スケーラブルなシリコン設計で量子チップが現実に近づく

Diraqの研究者たちは、コンピューティング分野に革命をもたらす可能性のある、商業的に実現可能な高忠実度量子ビットの大規模製造方法を発表しました。この原理実証では、数十年にわたって利用されてきた従来の製造プロセスを活用し、最大限の忠実度を維持しながら、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ます。その概要をご紹介します。

手頃な価格の量子コンピュータ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の需要が高まっています。最近の調査によると、 レポート昨年、企業はすでに23億5000万ドルを量子サービスに投入しました。さらに、この分野では採用が大幅に増加しており、LinkedInの統計によると、2020年から2024年の間に量子専門家を求める企業が180%増加すると予想されています。

量子コンピューティングの需要が高まっている理由は数多くあります。その一つが軍事用途です。世界中で、軍隊は競合他社に対する競争優位性を獲得するために多額の資金を投入してきました。

量子ベンチマークイニシアチブ

米国国防高等研究計画局（DARPA）は現在、量子ベンチマーク・イニシアチブを主導しています。このプロジェクトの目標は、量子コンピューティングチップを、脆弱な量子状態を持つ現在の設計よりも大規模に拡張し、より耐久性を高めることができ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、量子コンピューティング分野において、18社が選定され、ユーティリティスケールの達成を目指して競い合いました。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く能力を指す用語です。

このタスクでは、高い忠実度要件を満たすためにリアルタイムのエラー訂正が必要になります。忠実度とはチップの精度を指します。エンジニアは、100量子ビット以上の量子ビットを脆弱な量子状態において確実に維持しながら、膨大な量の情報を保存・アクセスできる量子チップを開発する必要があります。

シリコンベースの量子チップ

量子ハードウェアの作成に用いられてきた量子チップの設計には、これまで様々な種類がありました。しかし、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、従来のチップに既に導入されている数十億ドル規模のインフラと製造戦略を活用できます。さらに、このチップは1つのチップに数百万個の量子ビットを搭載できます。これらの量子ビットは、効率的な量子コンピューティングを実現するために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の可能性を認識し、エンジニアたちはこれらのチップ設計を強化する方法を模索してきました。その研究には、膨大な実験室テストが含まれており、実験結果は正確であることが証明されています。しかしながら、従来の工業規模の製造方法を用いて同等の精度を達成できるかどうかを検証する試みは、これまで行われていません。

ソース - 自然

この課題を達成するには、エンジニアはいくつかの材料上の課題を克服する必要があります。設計においては、電荷ノイズや静電気によ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おいて見られる界面や酸化物における欠陥やトラップによって発生します。

大規模量子チップ製造研究

最近 業界互換のシリコンスピン量子ビットユニットセルは99%を超える忠実度¹ 9月24日にネイチャー誌に掲載されたこの研究は、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ている。

これは、リアルタイムモニタリング機能と量子エラー訂正能力の関連性を解明するものです。具体的には、電気ノイズとホールバー輸送の相関関係を指摘しています。この研究の一環として、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、デバイスの最終製造を担当するチップ製造会社imecと提携しました。そこから、チームはシリコンウェハと従来のCMOSジオメトリを用いた複数の設計を作成しました。

標準ツール

エンジニアたちは、ポリシリコンゲートを備えた平面金属酸化物半導体（MOS）を用いた2量子ビットデバイスをいくつか選定しました。これらのデバイスは、300mmファウンドリ環境で標準的な半導体製造装置を用いて製造されました。具体的には、二重量子ドットと単一電子トランジスタ（SET）を組み合わせたアーキテクチャを採用し、リアルタイムのスピン読み出しを可能にしました。

注目すべきは、デバイスのプランジャーゲート電極下に形成されたダブルドット内の4つの電子によって、ドット間のトンネル結合を制御し、ノイズ解析が可能になることです。その後、ユニット全体を3He/4He希釈冷凍機に挿入し、独立モードでベース温度を10 mKに設定しました。

新しい量子チップ設計のテスト

チームは、このチップをテストするために、ニューサウスウェールズ大学の研究室で作成されたいくつかの実験条件にデバイスをさらしました。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量子ビットゲートと2量子ビットゲートの両方のテストとエラー率の記録が含まれていました。

特筆すべきは、研究チームが最先端のゲートセット・トモグラフィー（GST）ツールを用いて、量子状態に関する貴重な知見をリアルタイムで得たことです。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内訳を特定することができました。

4つの設計を文書化した後、さらに16の選択肢について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わずかに異なっており、チームは設計がデバイスのゲート電極に対してどのように均一な静電制御を実現しているかについて知見を得ることができました。

大規模量子チップ製造研究試験結果

テスト結果は、このコンセプト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用いて、300mmウエハ上で量子ビットの高性能を実証しました。データは、チップがまさに予測通りの性能を示したことを示しています。単一量子ビット制御施設と2量子ビット制御施設の両方において、4つのデバイスすべてで99%を超える精度を達成しました。

この試験の結果は、Diraq社のシリコン量子チップが従来のCMOS技術を用いて量産可能であ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くものです。

大規模量子チップ製造研究のメリット

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この研究は産業界に多くの利益をもたらします。まず、大規模な量子コンピューティング製造戦略における技術的限界を克服するための貴重な科学的知識を提供しました。また、将来的に量子チップを量産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によって量子チップの精度や忠実度が低下しなかったことです。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技術を駆使して製造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実証されました。

大量生産

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の技術を活用できることを実証することでした。エンジニアたちはこの目標を達成し、これらのチップの大規模導入への道を開きました。

実際のアプリケーションとタイムライン

この研究にはいくつかの応用があります。一つには、信頼性の高いシリコン量子チップの大規模生産に向けた現実的な道筋を示すのに役立つでしょう。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において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のタイムライン

地元のパソコンショップで量子コンピューターを手頃な価格で購入できるようになるまでには、まだ7～10年かかるでしょう。しかし、この研究は、今後10年間で手頃な価格の量子コンピューターを実現する道を開くものです。

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、ニューサウスウェールズ大学シドニー校のナノテクスタートアップであるDiraq社は、欧州ナノエレクトロニクス研究所である大学間マイクロエレクトロニクスセンター（imec）と協力しました。注目すべきことに、Diraq社は以前、自社のラボで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ました。

このステップは、チームに技術のさらなる発展を促し、大規模な製造方法の適用を可能にしました。この根本的な成果は、輸送機器から医療機器まであらゆる用途に使用可能なシリコンベースの量子チップの大量生産への道を開くものです。

今後の研究の方向性

エンジニアたちは、今後の計画について、大規模な構成とより高い電子占有率についてさらなる調査を行う予定だと述べています。彼らの目標は、観測されたエラーメカニズム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構築することです。もし成功すれば、この研究は、この分野におけるさらなる高性能化への明確な道筋を示すものとなるでしょう。

量子コンピューティングへの投資

量子コンピュータの開発企業は世界的に数多く存在し、製造コストの削減を目指して研究開発への継続的な投資によって、コンピューティングの限界を押し広げ続けています。ここでは、市場においてパイオニア精神を持ち続け、業界のリーダーとして認められている企業をご紹介します。

リゲッティコンピューティング

Rigetti Computingは2013年に市場に参入しました。カリフォルニアに拠点を置き、物理学者のチャド・リゲッティ氏によって設立されました。Rigetti Computingは当初、超伝導量子ビットの作成と保守に重点を置いていました。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なハードウェアの作成が含まれていました。

特筆すべきは、Rigetti Computingが常に市場におけるパイオニア精神を持ち続けてきたことです。例えば、同社は2016年に世界初の量子プロセッサを発表しました。この3量子ビットチップは、アルゴリズム開発の推進に貢献したForest量子プログラミング環境のリリースなど、将来のイノベーションへの扉を開きました。

2017年には、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。これに続き、同年にはカリフォルニア州フリーモントに新たなファウンドリーを開設しました。これらの取り組みは、同社のポジショニングと製造能力の強化に貢献しました。

2024年、Rigetti Computingは32量子ビットプロセッサのデモンストレーションを行いました。この動きに続き、AWSとの戦略的パートナーシップを締結しました。これらの動きは、Rigetti Computingの市場における地位と消費者の信頼を強化しました。そのため、Rigetti Computingは現在、量子コンピューティング分野への参入を図る優れた手段とみなされています。

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大規模量子チップ製造研究 | 結論

成熟した半導体産業の優位性を活かしたシリコン量子チップの開発が、誰にとってもメリットとなる理由は数多くあります。まず、コスト削減とさらなる研究の促進が期待できます。また、将来的にはさらなる技術革新を促すことにもつながります。

その他の量子コンピューティングの画期的な成果について学ぶ ここに.

参考情報

^{1. Steinacker, P.、Dumoulin Stuyck, N.、Lim, WH、Tanttu, T.、Feng, M.、Serrano, S.、Nickl, A.、Candido, M.、Cifentes, JD、Vahapoglu, E.、Bartee, SK、Hudson, FE、Chan, KW、Kubicek, S.、Jussot, J.、Canvel, Y.、ベイン、S.、志村、Y.、ルー、R.、. 。 。アスファルト州ジュラク（2025年）。 99% の忠実度を超える、業界互換のシリコン スピン量子ビット ユニット セル。自然、1-7。 https://doi.org/10.1038/s41586-025-09531-9}