新しいメタサーフェスがスケーラブルな量子光源を実現

量子光の課題解決

Quantum computing holds many promises, from solving otherwise impossible-to-compute calculations, potentially even breaking all existing forms of encryption along the way, to creating ultra-efficient computers from an energy consumption point of view.

もし量子コンピュータが十分に強力になれば、タンパク質の3次元構造の瞬時計算や材料科学、気候モデル、さらにはAIの訓練まで、医学を完全に革命的に変えることができるでしょう。

おそらく、量子チップと量子コンピュータ間の通信は、光の基本粒子であるフォトンを利用して行われるでしょう。

より正確には、エンタングルされたフォトンで、たとえ離れていても量子効果を通じて相互作用します。特に、通常の光ファイバーで少なくとも数十キロメートルにわたって量子データを伝送できることが証明されています。

しかし、エンタングルフォトンの生成は大きな課題であり、量子コンピュータを実用的な規模、信頼性、コストレベルにまでスケールさせる可能性を阻んでいます。

回避策も開発中で、例えば不完全な光源から単一フォトンを生成し、非線形光学と単一フォトンテレポーテーションを利用する方法があります。また、エルビウムを用いて光源の効率を向上させることも潜在的な選択肢です。

しかし最終的には、これらの解決策の多くは問題解決には複雑すぎる可能性があり、そこで新たに開発されたメタマテリアルが量子コンピュータの未来を変える可能性があります。このナノスケールの部品は、光に変換可能でスケーラブルかつ低デコヒーレンスな量子情報を転送でき、ハーバード大学の研究者によって開発され、権威あるレビュー『Science』¹に「Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference」というタイトルで掲載されました。

量子光源

量子コンピュータのサブコンポーネント間や異なる量子コンピュータ間でデータを転送するためには、量子データを保持する必要があります。これは通常、エンタングル粒子、特にフォトンの生成によって実現されます。

これらのエンタングル粒子は、たとえ大距離で分離していても互いの状態を再現します。

これまで、量子コンピューティングの研究者は主に「従来」のエンタングルフォトン生成方法を使用してきました。これは、拡張されたマイクロチップ上の導波路を通すか、レンズ、ミラー、ビームスプリッタで構成された大型装置を使用する方法です。

問題は、これらのシステムが大きすぎ、複雑で、量子ネットワークに必要な数にスケールさせるだけの十分な量を生産するのが困難であることです。

もう一つの問題は「デコヒーレンス」です。フォトン数、すなわち量子ビット数が増えると、数学的複雑性が高まります。

追加されるフォトンごとに多数の新たな干渉経路が生まれ、従来の設定ではビームスプリッタと出力ポートの数が急速に増加する必要があります。

量子メタサーフェス

メタマテリアル

メタマテリアルは、特定の材料の構造を変えることで、元の材料の特性とは異なる特性を付与します。

これは、ナノスケールで正確な形状、幾何学、サイズ、配向などの繰り返しパターンを作成することで最も一般的に実現されます。

規則的な微細構造を制御された方法で作成することで、基礎材料に比べて性能が向上します。これは、電磁的、音響的、構造的強度、熱的特性など、さまざまな特性によって影響を受けます。

出典: Science

これがハーバードの研究者が作り出したもので、新タイプのメタサーフェス、すなわちナノスケールの光操作パターンがエッチングされた平坦デバイスです。

“スケーラビリティ問題の解決に関して、私たちは大きな技術的優位性を導入しています。

現在、非常に安定かつ頑丈な単一のメタサーフェスに光学セットアップ全体をミニチュア化できます。

Kerolos M.A. Yousef – Graduate Student at Harvard

メタサーフェスがスケーラブルな量子光を可能にする仕組み

複雑な量子計算に必要な多数のフォトンの数学的複雑性は、グラフ理論と呼ばれる数学分野で扱うことができます。簡単に言えば、点と線を用いて接続や関係性を表現します。

出典: Science

グラフ理論は特定の量子コンピューティングや量子誤り訂正で使用されていますが、メタサーフェスの設計や動作の文脈ではまだ利用されていません。

グラフ理論により、研究者はフォトン同士の干渉を視覚的に把握し、実験での効果を予測できるようになりました。

新しいフォトンエンタングル装置

グラフ理論と商用半導体製造技術を用いて、研究者は「コンパクトなマルチポート干渉計」を作成しました。

彼らはグラフ理論を用いて、物理設計と生成される量子相関の両方を干渉計のナノ構造にエンコードしました。

“それはメタサーフェスの理解、設計、応用、特に量子光の生成と制御に関して新たな洞察を提供します。グラフアプローチにより、メタサーフェスの設計と光学的量子状態は同じコインの裏表のような関係になります。”

Neal Sinclair – Research at Harvard University

その後、超伝導ナノワイヤ検出器を使用してフォトンの挙動を測定し、性能をテストしました。

このアプローチが多くの利点を提供することが実証されました:

• 設計は精密なアラインメントを必要とせず、製造とセットアップが格段に容易です。
• 摂動に非常に強く、光損失が低いです。
• 製造がシンプルで、スケーラビリティが高く、コスト効果も優れています。

この研究は主に量子コンピューティングへの応用に焦点を当てていました。

しかしながら、量子センシングにも有用であり、基礎科学研究のための「ラボオンチップ」機能を提供する可能性があります。

「このアプローチに興奮しています。なぜなら、光学量子コンピュータとネットワークを効率的にスケールさせることができるからです――これは、超伝導体や原子など他のプラットフォームと比べて長らく最大の課題でした。」

Neal Sinclair – Research at Harvard University

量子コンピューティングへの投資

Honeywell / Quantinuum

Quantinuumは、Honeywell Quantum SolutionsとCambridge Quantumの合併の結果です。

Honeywellは依然として同社の多数株主（おそらく52％の所有）であり、$50億の評価額で資金調達ラウンドを実施した後です。創業者Ilyas Khanは約20％の株式を保有していると報じられています。他の株主にはJSR Corporation、三井、Amgen (AMGN ) 、IBM、JP Morganが含まれます。

Quantinuumの将来的なIPOは、より大規模な企業再編の一環として、最大200億ドルの価値があると見積もられています、そして2026年から2027年の間に実施される可能性があります。

量子コンピューティングはHoneywellの事業の中心ではなく、航空宇宙、オートメーション、特殊化学品・材料の製品が中心です。

しかしながら、これらの領域は量子コンピューティングから恩恵を受ける可能性があり、特に計算化学や量子サイバーセキュリティが、Honeywellに競合他社に対する優位性をもたらす可能性があります。

同社の現在の主力モデルはH2で、トラップイオン方式の56量子ビットチップで、2量子ビットゲートの忠実度は99.895％です。

次の3世代は、1000以上の量子ビットに向けてすでに計画されており、次回のリリースは2025年、2027年、2029年に予定されています。

出典: Quantinuum

最新バージョンであるApolloは、量子コンピューティングで無数の商業アプリケーションを実現できる画期的なものになるでしょう。

結論として、ハードウェアの成熟と量子誤り訂正（QEC）の進展を組み合わせることで、10年末までにApolloが見通せるようになり、完全にフォルトトレラントな量子優位マシンが実現します。これは、物理学、材料、化学などの科学的発見の時代を切り開く商業的転換点となります。

同社は、失敗しやすい量子ビットをできるだけ多く追加するのではなく、エラーが極めて少ない高品質な計算を追求し、いわゆる「フォルトトレラント量子コンピューティング」を実現しています。

このアプローチは同社によって「より良い量子ビット、より良い結果」と呼ばれ、同程度の量子ビット数で100〜1,000倍の信頼性向上を実現しています。

出典: Quantinuum

これは、国防企業Thales（HO.PA -0.96%）がすでにQuantinuumと協業していることや、国際銀行HSBC、JP Morganといった、緊急に必要とされる量子耐性暗号化に大きな違いをもたらす可能性があります。

Quantinuumは、医薬品、材料科学、化学、エネルギー、航空宇宙分野で利用可能な独自の量子計算化学ツールInQuantoも提供しています。

他の多くの量子コンピューティング企業と同様に、Quantinuumは「ハードウェア・アズ・ア・サービス」型のHeliosを提供しており、ユーザーはシステム運用の複雑さに直面せずに量子コンピューティングの恩恵を受けられます。

Quantinuumは2024年11月にドイツのInfineonとパートナーシップを締結し、ヨーロッパ最大の半導体メーカーである同社は統合フォトニクスと制御エレクトロニクス技術を持ち込み、次世代トラップイオン量子コンピュータの開発に貢献します。

統合フォトニクスが実用化に近づく中、このパートナーシップがQuantinuumの将来にとっていかに重要かが明らかになっています。現時点で、同社の次のステップは世界初のAI特化型フォトニクス量子チップをリリースすることのようです。

今後数か月で、Quantinuumは進行中の協業からの成果を共有し、生成AIにおける量子駆動の画期的な可能性を示すでしょう。

革新的なGen QAI機能は、薬物送達のための金属有機骨格（MOF）の利用を強化・加速し、より効率的で個別化された治療オプションへの道を開きます。詳細はHeliosのローンチ時に明らかにされます。

Quantinuum Announces Generative Quantum AI Breakthrough with Massive Commercial Potential

この出版物での発表は、QuantinuumでのAIと量子コンピューティングの連携が急速に進んでいることに関する一連のニュースの一部です。

さらなる継続的なユースケースは、同社の将来価値を大きく高め、結果としてHoneywellの持株価値と投資家が得られる潜在的利益も増大させる可能性があります。

(以下もご覧ください Honeywellのセンサー、航空宇宙部品、先端材料におけるコア事業とQuantinuumへの関与に関する完全レポート)

最新のHoneywell (HON) 株式ニュースと動向

参照研究

^{1. Kerolos M. A. Yousef, Marco D’Alessandro, Matthew Yeh, Neil Sinclair, Marko Loncar, and Federico Capasso. Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference. Science. 24 Jul 2025. Vol 389, Issue 6758 pp. 416-422. DOI: 10.1126/science.adw8404}