材料科学
6Gへの道はグラフェンで舗装される可能性がある
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無線通信技術の未来は急速に進展しています。世界の事業者が5Gを開始したのは2019年にすぎません。5Gはまだ世界的な導入が進行中ですが、6Gはすでに開発が始まっています。
6Gは無線技術の第六世代です。第1世代（1G）は1980年代に登場し、アナログ音声を提供しました。その後、1990年代初頭に第2世代（2G）が導入され、デジタル音声が実現し、音声品質だけでなくバッテリー寿命やネットワークセキュリティも向上しました。
続いて2000年代初頭に第3世代（3G）が登場し、モバイルデータが利用可能になり、ビデオ通話やマルチメディアメッセージングといった新たな可能性が開かれました。第4世代（4G）は2010年代にモバイルブロードバンドの時代をもたらし、レイテンシが低減し、帯域幅が高速化しました。一方、5Gはさらに速度を上げ、拡張現実（AR）や自律走行といったアプリケーションをサポートします。
このように、無線通信技術の各世代は新たな機能をもたらしてきましたが、6Gも同様です。
イノベーションと無線通信の改善の流れが続く中、6Gは帯域幅と速度の向上、極めて低いレイテンシ、そして信頼性をもたらすでしょう。この技術の目的は、真にユビキタスな無線インテリジェンスと通信を実現することです。
新技術は基地局、ルーター、アンテナなど従来のネットワークと同じ構成要素を使用しますが、無線通信能力をさらに進化させる新技術の導入が差別化要因となります。
これは、6Gが5Gの上に構築され、現在のネットワーク接続性における改善点をさらに完璧にすることを意味します。
高速接続と予測可能な低レイテンシに加えて、6Gネットワークは指数関数的に増大するトラフィック需要をコスト効率的に処理すると期待されています。また、全世界的なカバレッジを実現し、すべての人にアクセスを提供する可能性があります。しかし、膨大なデバイス数を支えるには、サービスプロバイダーと消費者の両方にとって持続可能なコストが必要です。
しかし、それだけでは不十分です。遠隔地への接続による世界的なカバレッジに加えて、技術の進歩はインフラへの悪意ある攻撃への耐性や自然災害・局所的な障害に対するレジリエンスも提供しなければなりません。
これらすべての6G技術の進歩は、精密医療、スマート農業、スマートシティ、デジタルツイン、宇宙通信、ロボットナビゲーションに役立ちます。また、ネットワークエッジでのリアルタイムデータ処理と分析、そして数十億の相互接続デバイスを日常生活にシームレスに組み込むことを可能にします。6Gの導入は、環境への影響を最小限に抑え、持続可能な開発を促進するエコフレンドリーなイノベーションにも貢献すると期待されています。
6Gは高度に先進的な未来を約束しますが、コストとセキュリティという課題にも直面しています。この技術を実装するには規模の大きな新インフラが必要であり、構築費用は高額です。また、オープンソース技術、仮想ネットワーク、IoTはセキュリティ侵害への脆弱性を高めます。
ここでは、量子暗号、ブロックチェーン、AIの予測能力が可能なセキュリティソリューションとして検討されており、多くの物理コンポーネントの仮想化がコスト削減に寄与すると期待されています。
この技術の世界市場規模は、2032年までに$40.5 billionに達すると予測されており、ハイパー接続性への需要、低レイテンシと高データレートの利点、次世代アプリケーションの約束、テラヘルツ周波数とAIの活用、そしてデジタル格差を埋める可能性が牽引しています。
6G技術は今十年の終わりまでに展開が始まると予想されていますが、現在はまだ初期研究段階にあります。
量子材料による無線通信の改善
世界的に無線通信技術を劇的に改善することへの関心が高まる中、研究者は無線通信におけるより高速で効率的な技術を解き放つさまざまな方法を模索しています。
研究チームは、グラフェンをベースとした構造においてテラヘルツ（THz）波の周波数変換を増幅する方法を見つけました。
テラヘルツ（THz）無線通信システムは、特に広帯域を求める動きにより大きな注目を集めています。
メガヘルツ帯域は現在の用途には十分ですが、将来のネットワーク通信シナリオでは数ギガヘルツ（GHz）規模の帯域が必要となります。高周波で極めて短い波長を持つTHz波は、データをより速く伝送できます。
テラヘルツ（THz）は、0.1〜10 THz の範囲の電磁波を測定する周波数単位です。これらの波は非侵襲的で人間・動物・植物に安全であり、赤外線とミリ波の間に位置します。
つまり、THz波は不透明な材料を透過して非侵襲的イメージングに利用でき、品質管理やセキュリティ用途に活用できます。
その極めて広い帯域幅は超高速データレートを可能にし、もちろん5Gを超える機能を実現します。しかし、この有望な技術は大気中の成分（空気や水蒸気）に吸収されやすく、距離が離れると信号強度が低下します。
THz波の無線通信への可能性に関しては、THz非線形光学の進展が見られます。非線形光学は、光と物質の相互作用を研究し、光学高調波の生成など独自の現象を生み出す分野です。
THz技術が進化する中、オタワ大学の研究者は、電磁信号をより高い振動周波数にアップコンバートできるデバイスを構築する方法を開発しました。これにより、GHzエレクトロニクスとTHzフォトニクスのギャップが効果的に埋められます。
最新の研究結果は、Nature に掲載1され、チームがグラフェンベースのデバイスにおけるTHz非線形性を強化する革新的な戦略を示しました。
プロジェクトに協力した物理学准教授（科学部）のJean‑Michel Ménardは次のように述べています：
「[この]はTHz周波数変換器の効率を向上させる重要な一歩であり、マルチスペクトルTHz応用や特に6Gのような将来の通信システムにとって重要です。」
新しい研究で示された手法を用いることで、グラフェンの独自の光学特性も活用できます。
黒鉛から抽出されたグラフェンは純粋な炭素で構成されており、自然界で最も重要な元素の一つです。この新興量子材料は単層の炭素原子から成り、強靭で軽量、柔軟性があります。
この2D材料はまた、耐久性と高い熱・電気伝導性で知られています。さらに重要なのは、グラフェンが顕著な光学特性を持つことです。可視光スペクトルでの高い透過性（バンド構造に依存）、可変的な赤外線吸収、そしてTHz周波数帯までの光応答が挙げられます。
これらすべての優れた特性により、グラフェンはエネルギー、建設、医療、エレクトロニクス分野で価値ある材料となります。特に大きな光学非線形性とデバイスへの統合の容易さから、全光スイッチングや周波数変換技術、信号処理、無線通信応用の重要な部品となり得ます。
これまでTHz光とグラフェンを組み合わせた研究は、主に光と物質の基本的な相互作用に焦点を当てていました。単一パラメータだけを評価すると非線形効果は弱くなります。
そこで最新の研究は、複数の革新的アプローチを組み合わせて非線形効果を向上させ、同時にグラフェンの独自特性を最大限に活用しました。
THz非線形性をグラフェンベース構造で高めるため、チームはマルチレイヤーデザインで相互作用長さを伸ばし、電気ゲートでキャリア密度を制御し、金属メタサーフェス基板でTHz場の空間分布を変調しました。
新しい実験とそのデバイスアーキテクチャについて、uOttawaの超高速THzグループの博士課程学生Ali Malekiは「グラフェン以外の広範な材料を探索し、新たな非線形光学メカニズムを特定できる可能性を提供する」と述べました。
チームは第3高調波生成（THG）の増強係数が30倍を超えることを報告し、2桁オーダーの増加を実現できるアーキテクチャを提案しました。
研究結果を収集・分析したMalekiは、THz周波数変換技術の洗練にこの研究が重要であると考えており、最終的には「効率的なチップ統合型非線形THz信号変換器を実現し、将来の通信システムを牽引する」ことにつながると述べています。
6Gの主要プレーヤー
中国、米国、韓国、欧州、インドなど、世界中の企業が6G開発の主導権争いに参入しています。
企業同士の協業も進んでいます。Samsung Electronicsは日本最大手のモバイル事業者NTT Docomoと提携し、「テレコム業界におけるAI駆動イノベーションを加速」し、6Gなど将来の通信実現を目指しています。SoftBank CorpはNokiaと覚書を結び、AIを活用した6G通信システムの開発に取り組んでいます。一方、Appleは6G領域への取り組みを強化するためにチームを拡大しています。
6G列車に乗り込む皆が注目すべき、上場企業の中で特に大きな恩恵を受けるであろう企業を見てみましょう。
1. Qualcomm Inc.
この半導体大手はすでに5Gモデムの供給に関わっており、リーダーシップ維持のために投資を続けています。Qualcomm (QCOM ) は6Gに関するビジョンを定期的に提示し、インフラとデバイスを支える高度な半導体ソリューションと無線規格の開発に取り組んでいます。
先月、同社は指摘しました、6Gは拡張されたスペクトラム利用可能性とその効率的利用という課題に対応する位置付けにあると。同時に、低・中・高帯域での機会を解き放ち、カバレッジと容量を向上させ、生成AIや没入型XRといった高性能アプリケーションを可能にすると述べています。
Qualcommの目標は、新たなスペクトラムへの道を開くと同時に、既存帯域の運用効率を向上させるイノベーションを推進することです。
6G時代に備えて、Qualcommはスペクトラム規制当局、モバイル事業者、OEM、学術機関と協働しています。特に、上位ミッドバンド（7 GHz〜16 GHz）を6G向けに準備しています。
「Giga‑MIMO」と呼ばれる技術は、基地局により密なアンテナアレイを配置し、デバイスのベースバンドとRF設計を複雑化します。Qualcommは拡張された5Gミリ波テストネットワークも導入しており、統合通信とセンシングの基盤となります。
6Gは空中インターフェース基盤と統合された陸上/非陸上ネットワーク（TN/NTN）上にさらに構築されると、Qualcommのグローバルワイヤレスリサーチ責任者John Smeeはインタビューで述べました。5Gから6Gへの移行により、ワイヤレス接続が大幅に強化され、AI、センシング、デジタルツインといった新サービスが実現すると期待されています。
特にAIについて、Smeeは5Gだけでなく6Gシステムの性能、運用効率、ユーザー体験を向上させ、スケールで新たなユースケースを解き放くと指摘しています。AIネイティブのパラダイムは、デバイスとネットワークにさらなるイノベーションをもたらすと述べました。
QCOM 価格チャート
現在、時価総額190.24 億ドルのQualcommの株価は174ドルで取引されており、年初来12.04%上昇しています。EPS（TTM）は8.95、P/E（TTM）は19.24で、配当利回りは1.98%です。
同社の直近の決算報告（2024年9月決算）では、非GAAP売上高が102億ドル、非GAAP EPSは2.69ドルで、前年比30%以上の成長を示しました。Qualcommは株主還元として22億ドルを支払い、そのうち13億ドルが自社株買い、9.47億ドルが配当でした。2024会計年度のフリーキャッシュフローは112億ドルと報告されています。
同社はPC、車、機械向けチップの製造へと多角化を進めており、
「AI時代に向けて、Qualcommを無線通信企業からコネクテッドコンピューティング企業へと変革し続けます。」
– 当時のCEO Cristiano Amon
2. Verizon Communications
2020年、同社のCTOは「6Gが何なのか全く分からない」と述べ、5Gの強化に注力していましたが、同時に他の無線業界リーダーと共にNext G Allianceを結成しました。
VerizonはQualcomm、Samsung、AT&T (T ) 、Apple (AAPL ) 、Google、Ericsson (ERIC ) 、Microsoft (MSFT ) 、Nokia、Facebook、Bell Canada、Ciena、InterDigital (IDCC ) 、JMA Wireless、TELUS、Telnyx、T‑Mobile、US Cellularと共にアライアンスを結成し、全国的な6Gロードマップの策定、政府政策と資金調達のステークホルダー優先順位の調整、6G技術の産業横断的導入を加速する戦略の特定を目指しています。
VZ 価格チャート
Verizonの時価総額は166.45 億ドルで、株価は40.10ドル（年初来‑1.13%）で取引されています。EPS（TTM）は4.15、P/E（TTM）は9.54で、配当利回りは6.85%です。
2024年第4四半期のVerizonは「業界トップクラス」の無線サービス収益が200億ドルと報告し、総売上は357億ドル、純利益は51億ドルでした。総無担保負債は1,179億ドルです。
第4四半期は過去5年で最高の無線加入者増加を記録し、カスタマイズ可能なmyPlanとブラックフライデーセールが牽引しました。同社は約100万人のポストペイドモバイル・ブロードバンド加入者を新たに獲得し、10年以上で最高の四半期成果を達成しました。固定無線加入者は約460万人でした。また、VerizonはAIブームを活用し、企業がAIワークロードをスケールで管理できるVerizon AI Connectを発表しました。
結論
これまでの技術世代は人と人のコミュニケーションに焦点を当て、次にデータ消費の根本的な変革をもたらしましたが、現在はIoTと自動化システムの接続に注目が集まっています。6Gにより、人間とデジタルの世界がシームレスに融合し、体験が向上します。
技術の進歩、デジタル化の拡大、先進的なユースケース、そして極限性能の実現が6G市場を牽引します。超高速速度、低レイテンシ、グローバル接続により、6Gは自動運転車、スマートシティ、バーチャルリアリティといった新しい未来を支えるでしょう。
この新しい無線技術世代は2030年代初頭に本格導入されると予想され、経済と社会に大きな影響を与えるでしょう。しかし、初期コストの高さ、スペクトラムの制限、標準化の課題といった障壁を先に克服する必要があります。
本稿で取り上げたような研究は、この技術を実現する上で重要な役割を果たします。研究は、6Gの将来の能力に不可欠なテラヘルツ（THz）周波数通信を可能にするためのグラフェンの価値を示しています。したがって、研究が進み、政府がイニシアチブを導入し、企業が協力することで、第六世代の無線技術がよりつながりのある革新的な未来を約束する方向へと着実に前進しています。
研究参考文献：
1. Maleki, A., Heindl, M. B., Xin, Y., Boyd, R. W., Herink, G., & Ménard, J.-M. (2024). Strategies to enhance THz harmonic generation combining multilayered, gated, and metamaterial-based architectures. Light: Science & Applications, 15, Article 1657. https://www.nature.com/articles/s41377-024-01657-1
