コンピューティング
ペロブスカイトは光子コンピューティングの鍵になる可能性があるか？
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太陽エネルギーから光子技術へ
ペロブスカイトは、太陽エネルギーへの可能性が注目されている新しいタイプの材料です。半導体結晶は、従来のシリコンベースの太陽電池パネルよりも光を電気に変換する能力がさらに高い可能性があります。
出典: iRocks
これは太陽電池技術を改善する一つの可能性であり、私たちが「The Solar Age—A Bright Future To Mankind」で取り上げました。現在、ペロブスカイトは別の分野、すなわちコンピューティングにおいてシリコンと競合できる可能性があるようです。
従来のシリコンプロセッサがますます小型化する中、業界は計算を別の方法で実行する手段を模索しています。その一つとして検討されているのが光子技術で、電気ではなく光がデータの搬送手段となります。この方法により、計算は光速で行われ、従来の電子計算に比べて必要なトランジスタ数を削減できます。
これを実現するために、光子コンピューティングシステムを構築する提案手法には、シリコンのレーザー駆動ナノスケール操作と、光から音への変換システムの改善が含まれます。
光子技術の大半は当初、シリコンベースのソリューションに焦点が当てられてきました。これは、チップ製造業界が最もよく理解している材料だからです。
それでも、光と電気を同時に扱えることで知られるペロブスカイトは、光子コンピューティングの優れた基盤となり得ると考えられます。
ペロブスカイト結晶を自在に形作る
これは、ワルシャワ大学物理学部の研究者らが、ポーランド、イタリア、アイスランド、オーストラリアの他機関と協力して取った考え方です。ペロブスカイトベースの光子技術のさらなる進展への道を開くため、彼らはペロブスカイト結晶を正確に「切断」する方法を開発しました。その手法は「Predesigned perovskite crystal waveguides for room-temperature exciton–polariton condensation and edge lasing」という記事で詳述されています。
彼らが使用した材料は CsPbBr3（セシウム・鉛・臭素）というペロブスカイトです。非線形光増幅に必要なエネルギーが低いため、光学応用に大きな可能性があります。つまり、この材料は極めて少ないエネルギーで光を増幅・変調でき、光子技術が電子技術に対して持つ主要な利点の一つです。
彼らの手法により、CsPbBr3 結晶を単純な角から滑らかな曲線まで、任意の形状に形成できました。結晶学では通常非常に困難とされることです。
さらに、これらの結晶は任意の基板上で製造可能で、既存の光子デバイスと互換性があります。そのため、革新的でありながら、実用化のために全く新しい光子技術分野を開発する必要はありません。
彼らの手法
研究者がペロブスカイト結晶を成長させる際に用いた多くの手法は、半導体業界で知られる方法から派生しています。例えば、溶液濃度と成長温度を厳密に制御し、飽和溶媒蒸気の雰囲気を保ちます。
その後、電子ビームリソグラフィーとプラズマエッチングで作製した、ほぼ原子レベルで平滑なガリウムヒ素（GaAs）テンプレートを使用しました。ガリウムヒ素は、特にLED光源の製造に使用されることで知られる材料です。
マイクロ流体技術を用いて、テンプレートから任意の形状に転写できる狭いポリマーモールド内で結晶を成長させました。
光子ペロブスカイトは何ができるか？
光のパワー制御
これらの結晶は強い非線形光学効果も示しました。非線形光学により、光ビームの色や形状を空間・時間的に変化させ、人類が作り出した最短のイベントを生成できます。これらの現象は光子計算に非常に有用です。
量子効果
ペロブスカイト結晶から放出される光は、ボース＝アインシュタイン凝縮という非常に特殊な物質状態によって生成されます。
これは固体、気体、液体、プラズマに続く第5の物質状態で、多くの原子が通常の物質とは異なり波として振る舞います。その結果、通常は亜原子粒子に限られるような振る舞いが多数の原子で観測でき、量子効果がほぼ巨視的なスケールで可視化されます。
ペロブスカイト結晶のこの状態は、エキシトン・ポラリトン凝縮という、ボース＝アインシュタイン凝縮の特定のサブタイプを生成しました。
ペロブスカイト構造の独自の特性により、凝縮体は結晶内部を長距離にわたって移動でき、放出された光は空気隙間を通って隣接構造へ伝搬できます。
Dr. Helgi Sigurðsson – Faculty of Physics University of Warsaw
このようなボース＝アインシュタイン凝縮体を自由に生成・操作できることで、科学者は光を非常に精密に放出・散乱させることが可能になります。
これは、信頼性が高く高性能な光子チップの開発に大いに役立つでしょう。
より良い予測のためのシミュレーション
研究論文では、複雑な計算のおかげで、複雑形状の3次元構造とそれが光子モードに与える影響をシミュレートし、像の形成過程を示すことができたと説明しています。
“この発見により、古典的および量子コンピューティングタスクの両方を処理できるコンパクトな「オンチップ」システムへの応用が可能になります。
私たちは、この発見が単一光子レベルで動作し、ナノレーザーと導波路やその他の要素を単一チップ上に統合した将来のデバイスへの扉を開くと予測しています。”
Prof. Michał Matuszewski – Center for Theoretical Physics of the Polish Academy of Sciences
したがって、将来的な研究では、電気信号を用いずに光子技術やデータ伝送に有用な光学効果を予測できるようになるでしょう。
将来の応用
光子量子コンピュータ
ペロブスカイトに関するこれらの発見を利用する主な利点の一つは、これらの結晶が常温で使用できることです。
これは非常に重要です。通常、ボース＝アインシュタイン凝縮の効果は絶対零度にわずかに上がった温度でしか観測できず、したがって「通常」のコンピューティングにおいては実用性が大きく低下します。
これにより、量子コンピューティングと光子技術の境界が融合し、将来的には両者を同時に利用するコンピュータシステムが実現する可能性があります。
これには、非線形光子技術を導波路、カップラー、スプリッター、変調器として利用する非常に高度な概念が含まれます。
シリコン‑ペロブスカイト コンピューティング
これらの新しい微調整されたペロブスカイト結晶のもう一つの特長は、シリコンおよびガリウムヒ素基板との互換性です。そのため、既存のシリコンや他の材料の半導体技術と容易に組み合わせることができます。
これにより、現在のコンピューティング技術と光子技術の採用との間のギャップが大幅に縮小され、光子技術はまず限定的な用途向けに開発・採用され、全く新しい並列技術セットを最初に構築する必要がなくなります。
ペロブスカイトと光子技術への投資
太陽エネルギーとコンピューティングにおける既存の応用のおかげで、ペロブスカイトと光子技術はすでに投資対象となっています。たとえそれらが材料科学やコンピューティング革新の最前線にあってもです。
多くのブローカーを通じて光子企業に投資でき、こちら securities.io で、米国、カナダ、オーストラリア、英国、そして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。
特定の光子企業を選びたくない場合は、Global X Cloud Computing ETF（CLOU）、Defiance Quantum ETF（QTUM）、または ProShares Nanotechnology ETF（TINY）などのETFを検討できます。これらは光子産業への投資をより分散させた形で提供します。
また、当社の「Top 10 Non-Silicon Computing Companies」に関する記事もご覧ください。
光子企業
1. JABIL
JBL 価格チャート
2023 年末、インテルは光子事業を半導体製造会社の Jabil（JBL）に売却することを決定しました。
正確には、インテルのシリコン光子トランシーバー技術を取得し、光信号とシリコン上の電子信号とのギャップを埋めることができます。
“インテルのモジュールは大規模データセンターのイーサネットスイッチ接続に使用されていますが、帯域幅需要の増加に伴い、同社はシリコン光子技術をスイッチ ASIC と同梱することで、将来のデータセンターネットワークを拡張するために必要な帯域密度を提供できると見込んでいます。
Jabil は、人工知能によって駆動される電力と冷却に関する増大する要件に対応するため、顧客がデータセンターに革新的技術を組み込む際に非常に有利な立場にあります。”
Matt Crowley, Jabil’s senior VP of cloud and enterprise infrastructure
これにより、同社の光子部門に追加の知的財産がもたらされ、すでに光子ベースの技術を商業化しています：
- ファイバー接続ソリューション：アクティブアラインメント、パッシブアラインメント、シングルファイバー、ファイバーアレイ。
- 組立ソリューション：ピック＆プレース、ダイボンド、ワイヤーボンド、フリップチップ、リフロー。
- エポキシの適用と管理：選択、特性評価、ディスペンシング。
- エンカプセル化ソリューション：ゴールドボックス、ダムアンドフィル、グロブトップ。
- フリー空間光学：レンズ／レンズアレイ、ビームシェイパー、スプリッター、ディフューザー、導波路。
Jabil は多様化した事業を展開しており、自動車メーカー、ヘルスケア・パッケージング、産業企業、5G 無線などから数十億ドルの収益を上げています。2024 年の総収益は 275 億ドルです。
同社は、光アレイ用のスプリッターやシェイパーなどの製造に既に関与しているため、より優れた光子技術から大きな恩恵を受ける可能性があります。
インテルの知的財産は、シリコンとペロブスカイト結晶が放出する光とのギャップを埋めるのにも役立つでしょう。
AI アプリケーション向けにチップ間接続の需要が高まる中、これは光子技術の最初の大きなブレークスルーとなり、（依然として）シリコンベースのコンピューティングと光子ベースの光ネットワークを接続する役割を果たす可能性があります。
2. II-VI Marlow / Coherent
COHR 価格チャート
Coherent は 26,000 人以上の従業員を擁する大手産業コングロマリットで、先進材料企業 II-VI (COHR ) Marlow とレーザー製造会社 Coherent の合併により、レーザー技術のリーダーとなっています。
同社は、インジウムリン化物、エピタキシャルウェハー、ガリウムヒ素など、レーザー、光学、光子技術に使用される先進材料の専門家です。
過去10年間にわたる多数の買収により大きく成長しました。
出典: Coherent
同社の収益の 29% はレーザーから得られ、残りは光ファイバー、エレクトロニクス、計測機器などの関連機器から得られています。
出典: Coherent
同社が熱光起電力（以前の記事で取り上げた）やシリコンカーバイド、レーザー、エレクトロニクスといった先進材料に関与していることは、精密製造、付加製造（3Dプリンティング）、電化、再生可能エネルギーの成長といった構造的トレンドから恩恵を受ける要因となっています。
(INTC )同社は最近、シリコンカーバイド事業を新たな企業に分離しました。この新会社は Coherent が 75% を所有し、残りはパートナーの三菱電機（シリコンカーバイド電力 IP を提供）とデンソー（電動化およびパワー半導体の自動車サプライヤーとしての活動を提供）が同等に所有しています。
