コンピューティング
量子エミッタと赤外線レーザーで次世代コンピュータを構築する
コンピュータの歴史は現代技術の歴史と密接に関わっています。すべては19世紀にさかのぼり、1801年にフランスの商人兼発明家であるマリー・ジャカードが、パンチカード式の木製カードを用いた織機を発明し、布のデザインを自動的に織り上げました。
しかし、その世紀で自動計算の最も重要な進歩は、イギリスの数学者チャールズ・バベッジが蒸気駆動の計算機を考案し、数表を計算できるようにしたときに起こりました。20世紀で最も画期的な発明は、1936年にイギリスの科学者・数学者アラン・チューリングが普遍的な機械、後にチューリング機械と呼ばれるものを導入したことです。科学者たちは、現代コンピュータの概念は本質的にアラン・チューリングの考えに基づいていると主張しています。
それ以来、進歩の連鎖が続いています。1939年にデビッド・パカードとビル・ヒューレットがヒューレット・パッカード社を設立し、1953年にグレース・ホッパーが最初のコンピュータ言語COBOLを開発、続いてジョン・バックウスとIBMのプログラマーたちが新たに作成したFORTRANプログラミング言語を論文で発表しました。
長年にわたってコンピューティング技術を豊かにしてきた発明の流れは、さまざまな側面に焦点を当てています。時には画期的な言語やソフトウェアの開発であり、またある時は重要なハードウェアです。そのような発明は今も続いており、次世代コンピュータの構築に貢献しています。真に「未来的」と言えるものです。
以下のセグメントでは、量子エミッタと赤外線レーザーに関わる2つの発明を見ていきます。
大きな突破口へ向けて: スケーラブルな量子コンピュータ
この成果は、ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー・ラボ）主導の研究チームによるものです。研究者らは、シリコンに水素をドーピングしてフェムト秒層を使用してキュービットを「生成」および「消滅」させることに成功したと主張しています。研究者は、この作業をオンデマンドかつ精密に実行できると強調しました。
しかし、研究の重要性を最大限に理解するには、キュービットが何であるか、そしてなぜ重要なのかを知る必要があります！
数十億のキュービットをつなげる必要性
量子コンピュータは、現在利用可能な最先端スーパーコンピュータの数百万倍の速度で問題を解く能力において画期的になる可能性があります。これらのマシンは、医療、製薬、人工知能などの分野で革命的な突破口をもたらす可能性があります。しかし、これらを実現するためには、業界はキュービット（量子ビット）を数十億個つなげる方法を考案しなければならず、最終的に高度に効率的な量子コンピュータネットワークの開発につながります。
研究は、プログラム可能な光学キュービットまたは「スピンフォトンキュービット」を使用して、遠隔ネットワーク上の量子ノードを接続できる方法を示しました。
研究の重要性と得られた結果を説明する中で、バークレー・ラボのアクセラレータ技術・応用物理（ATAP）部門のポストドクトラル研究員カウシャリャ・ジュリアは次のように述べました:
“スケーラブルな量子アーキテクチャまたはネットワークを構築するには、オンデマンドで、望ましい場所に確実に形成できるキュービットが必要です。そうすれば、キュービットが材料中のどこに位置しているかが分かります。だからこそ私たちのアプローチは重要です。特定のキュービットがどこにあるかが分かれば、そのキュービットをシステム内の他のコンポーネントと接続し、量子ネットワークを構築できるからです。”
しかし、研究はこの目的をどのように達成したのでしょうか？シリコン内でプログラム可能な制御でキュービットを形成することにより実現しています。
シリコンの「カラーセンター」と「スピンフォトンキュービット」の物語
DOEの科学局の支援を受け、研究はガス環境を使用してシリコンに「カラーセンター」と呼ばれるプログラム可能な欠陥を作り出しました。これらのカラーセンターは「スピンフォトンキュービット」または特殊な通信キュービットの候補です。
量子ビットは量子情報の基本単位です。この量子情報システムの最小構成要素は、1、0、またはそれらの間のすべてを表す重ね合わせ状態でデータを符号化します。一方、スピンフォトンキュービットは、電子スピンにエンコードされた情報を遠距離に運ぶことができる光子を放出します。
これらの特殊なキュービットを正確に形成するために、研究はフェムト秒オーダーのエネルギーパルスを放出できる超高速レーザーを使用しました—各パルスは1クアドリリオン分の秒（10⁻¹⁵秒）という極めて短い時間で、ほこり粒子ほどの大きさの領域に照射されます。
生成されたカラーセンターの光学（フォトルミネッセンス）信号を近赤外検出器でプローブし、特性評価を行った結果、量子エミッタであるCiセンターが見つかりました。Ciセンターは構造がシンプルでスピン特性が有望であり、常温でも安定しているため、テレコムまたは周波数帯で光子を放出するかなり有望なスピンフォトンキュービット候補です。ジュリアによれば:
「文献から、Ciはシリコンで形成できることは分かっていましたが、私たちのアプローチでこの新しいスピンフォトンキュービット候補を実際に作れるとは思いませんでした。」
興味深いことに、シリコンを水素環境下で処理する際にフェムト秒レーザーの強度を上げると、水素の移動性も高まります。これにより、望ましくないカラーセンターがパッシベートされ、シリコン格子は損傷を受けません。
理論的分析も実験観測を裏付け、Ciカラーセンターの明るさは水素存在下で大幅に強化できることを確認しました。ジュリアが説明するように、レーザーパルスは水素原子を除去するだけでなく、再び戻すことができ、「希望する光学キュービットを正確な位置にプログラム可能に形成できる」ようになります。
カラーセンターを安定的に作ることは単なる出発点です。現在、チームは異なるキュービット同士を通信させ、どれが最も性能が良いかを検証したいと考えています。
「シリコンのようなスケールで利用可能な材料で、プログラム可能な位置にキュービットを形成できる能力は、実用的な量子ネットワーキングとコンピューティングへのエキサイティングな一歩です。」
– カメロン・ゲデス、ATAP部門ディレクター
この技術は次に、波導などの量子デバイスに光学キュービットを組み込むことや、特定の応用向けに最適化された新たなスピンフォトンキュービット候補を見つけることに使用されます。
量子コンピューティングを実現する新たなアプローチ: 分子を用いた手法
量子コンピューティングの分野は年々大きな注目を集めており、研究者は実現に向けて新しい技術を常に探求しています。有機分子を操作することは、量子コンピューティングへの応用可能性が研究されている分野です。
TUグラーツのチームは、赤外線光パルスを用いて分子を刺激し、小さな磁場を生成する方法を調査しました。この技術が実験で成功裏にさらに発展すれば、量子コンピュータ回路にも利用できる可能性があります。
これは、赤外線光の選択的操作が磁場の方向と強さを制御できるようにするためです。この手法により、分子は高精度の光スイッチに変わり、量子コンピュータの回路構築にも利用できると、TUグラーツの実験物理学研究所のアンドレアス・ハウザーは述べています。
While interactions between molecular vibrations and spin magnetism are well-documented in microwave spectroscopy, this study proposes methods to actively excite molecular vibrations that generate a magnetic field at targeted locations.
赤外線レーザーで分子を刺激し磁場を形成する
赤外線光で照射されると、分子はエネルギー供給により振動し始めます。この現象を出発点として、物理学者はこれらの振動が実際に磁場を生成できるかどうかを調査し始めました。
計算のために、ハウザーとチームは金属フタロシアニンを例に使用しました。チームは、これらの環状芳香族平面染料分子が高い対称性を持つため、赤外線パルスに曝露されるとナノメートル範囲（< 1 nm）の微小磁場を生成することを発見しました。これに基づき、核磁気共鳴分光法を用いて低いが正確に局在した磁場の強さを測定できるはずです。
レーザー分光法の初期研究に加えて、チームはスーパーコンピュータ上で最新の電子構造理論を用いて、円偏光赤外光による光照射時のマクロ環状フタロシアニン分子の挙動を計算しました。
チームは、円偏光光波が互いに直交する二つの分子振動を同時に励起することを発見しました。 この現象をルンバ技術に例えて、ハウザーは次のように説明しました:
「前後と左右の適切な組み合わせが小さな閉じたループを作り出します。この各影響を受けた原子核の円運動が磁場を生成しますが、非常に局所的で、数ナノメートルの範囲に限られます。」
しかし、これはすべて理論的なものです。チームは現在、実験的に分子磁場が制御された方法で生成できることを証明し、実際に利用できるようにする作業に取り組んでいます。
実験のためには、対象プロセスと最小限に相互作用する基板を特定する必要があります。今後の応用では、フタロシアニン分子を表面に配置する必要があるためです。しかし、これを行うと物理条件が変化し、光による励起と磁場特性に影響を与えます。
したがって、実験で本当にテストする前に、チームはまず、堆積したフタロシアニン、赤外線光、支持材料間の相互作用を計算しなければなりません。実験が磁気遮蔽定数の予測変化を確認すれば、研究者はそれを振動的に生成された磁場の初測定、分子内部解像度での測定と見なすことができます。
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量子コンピューティング分野を前進させる企業
Microsoft、Intel、D-Wave など、量子コンピューティングの進展に取り組んでいる企業は多数あります。IBM は長年にわたり量子コンピューティングに注力している有名な企業です。最近、IBM は日本の産業技術総合研究所（AIST）と提携し、今十年が終わる前に10,000キュービットを含む量子コンピュータの製造を支援する計画です。したがって、これらの開発の中で、業界の他の重要な企業を詳しく見てみましょう:
#1. Google
このテックジャイアントは過去数年にわたり量子コンピュータの構築に多大な努力を注いできました。2019年に、Google は量子コンピュータが従来のスーパーコンピュータでは不可能なアルゴリズムを実行できることを初めて実証しました。
昨年、Google の Sycamore 量子プロセッサは 70 キュービットを搭載して発表され、前バージョンの 53 キュービットから大幅に進化しました。これにより、前モデルより約 2.41億倍高速かつ堅牢になっています。Google の新しい量子コンピュータは、磁石の挙動を詳細にシミュレートし、磁性に関する深い理解を助けることができます。
量子コンピューティングに関して、Google はハードウェアとソフトウェアコンポーネントのシームレスな統合を含むフルスタックアプローチを採用しています。同社は現在、量子アルゴリズム分野を推進するため、3 年間、5,000 万ドル規模のグローバルコンテスト「XPRIZE Quantum Applications」を実施しています。
(GOOGL )
時価総額 2.2 兆ドルの Google 株は 177.08 ドルで取引され、年初来で 26.88% 上昇しています。EPS（TTM）は 6.52、P/E（TTM）は 27.18、配当利回りは 0.45% です。2024年第1四半期の売上高は 805 億ドルで、前年同期比 15% 増、営業利益率は 32% に拡大しました。
#2. Dell
このテクノロジー企業も量子コンピューティングで具体的なステップを踏み始めました。最近、Dell は IonQ と共同でハイブリッド古典/量子プラットフォームを導入しました。また、Aramco と協力し、量子コンピューティング、AI、エッジコンピューティングの進展を探求すると発表しました。Aramco と Dell は、エネルギー最適化、天候モデリング、材料科学、予知保全といった分野の複雑な課題に量子コンピューティングで取り組むことを目指しています。
Dell Technologies Ireland のマネージングディレクター、キャサリン・ドイルによれば、量子コンピューティングは「近い将来に AI と密接に結びつく」ことで AI の進歩にも貢献すると述べています。
(DELL )
時価総額 100.74 億ドルの Dell 株は現在 144.50 ドルで取引され、年初来で 85.66% 上昇しています。EPS（TTM）は 4.36、P/E（TTM）は 32.55、配当利回りは 1.25% です。2024年第1四半期の売上高は 222 億ドル、純利益は 6,000 万ドルでした。
結論
量子コンピューティングは研究者、組織、政府にとって関心が高まっている分野です。その高速性、セキュリティ向上、効率性、正確なシミュレーション、分析の改善という特性により、注目と研究投資が増加し、ついに量子コンピューティングが現実となり、さまざまなセクターで応用される日が来るかもしれません。
