量子力学は、物理学の基本理論として多くの科学分野の発展の礎となり、現在の情報社会の隅々にまで恩恵をもたらしています。その進歩を引き継ぎ、今世紀に入る前後から湧きおこってきた新たな波が量子情報科学です。従来の情報通信技術においては、量子力学が、いわば縁の下の力持ちであったのに対し、量子情報科学のもとでは、重ねあわせや量子もつれといった量子の性質を最大限に活かした、優れた応用が可能であると期待されています。しかし、任意の量子状態を任意の時間にわたって保持し続け、その上で自在に量子状態を制御するためには、雑音による誤りの発生など、いまだに多くの課題が存在します。

このような背景のもと、本研究領域では、研究総括がこれまで世界に先駆けて独自の研究を構築してきた超伝導量子ビットとそれを用いた量子回路に関する技術を発展させ、高精度な量子状態制御・観測技術を確立します。さらに、多様な計算に対応可能な量子コンピュータの実現に向けて、誤り耐性を持つ量子情報処理方式を実装するための拡張性の高いプラットフォームを開発します。加えて、今後ますます重要になると予想される、超伝導量子回路と異種の物理系を融合したハイブリッド量子系の構築を通じて、新たな量子情報処理技術の可能性を大きく飛躍させることを目指します。

具体的には、ナノ加工技術・実装技術を活用して超伝導量子ビットの２次元稠密（ちゅうみつ）集積化を行い、高精度な量子ゲート操作を実現することにより、新しい誤り耐性符号の実装に挑戦します。加えて、超伝導回路上のマイクロ波量子光学ネットワークやハイブリッド量子系などの新規量子インターフェイスの実現に挑戦します。

本研究領域を通じて、量子状態制御技術の飛躍的向上により、複雑かつ柔軟な「量子機械」の制御に挑みます。これは量子コンピュータ実現へのマイルストーンとなり、新たな科学の基盤技術の創出につながると期待されます。また、量子誤り耐性符号化の実現により、物性物理などとの境界領域における新たな発展が、量子インターフェイス技術の実現により、分散型量子情報処理や量子中継など量子通信応用への展開が期待されます。

近年のバイオテクノロジーの発展に伴い、生物による物質生産技術はさまざまな分野で利用され始めています。特に植物は、葉緑体や液胞といった固有の細胞内小器官（オルガネラ）を持ち、これらを制御することで、光や二酸化炭素をエネルギー源として光合成を行うなど、独自の物質生産を行っています。こうした植物固有の特性を用いれば、微生物や動物では達成できない物質生産技術を創出することが可能であると考えられますが、幅広い実用化は容易ではありません。その理由の１つとして、オルガネラ間の物質輸送や相互作用、そしてそれらが植物全体の物質生産能力に与える影響が未解明であることが挙げられます。植物を物質生産の反応の場として活用していくためには、植物細胞中の各オルガネラの機能とその相互作用や代謝、物質生産などに及ぼす影響について、理解を深めることが不可欠です。

本研究領域では、植物細胞中の複数のオルガネラを複合的に操作・改変する技術を確立するとともに、オルガネラ間の物質輸送やオルガネラの細胞内局在が物質生産に与える影響を総合的に明らかにすることで、物質生産に最適な植物個体の作出や植物個体の機能改変に向けた基盤的な知識を構築することを目指します。

具体的には、オルガネラに選択的に物質を輸送できる「融合ペプチド」を技術的な基盤として、複数のオルガネラを複合的に改変する技術を確立します。また、バイオイメージングや計算科学の手法を取り入れ、細胞内のオルガネラ間の距離と代謝反応の相関関係を数値化することにより、オルガネラの相互作用と生産性を定量的に評価する指標を開発します。さらに、これらの取り組みで得られた知見を基礎として、植物における物質生産に最適な代謝経路の設計に挑みます。

本研究領域により、これまで未知であったオルガネラに対して、工学と植物科学の融合による体系的な理解が進むとともに、世界に先駆けて複数オルガネラを改変する技術を確立することにより、物質生産に最適な植物を設計することが可能となります。これにより、創薬や食料生産、化学産業など、植物を起点とした多様な産業への展開を実現するための技術的な基礎を確立することが期待されます。