コンピューティング

ダイヤモンドは量子コンピューティングのための改良された量子ビットを実現できるか？

掲載 2024 年 11 月 13 日

更新中 2025 年 1 月 21 日

ジョナサン・シュラム

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量子コンピューティングにダイヤモンドを使用する

ビット (0 と 1) を使用する通常のコンピューターとは異なり、量子コンピューターは「量子ビット」を使用します。量子ビットは、XNUMX つの量子特性により、同時に複数の状態に存在できます。重畳の三脚とエンタングルメント.

重ね合わせ 量子ビットは 0 と 1 の両方を同時に表現できるため、従来のビットに比べて処理できるデータが指数関数的に増加します。
絡み合い 量子ビットをリンクすることで、ある量子ビットの状態が、たとえ遠く離れていても、他の量子ビットに瞬時に影響を与えることができます。

これらの特性により、QPUは非常に複雑な問題を解決することができる。複数のソリューションを同時に探索することで、従来のコンピューターよりもはるかに高速になります。

「量子ビットの利点は、通常のビットよりもはるかに多くの情報を保持できることです。つまり、量子ビットは環境に関するより多くの情報も提供できるため、たとえばセンサーとして非常に価値のあるものになります。」

アラステア・ステイシー - PPPL の主席研究物理学者兼量子材料およびデバイスの責任者。

しかし、量子ビットは非常に壊れやすく、その特性を測定するのは簡単な作業ではありません。

では、地球上で最も硬い素材の一つであるダイヤモンドを、最先端のコンピューターのタスクに活用したらどうなるでしょうか。これは、プリンストン大学の研究者が最近「Diamond And Related Materials」誌に発表した「表面反応の量子化学モデルとダイヤモンド成長の運動モデル：低温CVDにおけるCH3ラジカルとC2H2分子の影響¹"。

これは、メルボルン大学とプリンストン大学の他の研究者による「ダイヤモンドの色中心保存水素終端法²に設立された地域オフィスに加えて、さらにローカルカスタマーサポートを提供できるようになります。」

需要に応じてダイヤモンドを栽培

ダイヤモンドは歴史的には天然石に過ぎませんでしたが、現在では主に炭素原料から製造されています。しかし、このプロセスには非常に強い熱と圧力が必要なため、コンピューターチップに使用されるシリコンなどの他の材料と組み合わせることはできません。このため、低温でのダイヤモンド製造が必要です。

アセチレンの使用や「プラズマ強化化学蒸着法」と呼ばれる技術など、いくつかの方法はすでに研究されています。

出典： PPPL

この方法の問題点は、微細なダイヤモンドを成長させることができる一方で、大量の煤も堆積し、それがダイヤモンドの上に成長して、光学部品、センサー、チップの性能を低下させる可能性があることだ。これまで、ダイヤモンドの代わりに煤が形成される理由は明らかではなかった。

ゴルディロックス温度と水素

研究者たちは、このプロセスでダイヤモンドが生成される正確な温度があることを発見しました。この臨界温度を超えると、アセチレンは主にダイヤモンドの成長に寄与します。この臨界温度を下回ると、アセチレンは主にススの成長に寄与します。

出典: ダイヤモンドおよび関連資料

もう一つの要因は、ダイヤモンドの表面近くの水素原子の活動です。表面近くの水素が多いほど、低温でもより多くのダイヤモンドが形成されます。

「水素原子はダイヤモンドの成長に直接寄与するわけではありませんが、水素の解離、つまり分解は、メタンをアセチレンに変換し、原子状水素をダイヤモンドの成長表面に輸送するために不可欠です。これらは両方ともダイヤモンドの成長にとって重要です。」

アレクサンダー・クラブリー – プリンストン大学研究員

ダイヤモンド形成に関するこれらの知見を組み合わせることで、高温で材料の残りの部分を損傷したり、望ましくない煤を発生させたりすることなく、シリコン半導体内部に直接、微細なダイヤモンドを確実に生成する道が開かれます。

量子ダイヤモンド

炭素のみで作られた単純なダイヤモンドは、光学やセンサーに応用できる可能性があります。しかし、より高度な形態のダイヤモンドはさらに有用になる可能性があります。

たとえば、量子ダイヤモンドは、ダイヤモンドを形成する炭素原子の一部が窒素などの他の原子に置き換えられ、他の炭素原子の一部が除去されたときに生成されます。これにより、いわゆる窒素空孔 (NV) が生成されます。

このようなダイヤモンドでは、内部の電子は古典物理学ではなく量子の法則に従い始め、これを利用して量子ビットを構築することができます。

「この物質内の電子は、より重い粒子のように古典物理学の法則に従って動作しません。代わりに、すべての電子と同様に、量子物理学の法則に従って動作します。」

アラステア・ステイシー - PPPL の主席研究物理学者兼量子材料およびデバイスの責任者。

ダイヤモンドクックブックの完成

これまで、プラズマを使ってダイヤモンドを作る方法は、正確とは程遠いものでした。ダイヤモンドの表面で何が起こるのかという理論が十分に理解されていないため、試行錯誤を繰り返してきました。

理想的には、プラズマを使用してダイヤモンドの上に水素の単原子層を追加することもできます。しかし、量子ダイヤモンドの場合、高温により窒素空孔が破壊されます。

そこで研究者たちは、NV ダイヤモンド上に水素層を作るのに何が最も効果的かを判断するために、（発光分光法を使用した）精巧な分析システムを構築しました。

出典：先端材料インターフェース

彼らは、今のところそれぞれに欠点はあるものの、2 つの新しい方法を使用できることを発見しました。

出典：先端材料インターフェース

フォーミングガスアニール水素分子と窒素ガスの混合物を使用する方法は機能したが、酸素を含まない非常に純粋な水素ガスが必要であり、低温でこれを実現するのは困難であった。
冷プラズマ終結は、水素プラズマを間接的に使用しており、NV 中心に損傷を与えず、実装も容易でしたが、ダイヤモンド上に生成される水素層の品質は低下しました。

「これは、将来のアプリケーションでバランスを取る必要がある表面品質とNV特性のトレードオフを浮き彫りにしています。たとえば、生体分子センシングプロジェクトでは、NVを表面近くで維持することが絶対に重要です。」

ダニエル・マクロスキー – rメルボルン大学の研究者。

全体として、これらの発見は、これまで困難または不可能であったダイヤモンドのいくつかの新たな用途への道を開きます。

シリコン半導体上に直接生産し、ダイヤモンドを回路、センサー、トランジスタに直接統合します。
ダイヤモンドの表面に細かく調整された水素層を含む、機能的な量子ビットへの量子ダイヤモンドの生成。

新しい量子コンピュータ

量子コンピューターはこれまで、半導体業界で使用されている従来の製造手法から派生した既知の方法で構築されてきました。しかし、量子技術は通常のコンピューティングとは大きく異なるため、従来のシリコンよりも新しい素材の方が適している可能性が高いのは当然です。

これにはダイヤモンドも含まれ、将来的には室温で量子コンピューティングを実行できるようになる。これはコストを大幅に削減するだけでなく、より大型の量子コンピューターの作成にも役立つだろう。

「50 以上の量子ビットを備えた量子シミュレーターと室温量子コンピューターを作成することで、100 や 1000 といったより多くの量子ビットに拡張する道が開かれ、暗号化、AI、材料科学などの分野に革命をもたらすことになるでしょう。」

この機能により、科学者は命を救う薬をより早く発見したり、困難な最適化問題を解決したり、省エネ技術をより効率的に開発したりできるようになります。」

マルティン・コッペンヘーファー – プロジェクトコーディネーター SPINUSで

ダイヤモンド以外にも、例えば以下のような革新的な新素材があります。窒化アルミニウム製の圧電ナノメカニカル共振器は、量子センサーや量子トランスデューサーにも使用できます。

全体的に、先進的な新素材はシリコンの強力な代替品となり、量子コンピューティングの可能性を今日私たちが想像できるよりもはるかに押し上げるものとなる可能性が高い。

量子コンピューティングへの投資

量子コンピューティングはまだ始まったばかりですが、これまでのシリコン革命を推進してきたあらゆる大手コンピューティング企業の注目を集めています。

これは、コンピューター内で行われるニッチなアプリケーションに永遠に限定されるかもしれませんが、物理学、生物学、材料科学、暗号学、軍事アプリケーションのモデル化に役立つ可能性があります。

量子コンピューティング企業への投資は多くのブローカーを通じて行うことができ、ここで見つけることができます。証券.io、最高のブローカーの推奨事項アメリカ合衆国, Canada, Australia, 英国, 他の多くの国と同様に.

特定の企業を選ぶことに興味がない場合は、次のようなETFを検討することもできます。プロシェアーズナノテクノロジーETF（TINY）またはウィズダムツリークラウドコンピューティングファンド（WCLD）これにより、量子コンピューティングとナノテク関連株を活用するためのより多様なエクスポージャーが提供されます。

または、「ナノテクノロジー株トップ10」と「量子コンピューティングのベスト5企業」。

量子コンピューティング企業

(IBM )

インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション (IBM) は、最初のメインフレームコンピュータの商業化を主導した企業です。

しかし、最近ではアップルのような他のハイテク大手の生産量に遅れをとっている。 (AAPL )、TSMC (TSM )、NVIDIA (NVDA )

しかし、それは量子コンピューター開発の最前線にあります。たとえば、同社は 127 量子ビットの「イーグル」量子コンピューターを開発し、その後「オスプレイ」として知られる 433 量子ビットのシステムを開発しました。

そしてこれが今です続いて1,121個の超伝導量子ビット量子プロセッサ「Condor」クロスレゾナンスゲート技術と、この分野の最先端の量子プロセッサである「Heron」をベースにしています。

量子コンピューターは、処理能力に不可欠な量子ビットの安定性と信頼性を向上させる磁気制御の改善から恩恵を受ける可能性があります。

同様に、制御された磁場を利用する超伝導体の進歩は、特に高温下でのより効率的なエネルギー伝送および冷却システムにつながる可能性があります。

IBMは、コンピューティングと半導体業界における他の最先端のイノベーションのほとんどに関与しています。これには以下が含まれます。導電性有機材料, ニューロモルフィックコンピューティング, フォトニクス, etc.

IBM は、ある程度、新しいコンピューティング手法の開発とそれを業界にライセンス供与する専門知識を持つ「特許会社」になりました。

これまでのところ、同社は、半導体産業を今日のような巨大産業に発展させるのに大きく貢献した過去の成功を再現し、入手可能なすべての非シリコンコンピューティング方式で重要な特許をできるだけ多く取得することに強い決意を持っているようだ。

研究参考文献:

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, ID, Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). 表面反応の量子化学モデルとダイヤモンド成長の運動モデル: 低温CVDにおけるCH₃ラジカルとC₂H₂分子の影響。ダイヤモンドと関連材料、149、111577。 https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, DJ, Stacey, A., de Leon, NP, & Kaganovich, ID (2024). ダイヤモンドの色中心を保存する水素終端法。先端材料インターフェース、11（24）、202400242。 https://doi.org/10.1002/admi.202400242}