスピンの状態を使うということが期待されるようになってきます。 この研究の新しさというのは、半導体技術のような先端的のテクノロジーとデバイスの中でスピンの自由度を使い、積極的に情報処理に応用するという点です。そういう事を目指した先端的材料とデバイスの研究を行っており、それが新しいイノベーションにつながるのではないかと期待してこういう研究をしています。」
2017 Keio University Promotional Video (English Version)
Check out Keio's latest promotional video to explore the traditional but advanced university in Tokyo, Japan. www.keio.ac.jp/en/
Building Japanese FrameNet: A lexical resource based on cognitive knowledge
What is our knowledge of language all about? As language has diversified so much in recent years, how much can computers understand human language? With this question in mind, the Ohara Laboratory is doing research on natural languages. The research is based on the idea that computers can be a starting point for looking at human language. That is, the problems that computers have in processing language reflect the key features of human ability to process it. So by looking at problems of language processing by computers, its true nature will become clear. Q. "When you look up a dictionary, what you find is definitions such as left is the opposite of right, and east is the opposite of west. But to understand the meaning of each word involves not just knowing purely linguistic meaning of the word like that, but also having encyclopedic knowledge of it. So in our descriptions of the meaning of words, we want to incorporate such encyclopedic knowledge, including common sense and scientific knowledge, which is not usually found in dictionaries. Thats the aim of our project." In kana to kanji conversion by computers, the accuracy has currently improved to over 90%. But getting a computer to understand the meaning of words, which changes subtly depending on the situation, is a problem thats yet to be solved. For example, the Japanese phrase kurumadematsu can mean wait in the car or wait until someone comes. A person can judge which of the two is meant from the words that precede the phrase. But a computer cant always understand the context, so it cant always convert a phrase to the correct Japanese characters. To open the way to technology that can solve this kind of problem, the Ohara Lab has started a project called the Japanese FrameNet. Q. "Were going to describe the ways in which Japanese speakers normally use words. So first of all, were collecting examples of how Japanese speakers write, read, and talk. Such a database of words is called a corpus, and recently, a representative Japanese Language Corpus is being created by researchers at the National Institute for Japanese Language and other organizations. We use the corpus to look up each word, and carefully select example sentences of the word, so we can analyze the meaning of the words used in those sentences." If Japanese FrameNet becomes widely used in society, it will be possible to investigate online how contemporary people use and understand words. Our colleagues outside Japan have also been building FrameNets for English, German, and Spanish. We are going to link Japanese FrameNet to those for other languages, so that the FrameNets can be used by speakers of one language to understand another, helping them to overcome language barriers. Q. "What Im most interested in is human cognition, and the question Why canpeople understand words?. Or: How does the knowledge needed to understand Japanese differ from the knowledge needed to understand English? When Japanese FrameNet becomes available, we want to use it for computer processing such as machine translation. And we want to see how far we can describe not just Japanese, but German and Spanish, using semantic frames. In that sense, contrasting Japanese with English, German, and Spanish is linguistically very interesting."
慶應義塾大学商学部/Faculty of Business and Commerce
田村研究室 社会への応用を見据えた"最適化理論"の研究
幾つかの制約を満たしつつ、指定した目的を最適に達成する解を求める問題を最適化問題といいます. 田村研究室では、目的や制約を関数や等式・不等式などを用いて最適化問題を数理的にモデル化し、問題が包含する構造の解析や解を求めるアルゴリズムの開発を目指す分野である数理計画の研究を進めています。 Q "私の専門分野は最適化と言って、数理で数学的に扱うのでどういう条件のもとでという条件を数式で書いて、あと目的関数と呼ばれる関数を考えてそれを最少化なり最大化するというのをやっています。特に私は離散的な構造を持っている、最適化問題というのを専門としております。 例えばふたつの仕事をするグループがあって、そのグループのひとりずつのメンバーがペアを組むと、ある種の利益を生む、というようなモデルにおいて、どういうペア同士、ペアを構築すると一番利益が最大化されるのかという割当問題というんですが、そういうのが私達の分野の代表的な問題です。" 割当問題の応用例として、複数のプロジェクト提供企業とプロジェクト請負企業如何に組合わせれば収益を最大化する事ができるかというものがあります。 プロジェクト提供企業を"A, B, C"、プロジェクト請負企業を"α, β, γ"(アルファ、ベータ、ガンマ)とし、それぞれの提供企業と請負企業が組んだ場合の単位期間当りの収益が図のように与えられているとします。 例えば A と α が組むと収益 7 が得られ,線で結ばれていない3つの組 Aとγ、Bとα、Cとβについては収益 0 とした場合ではAとα、Bとβ、Cとγを組み合わせることで総収益20を得ることができ、20より多くの収益が得られないのも簡単にチェックする事も可能です。 この様に田村研究室で研究を進めている最適化理論は数理科学科の中でも応用に近い分野です。 2012年のノーベル経済学賞では、最適化理論にも関連する安定マッチングの理論の創始とそれを用いた制度設計の実用によりロイド・シャープレイとアルビン・ロスが受賞しました。 この安定マッチングの理論も、田村研究室での研究テーマの一つです。 Q "最適化の考え方の面白いところは、今いる状況条件を明確にしようという発想と、それとは別に何をやりたいかという目的をちゃんと立てようと、それを立てた後に、どうやってそれを解決するかという方法、我々の数学で言うとアルゴリズムを構築する、解法を構築する、というんですが、状況と目的とどうやって解こうかというのを明確に分けて議論するというのが、いいと思うんです。ものの考え方として。昨今見ると、答えありき、みたいな議論があったり、やり方ありき、みたいな議論があったり、何だかちょっと違うんじゃないかな、というのが、今の私の感想です。あともうひとつ最適化で重要なのは出て来た答えがそのまま使えるかわからないので、やはりそれを吟味して、もう一度モデル化を修正して問題を解くとなんて事を繰り返しますので、そういう意味でも、答えを吟味するというのは、重要なんだと思います。" 田村研究室では割当問題の他にも最適化理論のミクロ経済学やケーム理論への応用等について研究を進め、社会への応用も視野に入れた最適化理論の更なる研究に力を入れていきます。
Quantum Machine Learning
A special lecture entitled " Quantum Machine Learning " by Seth Lloyd from the Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA.
Toward a new type of memory using the magnetic properties of iron
[Keio Spintronics Network - Suzuki Laboratory , Osaka University] The Suzuki Spintronics Group in Osaka Universitys Graduate School of Engineering Science is doing research with the aim of achieving a new type of memory using the magnetic properties of iron. Atoms consist of a nucleus and electrons, and the electrons have a magnetic property called spin as well as charge. Introducing these tiny magnets into other substances like a liquid is called spin injection, and their flow is called a spin current. Q. If we use this spin current to make extremely small iron particles, about the same size as viruses, and let the spin flow into them, we can change the orientation of the iron magnets. They become very small memory elements. Were doing this research as a national project, together with businesses. In our research, we inject spin into not just iron, but also silicon, diamond, molecules, and a new substance called graphene, which has recently become topical. There are various types of molecular materials, but the Suzuki Group is focusing especially on graphene and fullerene. Q. As you can see, graphene consists entirely of carbon. Carbon is a very light element. If we put spin into such a light element, its difficult for the spin to disperse. Thats why were studying these kinds of carbon materials. Its usually difficult to obtain this effect except at extremely low temperatures, but when using grapheme weve found we can obtain the effect at room temperature. In memory using magnets, the N and S orientations of the magnets are used as 0 and 1 in digital data. To achieve this effect, a key technology is the ability to reverse the orientation of extremely small magnets at the nanoscale, while consuming as little power as possible. Recently, the Suzuki Group has succeeded not only with methods using spin injection, but also by making the atomic layers in metal magnets as thin as possible, and using voltage to control the direction in which the magnets tend to orient. Using this technology, its considered possible to achieve magnetic memory that consumes very little power. Q. These memory elements are called MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) or spin RAM. Spin RAM works in the same way as ordinary DRAM (Dynamic Random Access Memory), but its nonvolatile. Because Spin RAM uses magnets, the recorded data doesnt disappear. So with these elements, the power can be switched off at any time. This can be used to achieve very energy-efficient computers. Todays computers take time to start up after theyre switched on, but with this technology, they could be switched off anytime without that happening, and started up instantly anytime. In other words, when youre using a computer, it could be switched off most of time, then run only when you touch the keyboard, and then switch off again afterwards. We think this would be a big help with energy conservation.
慶應義塾大学法学部/Faculty of Law
Energy Problem Solutions through Theoretical Research on Room-temperature Superconductivity
The Ohashi Group in Keio University's Department of Physics does research on theoretical condensed-state physics. In particular, the group studies superconducting and superfluid phenomena. In a superconducting state, where the resistance of a metal becomes totally zero, electricity can be transmitted without power loss. This is expected to lead to innovative advances, not only in science and technology, but also in daily life. At present, however, superconducting phenomena can only be made to occur at very low temperatures. Q. Room temperature is about 300 K, but currently, we only have materials that become superconductive at about 150 K. Most researchers think that room-temperature superconductors could exist; it's just that we haven't discovered any yet. Researchers worldwide are searching, theoretically and experimentally, for materials that can become superconductive at temperatures seen in daily life. We're investigating theoretically how to achieve a superconducting state at room temperature. If that can be done, superconductors that work at room temperature could be used in power lines. We think that would be really useful in a variety of fields. In a superconducting state, the electrons form a molecular state called a Cooper pair, due to mutual attraction. This is realized through a "quantum condensed state" called a Bose-Einstein condensate. Usually in the quantum world, phenomena occur on a very small scale of about one angstrom. But superconductivity is a quantum phenomenon realized on a large scale. In that sense as well, says Professor Ohashi, this is very interesting research. As well as metallic superconductors, the Ohashi Group also does theoretical research on superfluid materials. In particular, superfluids achieved by cooling atomic gases of potassium and lithium to very low temperatures have been used in successful experiments, obtaining physical states very similar to room-temperature superconductivity, which hasn't yet been achieved. The Ohashi Group is trying to get hints about room-temperature superconductors through theoretical research on superfluid states called Fermi atomic gas superfluids. Q. Our ultimate goal is superconductors that work at room temperature. If that can be achieved, energy problems should be greatly alleviated. For example, one issue is how electricity could be stored up and transmitted to Japan. And there are all sorts of problems involving oil and nuclear energy. If all power lines could be made from superconductors, I think it would solve those problems. We'd like to be able to show the world that the future is still bright. In the energy industry, there are also high hopes regarding room-temperature superconductors, to deal with anticipated problems in electricity supply. The Ohashi Group will keep advancing its research, with the aim of making theoretical suggestions for achieving room-temperature superconductors.
Mathematical optimization model that helps with decision-making in uncertain situations
Akiko Takeda's research group works on mathematical optimization and related issues. A mathematical optimization model is used to find the "best available" value of some objective function under given constraints. It helps with making rational decisions, such as planning factory production, or finding the shortest route using given modes of transport. In conventional mathematical optimization models, it's been necessary to anticipate and model one future condition, such as product demand. But nowadays, the social environment is changing so rapidly, it's difficult to anticipate even one future condition. In that case, what's needed is a method for making decisions by considering all situations that might occur. So the Takeda Group is researching a method called robust optimization. This decision-making method is "robust" because it can handle uncertain changes in conditions. Q. "Robust optimization originated around 1998, so it's still in the process of development. This method is based on the need to deal with uncertain things, and it continually anticipates the worst-case scenario, so that even if the worst does happen, people can see how far a good solution is available. When a business makes a production plan, the model is based entirely on future expectations: what the future demand will be, how much materials will cost, and so on. So even if the expectations are incorrect, this modeling method is "robust" with regard to them." Currently, one of the Group's research topics using robust optimization is panel-size optimization for solar photovoltaic systems. The method uses mathematical expressions to determine the optimal size of panels to satisfy land and cost constraints at the system's location and to meet numerical targets for CO2 reduction. In this work, one crucial point is how much to consider uncertainties, such as the amount of sunlight. Q. "Because photovoltaic electricity depends so much on the availability of sunlight, its output declines if there's a succession of rainy days. In that sense, there's uncertainty regarding the amount of sunlight available. So, using daily data for the 10 years from 2000 to 2009, we calculate the range in which the sunlight varies, and make a forecast based on 10 years' worth of data. We are then able to decide, through a statistical method, the range of the amount of sunlight with 0.95 probability. The Takeda Group is applying its predictive models, which consider uncertainty using robust optimization, to the problem of discrimination in machine learning. Machine learning is used in a diverse range of fields that require discrimination, including medical diagnostics, spam filtering, financial market prediction, and text recognition. The Group aims to develop a model that enables machines to discriminate with high precision, even if the data includes noise. Q. "Right now, we're at the very first stage, having used robust optimization to make decisions for solar photovoltaic systems. If we can receive requests and feedback from interested people, we'd like to include those in the model, to make it more complex. That's what we'd like to do from now on."
南研究室 データから情報を取り出す方法を科学する「統計科学」の研究
慶應義塾大学 理工学部 数理科学科 南研究室ではデータから情報を取り出す方法を科学する統計科学の研究を進めています。統計科学では、データを収集しデータから情報を取り出すデータ解析、そのための統計モデルや基礎理論の研究、解析結果の表現方法など、データに関して多岐にわたる研究が進められます。 Q. "私の研究は統計科学という事なんですけども、不確定性を含むようなデータから情報を取り出すデータ解析という事、そしてデータ解析のための方法論ですとか不確定性に関する理論の勉強、概念に対する基本的な研究といった事をおこなっています。具体的な話で言えば、例えば観測者が色々な場所で特定の動物の個体数を観測するとします。目的としてはその動物がどのような環境条件を好むのかとか、あるいは長期間に渡って観測する様な場合ですとその生息数がどういう増加傾向にあるのか減少傾向にあるのかという生息数の増減といったものに興味がある場合にそういった観測をします。" 現在南研究室では海洋生物の個体数や、大気中の汚染物質および気象データのデータ解析をおこなっています。海洋生物のデータ解析では、全米熱帯マグロ類委員会との共同研究によりマグロ巻き網漁で捕獲してしまったカメやサメといった生物の混獲数についての解析をおこない、生息数の変動の推定、水温や海流、操業条件などといった要因が混獲に与える影響などを研究しています。 また大気中の粒子状物質のデータ解析においては南極の昭和基地で採取したデータを元に、気象専門家とともに共同研究を進めています。 Q. "現在のところ基礎的な手法についてどういう解釈ができるのかをしているので、数理的な固有値固有ベクトルを調べてどういう分解ができるのかということをしているんですが、実際には単純な時系列時間的な変動だけでなくその時の気温などに影響されるんですが、気温自体にも時間的な変動があるので、その要因をどのように振り分けるのかがなかなか難しくてですね、例えば昭和基地のCO2データの解析などは、傾向変動の定義が何なのかという事が何なのかが難しいので、変動を分ける時に変動の定義を考えて、何が気候による変動なのか、何が時間による変動なのかを気候の専門家の方と一緒に色々話を聞きながら解析しています。実際の事象に関する知識を私達は持っていないので、そういった事は専門家の方に色々話を聞きながら、数理的な部分や統計科学的な手法ではこちらからアドバイスしたりして共同研究を進めています。" データ解析の醍醐味は、パズルを解く楽しさにも似ている、と例える南先生。これからも南研究室では、世界中に溢れるさまざまな事象のデータ構造を捉えて情報を引き出し、バラバラに散らばったパズルのピースを理論的に組み合わせていきます。
慶應義塾大学文学部/Faculty of Letters
「システム生命論」(「意識(クオリア)は幻想か?―「私」の謎を解く受動意識仮説」) 慶應義塾大学大学院システムデザイン・マネジメント研究科における講義「システム生命論」の一部です。この講義では、「意識(クオリア)は幻想か―「私」の謎を解く受動意識仮説」と題して、著書「脳はなぜ「心」を作ったのか―「私」の謎を解く受動意識仮説」で述べた内容を話しています。 年月日:2009年12月18日 氏名:前野隆司
Chemical Sensors Using Functional Dyes and Compact Sensing Devices
The Suzuki & Citterio Lab is working to create new sensing materials, such as dyes, and to develop chemical sensors. By combining organic molecules, electrochemistry, and molecular biology, the aim is to create chemical sensors that are smaller, simpler, and more sensitive. Such sensors will have a wide range of practical applications. Q. Our goal is to measure various substances in the environment and living organisms, which will enable us to understand many things. Primarily, were developing chemical sensors. We want to develop sensors that are useful in food analysis, healthcare, and environmental testing. So in our research overall, we develop devices that involve everything from new materials to sensors, and we work with businesses to systemize those devices further, so that theyre easy to use. In healthcare currently, MRI is the most representative imaging diagnostic method. But its still difficult to identify first-stage tumors that are less than 1 mm in size. To detect such small tumors, its necessary to develop contrasting agents that give sharper monochrome contrast than current ones, and also to selectively identify regions where tumors are present. The Suzuki & Citterio Lab is studying reactive molecules that can indicate specific regions, with the aim of developing more effective contrasting agents. Q. Were studying how to make substances in nano-particle form, or molecules that create slightly larger forms called micelles. Were also studying how to introduce anti-cancer drugs if tumors are found. The idea is to combine diagnosis with treatment, by injecting a drug that can track the recovery process if a small first-stage tumor is found. So were making new substances that combine the roles of drug and contrasting agent. To achieve such advanced chemical sensors, its essential to develop dyes. In particular, image analysis using near-infrared fluorescent dyes enable imaging deep inside the body, without obstruction due to light absorption. So such dyes are currently topical in healthcare and bioscience. Recently, the Suzuki & Citterio Lab succeeded in developing a near-infrared fluorescent dye thats brighter than previous ones. Its called Keio Fluorophore. Q. With ordinary visible light, you cant see deep inside, because the light ends up reflecting from near the surface. The idea is that, using our dye, if a certain substance is present the substance we want to see the dye fluoresces when that substance is captured. Thats our aim in this research. If we can do this, then well be able to measure all sorts of substances inside cells, in vivo, with high sensitivity. This approach is currently being used in research on the brain, which were doing together with Keio University Hospital. In addition, the Suzuki & Citterio Lab is developing many other sensing devices that measure chemical substances accurately. These include flavor sensors that simulate the human sense of taste, and sensors to detect toxins in the environment. To enable these sensors to become widely used in society, the Lab is working to fabricate low-cost, compact sensor chips using ink-jet printing technology. Q. Were making electrodes using not just paper, but also better materials such as plastic polymers. This may mean, for example, that the sensors dont need to be calibrated before each use. A proper automatic operation could be obtained each time, so thered be no need to plot a calibration curve before doing the measurement. I think this would make measurement even faster, and reduce the cost overall. Healthcare, environmental testing, and food hygiene all require chemical analysis, which plays an essential role in daily life. Chemical sensors are ideal tools for helping chemical analysis in that vital role. In the Suzuki & Citterio Lab, research students also participate positively; all students have their own specific, individual goals. And by continuing to develop superior chemical sensors, the Lab as a whole intends to help make life safer for everyone.