コンピューティング

ナノ機械共振器：圧電デバイスが量子コンピューティングにもたらす可能性

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センサーの小型化

技術の精密化に伴い、デバイスの小型化も進んでいます。半導体では、2nm世代の製造プロセスの開発に取り組むTSMCなどがその例です.

出典: TSMC

機械的に振動する部品でも小型化が進んでいます。ナノ機械共振器は、微小な力や質量などを測定するための重要な研究対象です。

高性能な機械共振器には、これまで窒化ケイ素などが広く使われてきました。スウェーデンのチャルマース工科大学とドイツのマクデブルク大学の研究者は、圧電性を備えた別の材料で高性能な共振器を実現しました。

研究チームは、窒化アルミニウムを用いた共振器で、高い機械的品質係数と圧電性を両立させました。研究成果はAdvanced Materials誌に「Nanomechanical Crystalline AlN Resonators with High-Quality Factors for Quantum Optoelectromechanics1」という題名で掲載されています。

ナノ機械共振器

共振器は、音叉のように特定の周波数で振動しやすい構造です。音叉の場合、その共振によって可聴域の音が生じます。

マイクロメートルやナノメートル規模の共振器は、微小な力や質量の変化に敏感です。振動周波数や損失は材料と構造に依存し、精密測定への応用が研究されています。

関連する研究には、単一陽子のスピンに由来する微小な力の検出や、小さな物体間の重力測定などがあります。ただし、今回の共振器でそれらすべてを実証したわけではありません。

共振器をより有用にする

引張応力を加えた窒化ケイ素は、高い機械的品質係数を持つ共振器の材料として知られています。一方、通常は圧電性を持たず電気を通しにくいため、電気信号との直接的な結合には工夫が必要です。

電気的な駆動や読み出しを行うために別の材料や構造を追加すると、機械的損失が増える場合があります。光を用いた方法などもありますが、目的に応じた設計が必要です。

そのため、追加材料による機能と共振性能を両立させることが課題になります。

今回の研究では、引張応力を持つ窒化アルミニウムを使用しました。圧電性を備えながら高い「機械的品質係数」（Qm）を達成しています。

研究チームは、品質係数が1,000万を超えたと報告しています。チャルマース工科大学のWitlef Wieczorek教授は、この材料が量子センサーや量子変換器の新たな基盤となる可能性を指摘しています。

圧電材料は、機械的な変形と電気的な信号を相互に結び付ける材料です。

圧電性を持つ結晶では、機械的な応力によって電気分極が変化します。通常の説明では、応力を加える前に対称性があり、その対称性を失って初めて電荷が生まれるわけではありません。結晶の対称性と構造が圧電応答に関係します。

窒化アルミニウムの圧電性は、共振器の電気的な駆動や読み出し、他の自由度との結合に利用できる可能性があります。実際の量子デバイスへの組み込みには、さらなる開発が必要です。

作製方法

研究者は、シリコン基板上に成長させた厚さ295nmの窒化アルミニウム薄膜を使いました。膜には約1GPaの引張応力が生じています。

中央の三角形パッドを支持構造で保持する「triangline」と呼ばれる設計も用いられました。

この構造では、品質係数と振動周波数の積が、室温で少なくとも1周期の量子コヒーレントな振動を可能にする目安を上回りました。これは室温で量子コンピューター全体が動作したことや、量子状態を無期限に保持できることを意味しません。

次のステップ

今後は、損失をさらに減らして品質係数を高めることや、圧電性を利用した駆動・読み出しを実用的な構造に組み込むことが課題です。試作共振器の性能と、完成した量子センサーや量子変換器の性能は区別する必要があります。

応用

量子技術では、量子ビットの状態を制御し、測定するための部品が必要です。重要な概念として、重ね合わせと量子もつれがあります。

  • 重ね合わせとは、量子ビットの状態を0と1に対応する状態の組み合わせで表せることです。測定すれば、通常は0か1のいずれかの結果が得られます。すべての候補解を一度に読み出せるという意味ではありません。
  • 量子もつれとは、複数の量子系を独立した状態だけでは表せず、測定結果に量子的な相関が生じることです。離れた量子ビットへ情報を超光速で送れるわけではありません。

これらの性質を利用する適切な量子アルゴリズムでは、特定の問題で古典計算より有利になる可能性があります。ただし、すべての計算が自動的に高速化するわけではありません。

量子状態は環境との相互作用に弱く、精密な制御と測定が必要です。圧電性と高い機械的品質係数を持つ共振器は、そのための部品として研究価値があります。

窒化アルミニウム共振器は量子処理や量子センシングを支える可能性がありますが、現在のCPUをそのまま置き換えるものではありません。量子処理装置については「量子処理装置（QPU）：コンピューティングの未来」と「量子コンピューティングの現状」で詳しく取り上げています。

ほかにも、低雑音や長いコヒーレンス時間が重要なオプトメカニクス、精密センサー、電気・光・機械信号の変換などへの応用が考えられます。具体的な用途ごとに性能の検証が必要です。

圧電材料の可能性については、次の記事もご覧ください。

ナノテクノロジーへの投資

ナノテクノロジーは半導体だけでなく、航空宇宙、バイオテクノロジー、エネルギー、化学などでも研究が進んでいます。ただし、材料の研究成果がすぐに事業化されるとは限りません。

関連企業に投資できる証券会社については、securities.ioで紹介している米国、カナダ、オーストラリア、英国、その他の国向けの記事をご覧ください。利用条件や規制は居住国によって異なります。

個別企業を選ばずに関連分野への投資を検討する場合は、ProShares Nanotechnology ETF (TINY)などのETFも選択肢になります。一方、Direxion Nanotechnology ETF (TYNE)は2023年2月に清算されたため、2024年時点で新規投資先として推奨できる商品ではありません。ETFの保有銘柄や手数料、テーマとの関連性を確認してください。

関連企業については「ナノテクノロジー関連株10選」と「 量子コンピューティング企業5選」もご覧ください。

共振器企業

SITM 価格チャート

コンピューターや電子機器が複雑になるほど、信号のタイミングを正確に制御することが重要になります。安全性が重視される用途では特に欠かせません。

SiTime (SITM ) は、シリコンMEMSなどを使ったタイミング製品を開発しています。水晶発振器とは異なる構造で、用途に応じて次のような特徴を提供します。

  • 衝撃、振動、温度変化などに対する耐性と、ジッターや雑音の管理。
  • 小型化と低消費電力。
  • 周波数設定などの柔軟性。

出典: SiTime

SiTimeは「Precision Timing」を掲げる企業です。特定市場でのシェアや成長率の説明は、その市場の定義と集計時点に依存し、タイミング製品市場全体の90％を占めると解釈すべきではありません。

ファブレス企業として設計や知的財産の開発に注力し、製造には外部企業を利用します。設計と製造を分業する点では、Nvidia (NVDA ) などにも見られる事業モデルです。

正確なタイミングへの需要を支える分野には、次のようなものがあります。

  • 5G通信。必要な同期精度や実際の通信速度は、方式と利用条件によって異なります。
  • データセンターやAIシステム。通信速度と処理速度の向上に応じて、タイミング設計も高度化します。
  • 電子化が進む自動車。運転支援や自動運転システムでは、部品間の同期と機能安全が重要です。
    • SiTimeは2024年、故障監視機構を備えたChorus Automotive Clock Generatorsを発表しました。FailSafe技術はタイミング信号の異常検出などを支えるものです。量産や供給の時期は、当時の計画と実績を区別して確認する必要があります。
  • 航空宇宙も用途の一つです。衛星通信や打ち上げ活動の拡大は、厳しい環境で動作する電子部品への需要につながる可能性があります。

SiTimeの売上高や利益率は年ごとに変動します。2019年に初めて事業を始めたわけではなく、常に売上高と利益率が同時に上昇してきたわけでもありません。

出典: SiTime

同社は、対応可能な市場規模の拡大を成長機会として説明しています。市場規模の推計は実際の売上高とは異なり、将来の収益を保証しません。

出典: SiTime

同社は研究開発に継続的に投資しています。MEMS製品では技術、特許、品質認証、顧客との関係などが参入障壁になり得ますが、一社独占が必然というわけではありません。

SiTimeはMEMSタイミング製品の主要企業の一つです。ほかのMEMS分野には、高周波部品のBroadcom (AVGO ) や慣性センサーのBoschなどがあります（SiTimeの設立にはBoschのMEMS技術が関係しています。その後MegaChips傘下となり、2019年にNasdaqへ上場しました）。

AIデータセンター、通信、衛星、自動車などは同社の事業機会になり得ます。ただし、需要の伸び、競争、製品価格、研究開発費などによって業績は変わり、急成長や投資収益が保証されるわけではありません。

研究参考文献:

1. Ciers, A., Jung, A., Ciers, J., Nindito, L. R., Pfeifer, H., Dadgar, A., Strittmatter, A., & Wieczorek, W. (2024). Nanomechanical crystalline AlN resonators with high quality factors for quantum optoelectromechanics. Advanced Materials, 36(44), 202403155. https://doi.org/10.1002/adma.202403155

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ジョナサンは元生化学研究者で、遺伝子解析と臨床試験に従事していました。現在は株式アナリスト兼ファイナンスライターとして、イノベーション、市場サイクル、地政学に焦点を当て、彼の出版物『The Eurasian Century』で執筆しています。