コンピューティング
先進的な超伝導技術で量子コンピューティングが大きく前進
新興技術である量子コンピューティングは、量子力学の法則を利用して、従来のコンピュータの能力を超える複雑な問題を解決します。
これらの量子コンピュータは情報をキュービット（量子ビット）に保存します。古典的なビットとは異なり、キュービットは0と1の二進状態を超えて存在できるため、計算をはるかに高速に実行できます。
さらに、これらのキュービットはさまざまな形態があります、トラップイオンキュービット（荷電イオンや原子を使用）やフォトニックキュービット（光子を使用）、そして電流が回る回路ループである超伝導キュービットが含まれます。
『固体』量子計算の一部である超伝導キュービットは1999年に初めて実証されました。それ以来、主要なキュービット技術の一つへと進化し、エネルギー散逸の低減、低抵抗、デコヒーレンスの減少、スケーラブルな量子回路、高速キュービット動作、安定したキュービット状態、高忠実度のキュービット制御、エラー訂正などの利点を提供しています。
過去10年間で、超伝導量子コンピューティングは機能的な量子コンピュータを構築するための人気のある選択肢となり、継続的な研究により実現に近づいています。
超伝導材料における最近のブレークスルー
今週、研究者チームがScience Advancesに量子コンピューティング用の新しい超伝導材料の開発に関する研究を発表しました。
この新しい超伝導材料は「トポロジカル超伝導体」の候補であり、ホールまたは電子の非局在状態を利用して量子情報を伝達し、データを処理するタイプです。
カリフォルニア大学の物理学者ペン・ウェイは、鏡像に重ね合わせることができない非磁性材料である三方晶テロルムを、金の薄膜表面に生成された表面状態超伝導体と組み合わせた研究チームを率いました。
この組み合わせ2次元インターフェース超伝導体を作り出しました、スピン分極が強化され、励起が安定したスピンキュービットの作成に利用できる可能性があります。この画期的な超伝導材料は、量子コンピューティング部品のスケーラビリティと信頼性を革命的に向上させる可能性があります。
「キラル材料と金の間に非常にクリーンなインターフェースを作り出すことで、二次元インターフェース超伝導体を開発しました。このインターフェース超伝導体は、スピンエネルギーが従来の超伝導体の6倍強化された環境で動作する点が独特です。」
– ウェイ、物理学・天文学の准教授
磁場下で、材料はさらに遷移を示し、トリプレット超伝導体としての利用が示唆され、より堅牢な量子コンピューティング部品につながる可能性があります。低磁場よりも高磁場でより堅牢になることが確認されました。
さらに、非磁性材料を使用してクリーンなインターフェースを実現することで、この新技術は量子コンピューティングにおける課題であるデコヒーレンスの原因を自然に抑制します。
研究者はまた、超伝導体を高品質な低損失マイクロ波共振器に加工できることを実証しました。これらは量子コンピューティングの重要部品であり、低損失の超伝導キュービットにつながります。
量子情報のデコヒーレンスや損失を減らすことが量子コンピューティング最大の課題であることから、この研究はよりスケーラブルで信頼性の高い量子コンピューティング部品の開発に寄与します。ウェイによれば：
「我々は、量子コンピューティング業界で一般的に使用される材料よりも一桁薄い材料を用いてこれを実現しました。」
これらのマイクロ波共振器は品質因子が100万に達します。
この1週間前、UCLA主導のチームも量子コンピューティングに有望な新材料を提示する研究を発表しました。
この材料は通常よりはるかに高い磁場下でも超伝導特性を保持し、超伝導ダイオード効果を示しました。この効果は一方向により多くの電流が流れることを可能にし、通常はキラル超伝導体で見られ、従来の超伝導体ではほとんど見られません。
従来の超伝導体にキラル特性を付与するため、研究者はキラル分子層と2次元材料である二硫化タンタル（TaS2）を用いた層状構造を作成しました。
この研究は、量子コンピューティングの効率と安定性を向上させ、従来のエレクトロニクスをより高速かつエネルギー効率的にする可能性を示しました。
キュービット制御とスケーラビリティにおけるイノベーション
量子コンピュータが「世界を劇的に変える」能力を持つことから、実用的な量子コンピュータを構築するための世界的な競争が繰り広げられています。
しかし、量子コンピュータの成長を阻む最大の課題の一つはスケーラビリティであり、十分に大規模なコンピュータが実際の問題に取り組めることを意味します。有用な問題に取り組む量子コンピュータを実現するには、より多くのキュービットが必要か、計算中に生じるエラーを信頼性高く削減する方法が必要です。
そこで、日本の研究者は管理可能なキュービット数を増やし、必要なキュービット数を減らすことでこの課題に取り組みました。
数か月前、研究者は低温で多数のキュービットを制御できる超伝導回路を成功裏に実証しました。
この実験では、超伝導回路がマイクロ波多重化を用いて1本のケーブルだけで複数のキュービットを制御できることが示されました。この回路はケーブルあたりのマイクロ波信号密度を約1,000倍向上させる可能性があり、この成果は制御可能なキュービット数を大幅に増やし、大規模量子コンピュータの開発に貢献します。
キュービットと常温エレクトロニクスの間に必要なハードウェアを削減するために、革新的な「クライオエレクトロニクス」が開発されました。「クライオエレクトロニクス」はキュービット近傍の低温で動作するキュービット制御・読み出し用エレクトロニクスです。
クライオエレクトロニクスは絶対零度上4度という高いクロック周波数でも機能することが実証されました。現在は、キュービット近傍で発生する熱を最小化するためにエネルギー消費の削減に注力しています。
日本の研究者のもう一つの焦点は、処理エラーを修正する方法を見つけることです。その中で、プリンストン大学の研究者はエラーのない量子コンピューティングのための製造技術を開発しました。
この研究では、科学者はトポロジカル絶縁体である二テルル化タングステン（WTe2）の上に超伝導層を作成しました。この手法は、絶縁体表面に堆積した金属（パラジウム）を「シード」として使用し、新しい結晶構造Pd7WTe2を形成し、ゼロ抵抗を示しました。
原子拡散技術は、二テルル化モリブデン（MoTe2）など、さまざまな材料でも成功裏に機能します。
さらにテストが必要で、トポロジカル超伝導体かどうかは未確定ですが、研究者はこの汎用的手法で新しい超伝導体を作成できると考えています。
デコヒーレンスへの対処と性能向上
今年初め、研究者が超伝導回路への新しいアプローチを導入し、量子コンピュータの実行時間を大幅に延長できる可能性があるという新たなブレークスルーがありました。
前述したように、キュービットの量子状態が容易に不安定になるため、このようなコンピュータの連続稼働は中断されます。これをデコヒーレンスと呼び、計算エラーを引き起こします。これは他のキュービットや環境との相互作用が原因です。
また、超伝導キュービットは最短時間で異なる状態間の切り替えが可能なため、研究が盛んです。しかし、切り替え時間を向上させる一方で、ミリ秒単位の短時間でデコヒーレンスに対しても敏感です。
そこで、国際的な研究者グループは「flowermon」と呼ばれるジョセフソン接合設計を提案しました。この設計は、銅を基盤とした超伝導材料である、原子1層厚の銅酸化物フレーク2枚を使用します。
「flowermonは、保護された量子回路に非従来型超伝導体を使用するという古い概念を近代化し、新しい製造技術と超伝導回路のコヒーレンスに関する新たな理解と組み合わせています。」
– ドイツ・マックス・プランク固体化学物理研究所の物理学者ウリ・ヴール
チームの計算によれば、この設計はノイズを削減し、結果としてキュービットのコヒーレンス時間を桁違いに伸ばすことができます。ただし、これは純粋に理論的なもので、チームは今後この結果を用いて超伝導キュービットの最適化を目指す予定です。
量子コンピュータの性能に取り組むため、昨年、ミネソタ大学ツインシティーズ校の研究チームは、量子コンピュータのスケールアップだけでなく人工知能システムの向上にも寄与できる可変超伝導ダイオードを開発しました。
ダイオードは電流を一方向に流す装置です。通常は半導体で作られますが、研究者はエネルギーを損失なく伝達できる超伝導体でのダイオード作製を模索しています。
シニア研究著者でミネソタ大学物理学・天文学部の准教授であるヴラド・プリビアグは次のように述べています。
「我々はコンピュータをより強力にしたいと考えていますが、現在の材料と製造方法ではすぐに直面する厳しい限界があります。」
計算能力向上の最大の課題はエネルギー散逸であるため、チームは超伝導技術の使用を選択しました。
この超伝導ダイオード装置は3つのジョセフソン接合を用いて構築されました。非超伝導材料の層を超伝導体の間にサンドイッチする形で作られましたが、研究者は超伝導体を半導体層で接続しました。
この独自の設計により、研究者は電圧でデバイスの挙動を制御できました。また、通常のダイオードが1つの入出力しか処理できないのに対し、同時に複数の電気信号を処理でき、脳にインスパイアされたニューロモルフィックコンピューティングへの応用も期待されます。
ニューロモルフィックコンピューティングでは、電気回路が人間の脳のニューロンの働きを模倣し、性能向上を図ります。
論文の第一著者であるモヒト・グプタによれば、この新しい超伝導ダイオードは他の超伝導ダイオードよりもエネルギー効率が高いです。特に、初めてエネルギー流を制御する一連のゲートが搭載されました。この機能は従来の超伝導ダイオードには組み込まれておらず、本研究は「ゲートを追加し、電場を適用してこの効果を調整できることを示した」と述べています。
さらに、この研究で使用された材料は産業に適しやすく、新たな機能性を提供できました。
本研究で用いられた手法は任意の超伝導体に応用可能であり、柔軟性と産業応用との互換性が高いです。これらの特性は量子コンピュータの開発を大規模に拡大し、より広範な利用を促進します。
「現在、市場に出回っている量子コンピュータは実際の応用ニーズに比べて非常に基本的なレベルです。実用的で複雑な問題に取り組むに足る強力なコンピュータを実現するには、スケールアップが必要です。」
– プリビアグ
これは、AIの利用が大幅に拡大している今日、特別な意義を持ちます。これにより、従来のコンピュータの性能を超えるアルゴリズムの研究が進んでいます。プリビアグは、本研究が量子コンピュータがこれらのアルゴリズムを実装できるハードウェアを開発していると指摘しています。
本研究は主に米国エネルギー省が資金提供し、国立科学財団とMicrosoft Researchが部分的に支援しました。
性能に影響を与えずに2D材料でキュービットを縮小
研究開発が進む中、科学者は従来のキュービットよりはるかに小型の超伝導キュービットを構築しました。これらの超伝導キュービットは2D材料を用いて作られました。
古典コンピュータの速度と容量を上回るためには、量子コンピュータのキュービットが同じ波長上にある必要があります。これを実現するために、研究者は通常キュービットのサイズを犠牲にせざるを得ず、現在でもキュービットはミリメートル単位で測定されますが、古典コンピュータのトランジスタはナノメートルまで縮小しています。
キュービットのサイズを縮小し、物理的な占有面積を小さくしながら性能を維持するために、コロンビア大学機械工学部の王鳳仁（Wang Fong-Jen）教授であるジェームズ・ホーンは、非常に小型の超伝導キュービットコンデンサを示しました。
従来、エンジニアは平面コンデンサを用いてキュービットチップを構築していました。ここでは、帯電したプレートが横に並べられ、積層してスペースを節約できますが、キュービット情報の保存に支障をきたします。
そこで、ホーンの博士課程の学生であるアンジャリ・ラジェンドラとアビナンダン・トニーは、超伝導ニオブジスセナイドの2枚の帯電プレート間に絶縁層としてホウ素ナイトライドを挟みました。これらの層は原子1層の厚さで、ファンデルワールス力という弱い静電相互作用で結合されています。
その後、コンデンサはアルミニウム回路と組み合わせてチップが作られました。このチップは2つのキュービットを搭載し、厚さはわずか35ナノメートルで、従来の手法で作られるものの1,000分の1の大きさです。
冷却すると、キュービットは同じ波長を持ちました。また、エンタングルして単一ユニットとして機能することが観測されました。この量子コヒーレンスは短命（約1マイクロ秒強）ですが、電気パルスでキュービットの量子状態を操作・読み出しできることを意味します。ホーンによれば：
「我々は現在、2D材料が量子コンピュータ実現の鍵となり得ることを知っています。まだ初期段階ですが、このような発見は世界中の研究者に2D材料の新たな応用を検討させるでしょう。今後、この方向でさらに多くの研究が進むことを期待しています。」
その独自の構造により、二次元（2D）量子材料は材料科学において重要なブレークスルーをもたらしました。3D材料とは異なり、2D量子材料は1層または数層の原子厚で、電子はすべての三方向に移動できます。
代表的な2D材料にはシリシン、グラフェン、ゲルマニン、スタニン、ホスホレン、遷移金属ジカルコゲナイド（TMDC）、六方晶ホウ素ナイトライド（h-BN）などがあります。
これらの材料は多様な特性と変革的な技術応用の可能性を提供しますが、合成、統合、スケーラビリティの面で課題があり、完全な潜在能力を実現するには克服が必要です。
量子コンピューティング革命を牽引する主要企業
それでは、超伝導体と量子コンピューティングに関わる主要企業をいくつか見てみましょう。
#1. Alphabet (Google)
Alphabetは子会社のGoogle Quantum AIを通じて量子コンピューティング研究に多額の投資を行っています。同部門はSycamoreという超伝導量子プロセッサを開発し、2019年には強力なスーパーコンピュータでも1万年かかる計算を200秒で完了させました。その後、Sycamore量子プロセッサは大幅に拡張され、現在は70キュービットを搭載しています、前モデルの2億4100万倍の堅牢性を持ちます。
(GOOGL )
このテックジャイアントの時価総額は2.06兆ドルで、株式（GOOGL:NASDAQ）は165.68ドルで取引され、年初来で18.56%上昇しています。2024年第2四半期、Alphabetは純利益が28.6%増の236億ドル、総収益は14%増の847.4億ドルと報告しました。また、Googleの親会社は1株当たり0.20ドルの現金配当を発表しました。
#2. NVIDIA Corporation
NVIDIAはパートナーシップや協業を通じて量子コンピューティングと超伝導体の探索を進めています。今年3月、同社はオープンソースのNVIDIA CUDA-Q™プラットフォームを用いて、ドイツ・日本・ポーランドの国立スーパーコンピューティング拠点で量子コンピューティングの取り組みを加速させると発表しました。
(NVDA )
市場でAIの寵児とされるNVIDIA株は、2024年にこれまでで161.24%の急伸を記録し、好調です。この上昇によりNVDA株は129.45ドルで取引され、時価総額は3.188兆ドルとなっています。チップメーカーは2024年第1四半期に過去最高の売上22.1億ドルを報告しました。
結論
このように、世界中の研究者、組織、企業が複雑な問題解決に優れた量子コンピューティングの進展に取り組んでいます。特に超伝導技術への注目が大きな進歩を促し、この変革的技術の完全な可能性を実現することに近づいています。
