スケーラブルなシリコン設計で実現に近づく量子チップ

Diraq の研究者は、商業的に実用可能な高忠実度量子ビットの大規模製造方法を発表し、コンピューティング分野に革命をもたらす可能性があります。この概念実証は、何十年も使用されてきた従来の製造プロセスを利用し、信頼性が高く、大規模でフォールトトレラントな量子コンピュータチップを提供し、最大の忠実度を維持します。以下が重要ポイントです。

手頃な価格の量子コンピュータへの需要が高まっている

量子コンピューティングサービスと専門家への需要が高まっています。最近の 報告書 によると、企業は昨年すでに量子サービスに23億5,000万ドルを費やしています。さらに、LinkedIn の統計では、2020 年から 2024 年の間に量子専門家を求める企業が 180% 増加したことが示されています。

量子コンピューティング需要の高まりには多くの理由があります。その一つは軍事用途です。世界中の軍は、競合他社に対して優位性を得ることを期待して、かなりの資金を投資しています。

量子ベンチマークイニシアチブ

米国防総省の防衛高等研究計画局（DARPA）は現在、量子ベンチマークイニシアチブを主催しています。このプロジェクトの目的は、量子コンピューティングチップが現在の脆弱な量子状態を持つ設計よりもスケールアップし、より耐久性を持たせられるかどうかを判断することです。

この課題を達成するために、18 社が選出され、量子コンピューティング分野でユーティリティスケールを実現するために競い合います。ユーティリティスケールとは、量子コンピューティングが今日のスーパーコンピュータをはるかに超える問題を解決できる能力を指す用語です。

この課題には、高忠実度要件を満たすためのリアルタイムエラー訂正が必要です。忠実度とはチップの正確さを指します。エンジニアは、脆弱な量子状態を保ちながら 100 以上の量子ビットを信頼性高く保存・アクセスできる量子チップを作成する必要があります。

シリコンベースの量子チップ

量子ハードウェアを作成するために使用されてきたさまざまな量子チップ設計がありますが、シリコンベースの量子チップの導入には大きな利点があります。

まず、従来のチップ向けにすでに整備された何十億ドルものインフラと製造戦略を活用できる点です。さらに、チップ1枚に何百万もの量子ビットを搭載でき、これらの量子ビットは効率的な量子計算を提供するよう正確に配置されています。

次のステップ

シリコンスピン量子ビット技術が提供する可能性を認識し、エンジニアはこれらのチップ設計を強化する方法を模索しました。研究には大規模なラボテストが含まれ、ラボ結果は正確であることが証明されました。しかし、これまでのところ、従来の産業規模製造方法を用いて同等の精度が達成できるかどうかは試みられていません。

出典 – Nature

この課題を達成するために、エンジニアは複数の材料上の課題を克服しなければなりません。設計は、電荷ノイズや静的無秩序によって引き起こされる干渉を考慮する必要があります。これらの問題は、シリコンチップ設計に見られる界面や酸化物の欠陥やトラップが原因で発生します。

大規模量子チップ製造研究

最近、2025 年 9 月 24 日に Nature に掲載された 産業互換性のあるシリコンスピン量子ビットユニットセルが99%以上の忠実度を超える 研究は、スケーラブルな量子チップを実現するための重要な指標に関する貴重な洞察を提供します。

この研究は、リアルタイムモニタリング能力と量子エラー訂正能力を結びつけます。具体的には、電気ノイズとホールバー輸送との相関関係を指摘しています。研究の一環として、Diraq は新しいチップ設計モデリングソフトウェアを設計しました。

彼らはチップ製造企業 imec と提携し、デバイスの最終製造を担当させました。その後、チームはシリコンウェハと従来の CMOS ジオメトリを使用して複数の設計を作成しました。

標準ツール

エンジニアは、平面金属酸化膜半導体（MOS）にポリシリコンゲートを使用した複数の 2 量子ビットデバイスに落ち着きました。これらのデバイスは、300 mm ファウンドリ環境で標準的な半導体ツールを使用して製造されました。具体的には、二重量子ドットと単一電子トランジスタ（SET）を含むアーキテクチャが使用され、リアルタイムスピン読み出しが可能でした。

特に、デバイスのプランジャーゲート電極の下に形成された二重ドット内の 4 つの電子は、ドット間のトンネル結合を制御し、ノイズ解析を提供することを可能にします。その後、全ユニットは 3He/4He ディルーション冷凍機に配置され、基礎温度 10 mK の孤立モードに設定されました。

新しい量子チップ設計のテスト

チームは、UNSW 研究所内で作成された複数の実験条件下でデバイスをテストしました。最初のステップは、チップの主要な量子ビット機能を評価することでした。このテストには、1 量子ビットおよび 2 量子ビットゲートのテストとエラーレートの記録が含まれました。

特に、チームは最先端のゲートセットトモグラフィ（GST）ツールを利用して、リアルタイムで量子状態に関する貴重な洞察を得ました。このアプローチにより、クロストークなどの干渉要因や確率的エラーとコヒーレントエラーの区別が可能になりました。

4 つの設計を文書化した後、さらに 16 のオプションでクライオプロービング測定を実施しました。各チップは形状とアーキテクチャが若干異なり、チームは設計がデバイスゲート電極全体に均一な静電制御を提供する方法について洞察を得ました。

大規模量子チップ製造研究 テスト結果

テスト結果は、概念が成功したことを示しました。チームは、従来の半導体ファウンドリを使用して 300 mm ウェハ上の量子ビットの高性能を実証しました。データは、チップが予測通りに動作したことを示唆しています。単一および二量子ビット制御の両施設において、すべての 4 デバイスで 99% 以上の精度を達成しました。

このテストの結果は、Diraq のシリコン量子チップが従来の CMOS 戦略を用いて大量生産できることを示しています。この発見は、次世代量子コンピューティングデバイスの大規模生産への道を開きます。

大規模量子チップ製造研究 の利点

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この研究が産業にもたらす利点は多数あります。まず、量子コンピューティングの大規模製造戦略における技術的制限を克服するための貴重な科学的知見を提供しました。また、将来的に量子チップを大量製造に統合する方法を実証しました。

精度

最大の発見の一つは、ファウンドリプロセスが量子チップの精度や忠実度を低下させなかったことです。実際、最先端のスピン量子ビット戦略とリアルタイムエラー訂正を組み合わせて作成されたシリコンベースの量子チップは、世界クラスの精度を維持できることが示されました。

大量製造

この研究の主な目的は、シリコンベースの量子コンピュータが成熟した半導体産業を活用できることを実証することでした。エンジニアはこの目標を達成し、これによりチップの大規模採用への道が開かれました。

実世界の応用とタイムライン

この研究にはいくつかの応用があります。まず、信頼性の高いシリコン量子チップの大規模生産への実行可能な道筋を提供するのに役立ちます。これらのデバイスは、AI、航空宇宙、医療、気候モデリングなど、多くのハイテク産業で重要な役割を果たすでしょう。

大規模量子チップ製造研究 タイムライン

手頃な価格で量子搭載デバイスを地元のコンピュータストアで目にするまでには、7〜10 年かかります。しかし、この研究は次の10 年間で手頃な価格の量子搭載コンピュータへの道を切り開きます。

大規模量子チップ製造研究 の研究者

大規模量子チップ製造研究を成功させるために、UNSW シドニーのナノテックスタートアップである Diraq は、欧州のナノエレクトロニクス研究所 Interuniversity Microelectronics Centre（imec）と協力しました。特筆すべきは、Diraq が以前に自社ラボで CMOS プロセスを用いて量子ビットを製造するシリコンチップ設計を発表していたことです。

このステップは、チームが技術をさらに推し進め、大規模製造方法を採用できるようにインスパイアしました。この根本的な成果は、輸送から医療機器まで、さまざまな分野で使用できるシリコンベースの量子チップの大量生産への道を開きます。

将来の研究方向

エンジニアは、将来的に大規模構成とより高い電子占有率のさらなる調査を計画しています。目標は、観測されたエラー機構の物理的起源をより深く理解し、これらの発生を正確に予測・防止できるモデルを作成することです。成功すれば、この研究はセクターにおけるさらなる高性能への明確な道筋を提供します。

量子コンピューティングへの投資

世界中で複数の量子コンピュータ開発企業が活動しています。これらの企業は、製造コスト削減のために R&D に継続的に投資し、コンピューティングの限界を押し広げています。以下は、市場で先駆的な精神を保ち、業界リーダーとして認められている企業の一例です。

Rigetti Computing

Rigetti Computing は 2013 年に市場に参入しました。カリフォルニア州に拠点を置き、物理学者の Chad Rigetti によって設立されました。Rigetti Computing の当初の焦点は、超伝導量子ビットの作成と維持にありました。このアプローチには、フルスタックの超伝導量子システムやその他の重要ハードウェアの作成が含まれます。

特筆すべきは、Rigetti Computing が常に市場で先駆的な精神を持ち続けていることです。例えば、2016 年に初の量子プロセッサを導入しました。この 3 量子ビットチップは、将来のイノベーションへの道を開き、Forest 量子プログラミング環境のリリースにつながり、アルゴリズム開発を促進しました。

2017 年、Rigetti Quantum Cloud Services（QCS）を立ち上げ、エンタープライズレベルで強力な量子チップへのアクセスを可能にしました。同年、カリフォルニア州フリーモントに新しいファウンドリを開設しました。これらの取り組みにより、同社のポジショニングと製造能力が強化されました。

2024 年、Rigetti Computing は 32 量子ビットプロセッサを実証しました。この取り組みは AWS との戦略的パートナーシップに続きました。これらすべての取り組みが Rigetti Computing の市場ポジショニングと消費者信頼を高め、現在では量子コンピューティング分野へのエクスポージャーを得る優れた手段と見なされています。

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大規模量子チップ製造研究 | 結論

シリコン量子チップが成熟した半導体産業を活用できるようになることは、すべての関係者にとって大きなメリットです。まず、コスト削減とさらなる研究を促進します。また、将来的により多くの技術革新を刺激するでしょう。

他のクールな量子コンピューティングのブレークスルーについては こちら をご覧ください。

参考文献

^{1. Steinacker, P., Dumoulin Stuyck, N., Lim, W. H., Tanttu, T., Feng, M., Serrano, S., Nickl, A., Candido, M., Cifuentes, J. D., Vahapoglu, E., Bartee, S. K., Hudson, F. E., Chan, K. W., Kubicek, S., Jussot, J., Canvel, Y., Beyne, S., Shimura, Y., Loo, R., . . . Dzurak, A. S. (2025). 産業互換性のあるシリコンスピン量子ビットユニットセルが99%以上の忠実度を超える. Nature, 1-7. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}