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改良されたキュービットを実現できるか？

公開日 2024年11月13日

更新日 2026年5月31日

著者

Jonathan Schramm

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ダイヤモンドを量子コンピューティングに利用する

Contrary to normal computers using bits (0 & 1), quantum computers use “qubits”. Qubits can exist in multiple states simultaneously thanks to two quantum properties: 重ね合わせ and エンタングルメント.

重ね合わせは、キュービットが 0 と 1 の両方を同時に表すことを可能にし、古典的なビットに比べて処理できるデータ量を指数的に増加させます。
エンタングルメントは、キュービット同士を結びつけ、一方の状態が瞬時にもう一方に影響を与えるようにします。

これらの特性により、QPUs は複数の解を同時に探索することで、古典コンピュータよりもはるかに高速に高度に複雑な問題を解くことができます。

「キュービットの利点は、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、環境に関する情報も多く得られるため、例えばセンサーとして極めて価値があります。」

Alastair Stacey- PPPL のマネージング・プリンシパル研究物理学者兼量子材料・デバイス部門長。

しかし、キュービットは極めて壊れやすく、その特性を測定することは容易ではありません。

では、地球上で最も硬い材料の一つであるダイヤモンドに、最先端コンピュータのタスクを担わせたらどうでしょうか？これはプリンストン大学の研究者たちのビジョンで、最近『Diamond And Related Materials』に「Quantum chemistry model of surface reactions and kinetic model of diamond growth: Effects of CH₃ radicals and C₂H₂ molecules at low-temperatures CVD¹」というタイトルで掲載されました。

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「Methods for Color Center Preserving Hydrogen-Termination of Diamond²」という論文と合致します。

需要に応じたダイヤモンドの成長

Diamonds, historically only a natural stone, are mostly manufactured from raw carbon these days. However, this process requires very intense heat and pressure, so it cannot be combined with other materials like silicon used in computer chips. For this, low-temperature diamond manufacturing is needed.

すでにいくつかの方法が検討されており、例えばアセチレンを使用し「プラズマ強化化学蒸着（PECVD）」と呼ばれる技術が挙げられます。

出典: PPPL

この方法の問題は、微小なダイヤモンドは成長させられるものの、多量のすすも同時に堆積してしまい、ダイヤモンドの上に付着して光学部品やセンサー、チップの性能を阻害することです。これまで、なぜダイヤモンドではなくすすが生成されるのかは明らかではありませんでした。

ちょうど良い温度と水素

研究者らは、プロセスがダイヤモンドを生成する正確な温度が存在することを発見しました。この臨界温度以上では、アセチレンは主にダイヤモンド成長に寄与し、臨界温度以下では主にすすの生成に寄与します。

出典: Diamond And Related Materials

もう一つの要因は、ダイヤモンド表面近傍の水素原子の活性です。表面近くに水素が多いほど、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成長を直接促進するわけではありませんが、メタンをアセチレンに変換し、原子水素をダイヤモンド成長表面へ輸送するための水素解離（分解）は重要です。これらはどちらもダイヤモンド成長に不可欠です。」

Alexander Khrabry – プリンストン大学リサーチ・スカラー

これらの洞察は、高温で材料を損傷させたり不要なすすを生成したりすることなく、シリコン半導体内部に微小なダイヤモンドを確実に作り出す道を開きます。

量子ダイヤモンド

炭素だけで構成されたシンプルなダイヤモンドは光学やセンサーにいくつかの応用が考えられますが、より高度な形態のダイヤモンドはさらに有用です。

例えば、ダイヤモンドを構成する炭素原子の一部を窒素などの他の原子に置換し、さらに別の炭素原子を除去すると、いわゆる窒素空孔（NV）が形成されます。

このようなダイヤモンドでは、内部の電子が古典物理ではなく量子規則に従い始め、キュービットの構築に利用できる可能性があります。

「この材料中の電子は、重い粒子が従う古典物理の法則に従いません。むしろ、すべての電子と同様に量子物理の法則に従います。」

Alastair Stacey- PPPL のマネージング・プリンシパル研究物理学者兼量子材料・デバイス部門長。

ダイヤモンド調理法の完成

これまで、プラズマを用いてダイヤモンドを作る方法は非常に不正確で、多くの試行錯誤が必要でした。ダイヤモンド表面で正確に何が起こるかという理論が十分に解明されていなかったためです。

理想的には、プラズマを用いてダイヤモンド表面に単原子層の水素を付加することも可能です。しかし、量子ダイヤモンドの場合、高温は窒素空孔を破壊してしまいます。

そこで、研究者は（光ルミネッセンス分光法を用いた）精巧な分析システムを構築し、NV ダイヤモンド上に水素層を作成する最適な方法を評価しました。

出典: Advanced Materials Interface

彼らは、現在はそれぞれに欠点があるものの、2 つの新しい方法が使用可能であることを発見しました。

出典: Advanced Materials Interface

形成ガスアニールは、水素分子と窒素ガスの混合物を使用し、機能しましたが、酸素を含まない非常に純度の高い水素ガスが必要であり、低温での実現は困難です。
コールドプラズマ終端は、水素プラズマを間接的に使用し、NV センターを損傷せず実装が容易でしたが、ダイヤモンド上の水素層の品質が低くなりました。

「これは、将来の応用でバランスを取らなければならない表面品質と NV 特性のトレードオフを浮き彫りにしています。例えば、バイオ分子センシングプロジェクトでは、NV を表面近くに保持することが絶対に重要です。」

Daniel McCloskey – メルボルン大学研究者。

全体として、これらの発見は、これまで困難または不可能だったダイヤモンドの新たな応用への道を開きます：

シリコン半導体上への直接生産により、ダイヤモンドを回路、センサー、トランジスタに直接統合すること。
量子ダイヤモンドを機能的なキュービットとして製造し、ダイヤモンド表面に微調整された水素層を含めること。

新しい量子コンピュータ

量子コンピュータはこれまで、半導体産業で使用される従来の製造手法に基づく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素材の方が適していると考えられます。

例えばダイヤモンドを用いることで、将来的に室温で量子コンピューティングが可能となり、コストを大幅に削減すると同時に、より大規模な量子コンピュータの実現にも寄与します。

「50 以上のキュービットを持つ量子シミュレータと室温量子コンピュータを作ることで、100 や 1000 といったさらに多くのキュービットへのスケールアップが可能になり、暗号学、AI、材料科学などの分野に革命をもたらすでしょう。

この能力により、科学者は命を救う薬をより速く発見し、難しい最適化問題を解決し、エネルギー節約技術をより効率的に開発できるようになります。

Martin Koppenhöfer – SPINUS プロジェクトコーディネーター

ダイヤモンドに加えて、例えば窒化アルミニウム製の圧電ナノ機械共振体などの新しい革新的素材も、量子センサーや量子トランスデューサとして利用できる可能性があります。

全体として、先進的な新素材はシリコンの堅実な代替となり、量子コンピューティングの可能性を今日予想できる以上に大きく前進させるでしょう。

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、これまでシリコン革命を牽引してきた大手コンピューティング企業の関心をすでに集めています。

それは永遠にニッチな応用に限定され、私たちのコンピュータで広く使われることはないかもしれませんが、物理学、生命科学、材料科学、暗号学、軍事応用のモデリングにおいては重要な役割を果たす可能性があります。

多くのブローカーを通じて量子コンピューティング企業に投資できます。こちら securities.io では、米国、カナダ、オーストラリア、英国、およびその他多数の国々における最適なブローカーの推奨リストをご覧いただけます。

特定の企業を選びたくない場合は、ProShares ナノテクノロジーETF (TINY) や WisdomTree クラウドコンピューティングファンド (WCLD) などのETFも検討できます。これらは量子コンピューティングやナノテク株への分散投資を提供します。

あるいは、当社の「トップ10ナノテクノロジー株」および「ベスト5量子コンピューティング企業」のリストをご覧ください。

量子コンピューティング企業

IBM 価格チャート

International Business Machines Corporation (IBM ) （IBM）は、最初のメインフレームコンピュータの商業化を牽引した主要企業でした。

しかし、最近では Apple (AAPL )、TSMC (TSM )、NVIDIA (NVDA ) など他の大手テック企業に生産量で遅れを取っています。

それでも、量子コンピュータの開発の最前線にあります。例えば、127 キュービットの「Eagle」量子コンピュータを開発し、その後 433 キュービットの「Osprey」システムを発表しました。

そして現在、「Condor」(1,121 超伝導キュービット量子プロセッサ) が続いており、クロスレゾナンスゲート技術に基づき、さらに最先端の「Heron」量子プロセッサもあります。

量子コンピュータは磁気制御の向上により、キュービットの安定性と信頼性が高まり、処理能力に不可欠な要素が強化されます。

同様に、制御された磁場に依存する超伝導体の進歩は、特に高温でのエネルギー伝送と冷却システムの効率化につながります。

IBM は、コンピューティングや半導体産業における他の最先端イノベーションの多くにも関与しています。これらには導電性有機材料、ニューロモルフィックコンピューティング、フォトニクスなどが含まれます。

ある程度、IBM は新しい計算手法の開発とそれらのライセンス供与に長けた「特許会社」になっています。

これまでのところ、シリコン以外の計算手法に関する重要特許をできるだけ多く保有しようと非常に意欲的であり、半導体産業を現在の巨大企業へと成長させた過去の成功を再現しようとしています。

研究参考：

^{1. Barsukov, Y., Kaganovich, I. D., Mokrov, M., & Khrabry, A. (2024). 表面反応とダイヤモンド成長の動力学モデルの量子化学的モデル: 低温CVDにおけるCH₃ラジカルとC₂H₂分子の影響. Diamond and Related Materials, 149, 111577. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2024.111577}

^{2. McCloskey, D. J., Stacey, A., de Leon, N. P., & Kaganovich, I. D. (2024). Methods for Color Center Preserving Hydrogen-Termination of Diamond. Advanced Materials Interfaces, 11(24), 202400242. https://doi.org/10.1002/admi.202400242}