量子飛躍: 世界初のハイブリッド量子フォトニックチップ

投資が急増し、ブレークスルーが次々に生まれる中、量子技術はかつてないほど実現に近づいています。

マッキンゼーによれば、量子技術の3つの主要な柱は量子コンピューティング、量子通信、量子センシングであり、合わせて今後10年で世界全体で$97億の収益を生み出す可能性があります。

この技術は量子力学の原理を利用し、古典技術の能力を超える革新的な技術を創出します。

量子技術を開発する有望な方法の一つはフォトニクスです。これは、エンタングルメント配布のための光インターコネクトとの自然な互換性、常温でのデコヒーレンスに対する耐性、そしてチップ規模に縮小できる点に起因します。

フォトニクスは光（光子）の科学であり、さまざまな応用のために光の生成、検出、操作を扱います。

量子フォトニックシステムにおいて、シリコンフォトニクスは最もスケーラブルなプラットフォームを提供します。これは、すでに大規模にチップを製造している相補型金属酸化膜半導体（CMOS）マイクロエレクトロニクス業界で開発された半導体製造技術を用いて構築できます。

シリコンフォトニクスは、光の量子状態を生成・操作するために必要な膨大な数の物理的量子ビットを作成できるようになる可能性がありますが、実際にこれらのシリコン量子フォトニック統合回路を構築することは重大な課題を伴います。

課題は熱クロストーク、フリーキャリアおよび自己加熱による非線形性、そして温度やプロセスの変動に対する極端な感度の管理に関係しています。

シリコン量子フォトニックデバイスが適切に機能するためには、電子回路による継続的なモニタリングと制御が必要です。そのため、かさばるオフチップ電子回路が使用されてきましたが、これは問題の一部を解決するものの、チップ規模プラットフォームの多くの利点を放棄する結果にもなります。

シリコンフォトニクスを量子情報処理のプラットフォームとして最大限に活用するには、古典的な制御ボトルネックを解決しなければなりません。

そこで、学際的な研究チームは電子フォトニック量子システム・オン・チップを導入しました。これは商用の45nm CMOSマイクロエレクトロニクスファウンドリで製造されています。

これは、エレクトロニクス、フォトニクス、量子パワーを組み合わせた世界初のハイブリッドチップです。

CMOSの使用はこの研究をさらに称賛に値します。この半導体技術は現代エレクトロニクスの基盤です。Samsung、Sony、Intel (INTC )、TSMC などの企業が大量生産に利用しています。

一方、45nmプロセスは実績がありコスト効果も高いです。また、シリコン製造の広範なインフラストラクチャと互換性があります。

チームによれば、彼らの完全に統合されたモジュラー制御アプローチは「シリコン量子フォトニクスが将来の世代の量子情報システムに必要な大規模化を実現する道を切り開く」ものです。

学際的な協力が量子技術を現実に近づける

最新の研究は、量子技術における大きなブレークスルーを示すもので、UCバークレー、ボストン大学、ノースウェスタン大学の研究者によって実施されました。

この研究に必要とされた学際的な協力こそが、量子システムを実験室からスケーラブルなプラットフォームへ移行させるために必要なものです。エレクトロニクス、フォトニクス、量子測定の統合的な努力がなければ、これを成し遂げることはできませんでした。

– ノースウェスタン大学 電気・コンピュータ工学教授 Prem Kumar

この研究は米国国立科学財団の支援を受けました。Nature Electronics に掲載された本研究は、標準的な45nm半導体プロセスで製造された単一シリコンチップ上に量子光源と安定化エレクトロニクスを統合したシステムの詳細を示しています。

この組み合わせにより、チップは常に相関した光子対のストリームを生成でき、これがさまざまな量子応用の基盤となります。

各シリコンチップには「量子光ファクトリー」の配列があり、合計で12個の独立した量子光源がレーザー光で駆動されています。これらは光子対を生成するためにマイクロリング共振器にも依存しています。各光源のサイズは各方向で1ミリメートル未満です。

これは、複数の相互接続されたチップで構成されるより複雑な量子システムの開発と「量子光ファクトリー」チップの大量生産に向けた大きな一歩です。 According to senior study author Miloš Popović, who’s an associate professor of electrical and computer engineering at BU:

量子コンピューティング、通信、センシングは概念から現実へと数十年にわたる道のりにあります。これはその道の小さな一歩ですが、商用半導体ファウンドリで再現可能かつ制御可能な量子システムを構築できることを示す重要な一歩です。

現在、開発初期段階にある量子技術は、0または1の古典ビットを使用する従来のコンピュータとは異なり、量子ビット（キュービット）を利用しています。

これらのキュービットは同時に両方の状態の重ね合わせで存在でき、量子コンピュータは並列に計算を実行できるため、結果として大幅な高速化が実現します。ここで、重ね合わせとは量子系が同時に複数の状態に存在することを指します。

リアルタイム自己調整でスケーラビリティのコードを解く

現在、量子技術の応用方法は様々あり、その一つがフォトニクスです。ここでは、制御された光のストリーム、単一光子、またはエンタングルド光子対が機能実行に必要です。

これらの安定した量子光ストリームは、マイクロリング共振器や量子ドットなどのデバイスを用いて生成されます。

マイクロリング共振器は、チップ上で光の量子状態を生成できるよう精密に設計されたフォトニックデバイスです。シリコンフォトニクスにおいて不可欠な要素であり、ナノメートルスケールで光を非常に効率的に導く手段を提供します。これは光を円形にループさせ、目標波長（共振）に合わせることで実現します。

光子対の相関ストリームとして量子光を生成するため、マイクロリング共振器はチップ上の各量子光ファクトリーを駆動する入射レーザー光と同期させてチューニングする必要があります。また、生成プロセスの燃料としても使用されます。

しかしながら、共振器は温度や製造上の変動に非常に敏感です。これにより同期がずれ、安定した量子光の生成が妨げられることがあります。

共振器が同期から外れた際の光生成の乱れを防ぐため、チームはチップ上で量子光源を能動的に安定化する統合システムを構築しました。特に、相関光子対のストリームを生成する共振器です。これらの光源は各チップに存在し、並列に動作します。

最も興奮したのは、制御をチップ上に直接組み込んだことです――リアルタイムで量子プロセスを安定化させました。これはスケーラブルな量子システムへの重要なステップです。

– ノースウェスタン大学の博士課程学生 Anirudh Ramesh（量子測定を主導）

興味深いことに、マイクロリング共振器の極端な感度こそが量子光源の基盤であり、量子光ストリームが効率的かつ最小のチップ面積で生成できる理由です。しかし、温度のわずかな変化でも光子対生成プロセスに大きな影響を与える可能性があります。

この問題を克服するため、研究者はリアルタイム制御システムをチップ上に実装しました。各共振器内にフォトダイオードを特定の方法で統合し、入射レーザーとの整合性を監視しながら量子光生成を維持できるようにしました。

同時に、チップ上の小型ヒーターと制御ロジックがドリフトに応じて共振を継続的に調整します。そのため、条件が変動しても、この組み込みフィードバックループが量子光生成プロセスを維持し、デバイスが予測可能に動作します。

自己調整により、12個すべての共振器が大型の安定化装置を必要とせずに完全に同期して動作できます。これは量子システムのスケールアップに不可欠な要件であり、重要なポイントです。Boston University の博士課程学生でフォトニックデバイス設計を主導した Imbert Wang によれば：

我々の以前の研究に比べた主要な課題は、商用CMOSプラットフォームの厳しい制約内で、量子光学の要求を満たすようフォトニクス設計を推進することでした。これにより、エレクトロニクスと量子光学の共同設計が統合システムとして可能になりました。

このシステム全体は、BU、UCバークレー、GlobalFoundries、Ayar Labs の協力により開発された商用45nm CMOSチッププラットフォームで製造されました。スタートアップの Ayar Labs は光パルスを用いたチップ技術の開発に関与しており、AMD Ventures、Intel Capital、Nvidia (NVDA ) から合計1億5500万ドルのベンチャー資金を調達し、評価額は10億ドルで、これは「大量生産への土台を築く」ものです。

この製造プロセスは、AI とスーパーコンピューティング向けの高度な光インターコネクトを可能にし、現在ではスケーラブルなシリコンプラットフォーム上で複雑な量子フォトニックシステムを実現します。

「我々の目標は、複雑な量子フォトニックシステムが CMOS チップ内で完全に構築・安定化できることを示すことでした。そのためには、通常は連携しない領域間で緊密な調整が必要でした。」

– UCバークレーの博士課程学生 Daniel Kramnik（チップ設計、パッケージング、統合を主導）

チップが既存の技術に依存しているため、新たなセットアップを作成する必要がなく、結果としてスケーラブルな量子コンピューティングへの道が開かれます。

量子システムへの投資

量子技術の世界は急速に進展しており、年々現実に近づいています。ここで、International Business Machines は特に量子コンピューティング分野でリーダーの一つです。最近、IBM® と量子スタートアップの Pasqal の研究者がホワイトペーパーを発表し、量子アドバンテージの定義、主張の科学的検証方法、そしてそれを達成する手段を示しました。

International Business Machines (IBM )

今月、IBM Quantum は Moderna と協力し、量子シミュレーションを用いて mRNA 構造のモデリングを行いました。その際、IBM Quantum Heron プロセッサの 80 キュービットを使用し、”人間の健康を向上させる”ことを目的とした特殊なアルゴリズムを実行しました。

我々は、技術が将来完全に成熟するのを待つのではなく、今日の進展を拡大するために量子コンピューティングを含むあらゆる利用可能なツールを探求することが重要だと考えています。

– Moderna 量子アルゴリズム・応用部門 アソシエイトサイエンティフィックディレクター Alexey Galda

先月、IBM は世界初の大規模量子コンピュータを構築中で、2029 年に顧客に提供する予定であると大々的に発表しました。

IBM Starling と呼ばれるフォールトトレラント量子コンピュータは、既存の量子コンピュータの 20,000 倍の性能を持ち、”世界で最も強力なスーパーコンピュータのクインデシリオン（10^48）以上のメモリが必要になる” とされています。

同社のロードマップによれば、Starling の登場は複数のマイルストーンに続き、来年には「量子アドバンテージ」の初実証が行われ、量子コンピュータが実用的な計算アプリケーションで古典コンピュータを上回り始めます。

しかしそれ以前に、IBM Quantum Loon は今年後半に Nighthawk チップと共にデビューします。来年のいつかには、IBM Quantum Kookaburra がそれに続き、エンコード情報を保存・処理する同社初のモジュラープロセッサを搭載します。その翌年には、IBM Quantum Cockatoo が展開され、そのアーキテクチャは「量子チップを大規模システムのノードのように接続し、実用的でないほど大きなチップを構築する必要を回避する」ものです。

これらのリリースは最終的に10年が終わる前に Starling の立ち上げにつながります。このイノベーションは「200 論理キュービットを用いて 1 億回の量子操作を実行」することを目指しています。

Starling により、IBM は実世界の課題解決を目指しますが、これは量子技術がまだ達成していないことです。CEO の Arvind Krishna によれば、同社の量子コンピュータは “ビジネスに対する膨大な可能性を解き放つ” としています。

ロードマップによれば、IBM の量子コンピューティング目標は Starling を超えます。Blue Jay は第2世代のフォールトトレラント量子コンピューティング ISA で、2033 年以降に登場する見込みです。その時点で、コンピューティングプラットフォームは 10 億ゲートと 2,000 論理キュービットにスケールアップできる可能性があります。

時価総額 2620 億ドルの IBM（ハイブリッドクラウドと AI、コンサルティングの提供企業）の市場パフォーマンスについては、株価は現在 265 ドル超で、年初来で 28.29% 上昇しています。同社は配当利回り 2.38% を支払っています。

最近では、同社は 2025 年第2四半期の結果を報告し、売上高が 8% 増の 170 億ドル、営業活動による純現金が 61 億ドル、フリーキャッシュフローが 48 億ドルとなりました。

当四半期において、売上、利益、フリーキャッシュフローのすべてで再び予想を上回りました。IBM は深いイノベーションと領域専門知識により市場で高く差別化されており、これらは顧客が AI を導入・スケールする上で不可欠です。当社の生成 AI ビジネスは加速し続け、現在は 75 億ドルを超えています。

– CEO Krishna

最新の International Business Machines (IBM) 株式ニュースと開発

結論

量子技術は急速に進展し、概念からスケーラブルな産業へと移行しています。その原動力はハイブリッド量子・エレクトロニック・フォトニックチップのようなブレークスルーです。

量子光源、安定化エレクトロニクス、スケーラブルな製造を単一チップに統合することで、本研究は量子未来への最適な設計図を作成しました。また、量子フォトニックシステムが進展するにつれ、最新のハイブリッドチップは高度なセンシング、セキュア通信ネットワーク、量子コンピューティングなどの技術の基盤となる可能性があります。

IBM が大規模な量子プロセッサを構築していることから、次の10年は量子コンピューティングが実際のインパクトをもたらす転換点となる絶好の時期となるでしょう。

2025年のトップ量子コンピューティング企業リストはこちらをご覧ください。

参考文献：

1. Kramnik, D.; Wang, I.; Ramesh, A.; Ghorbani, M.; Patel, V.; Lin, Y.; Choi, H.; Liu, Q.; Das, R.; Jensen, T.; Nakamura, S.; Lee, J.; Bowers, J. E.; Faraon, A.; Englund, D.; Painter, O.; Vučković, J. CMOSチップ上の量子光源のスケーラブルなフィードバック安定化. Nature Electronics, 8, (2025). 2025年7月14日オンライン掲載. https://www.securities.io/nyse/ibm/
2. Lanes, O.; Beji, M.; Corcoles, A. D.; Dalyac, C.; Gambetta, J. M.; Henriet, L.; Javadi-Abhari, A.; Kandala, A.; Mezzacapo, A.; Porter, C.; Sheldon, S.; Watrous, J.; Zoufal, C.; Dauphin, A.; Peropadre, B. 量子アドバンテージのためのフレームワーク. arXiv preprint arXiv:2506.20658v2 [quant-ph] (2025). 2025年7月14日オンライン掲載. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01410-5