超純度Si、量子コンピュータ拡張に一歩前進

July, 10, 2024, Manchester--100年以上前、マンチェスター大学の科学者たちは、原子核の原子核を発見し、原子核物理学の誕生を記念し、世界を変えた。

今日まで早送りすると、歴史は繰り返されるが、今回は量子コンピューティング。

「原子核物理学の創始者」であるErnest Rutherfordが築いたのと同じ先駆的な手法に基づいて、同大学の科学者はオーストラリアのメルボルン大学と共同で、スケーラブルな量子コンピュータへの道を開くために必要な基本コンポーネントである高性能量子ビット(qubit)デバイスの構築を可能にする、強化された超高純度のシリコンを作成した。

Communications Materials – Nature誌に掲載されたこの研究成果は、量子コンピューティングの未来を定義し、前進させる可能性がある。

マンチェスター大学のRicherd Curry教授(先端電子材料学)は、「われわれができたのは、シリコンベースの量子コンピュータを構築するために必要な重要な『レンガ』を効果的に作り出すことだ。これは、人類に変革をもたらす可能性を秘めた技術を実現するための重要なステップである。このような大規模なデータ処理能力を提供し、気候変動の影響への対応や医療課題への取り組みなど、複雑な問題の解決策を見つけることができる技術である。

「この成果は、マンチェスター大学が1917年のラザフォードの『原子の分裂』‘splitting the atom’発見、そして1948年の『The Baby』など、この間、科学イノベーションの最前線に立ってきた本学の200周年にふさわしいものである。電子格納型プログラムコンピューティングの史上初の実例であり、量子コンピューティングへの一歩を踏み出した」と話している。

量子コンピュータの開発における最大の課題の 1 つは、量子コンピューティングの構成要素である量子ビット(qubits)の感度が高く、保持する情報を維持するために安定した環境が必要であること。温度の変動など、環境のわずかな変化でも、コンピュータのエラーを引き起こす可能性がある。

もう一つの問題は、物理的なサイズと処理能力の両方を備えたスケール。 10量子ビットは、通常のコンピュータの1,024bitsと同じ処理能力を持ち、はるかに小さなボリュームを占有する可能性がある。科学者たちは、完全に機能する量子コンピュータには約100万量子ビットが必要であり、従来のコンピュータでは実現不可能な能力を提供すると考えている。

シリコンは、その半導体特性により、古典コンピューティングの基盤となる材料であり、研究者たちは、シリコンがスケーラブルな量子コンピュータへの答えになる可能性があると考えている。科学者たちは過去60年にわたり、シリコンをその能力を最大限に発揮させるためのエンジニアリング方法を学んできたが、量子コンピューティングには課題がある。

天然シリコンは、質量の異なる3つの原子(同位体と呼ばれる)で構成されている – シリコン28、29、30。しかし、シリコンの約5%を占めるSi-29は、「核フリップフロップ」効果を引き起こし、量子ビットの情報を失う。

マンチェスター大学のブレークスルーで、科学者たちはシリコンを操作してSi-29原子と30原子を除去する方法を考案し、量子コンピュータを大規模かつ高精度に製造するのに最適な材料にした。

その結果、世界で最も純度の高いシリコンが誕生し、100万量子ビットをピンヘッドのサイズに加工できる可能性が生まれた。

このプロジェクトで実験的研究を行った博士課程の研究者、Ravi Acharyaは、「シリコン量子コンピューティングの大きな利点は、現在、数十億個のトランジスタで構成される日常的なコンピュータ内の電子チップの製造に使用されているのと同じ技術を使用して、シリコンベースの量子デバイス用の量子ビットを作成できることだ。高品質のシリコン量子ビットを作成する能力は、使用されるシリコン出発物質の純度によってこれまで部分的に制限されてきた。ここで示す画期的な純度は、この問題を解決する」とコメントしている。

この新機能は、比類のない性能と機能を備えたスケーラブルな量子デバイスへのロードマップを提供し、想像を絶する方法で技術を変革する可能性を秘めている。

プロジェクトの共同スーパーバイザ、メルボルン大学のDavid Jamieson教授は、「われわれの技術は、人工知能、安全なデータと通信、ワクチンと医薬品の設計、エネルギー使用、物流、製造など、社会全体の段階的な変化を約束する信頼性の高い量子コンピュータへの道を開く。

「非常に高純度のSi-28を製造できるようになったので、次のステップは、多くの量子ビットに対して同時に量子コヒレンスを維持できることを実証することだ。わずか30量子ビットの信頼性の高い量子コンピュータは、一部のアプリケーションでは現在のスーパーコンピュータの能力を超える。

量子コンピューティングとは何か、どのように機能するのか?
すべてのコンピュータは電子を使って動作する。電子は負の電荷を持つだけでなく、「スピン」と呼ばれる別の性質を持っており、これはコマに例えられることがよくある。

コンピュータのメモリ内の電子のスピンが組み合わさると、磁場が発生する可能性がある。この磁場の方向を使用して、一方の方向を「0」と呼び、もう一方の方向を「1」と呼ぶコードを作成できる。これにより、0と1のみを使用してコンピュータに指示を与える番号システムを使用できる。各 0 または 1 はビットと呼ばれる。

量子コンピュータでは、何百万もの電子のスピンの複合効果ではなく、単一の電子のスピンを利用することができ、「古典的」な世界から「量子的」な世界へと移行する。「bits」から「qubits」の使用である。

古典コンピュータが次々と計算を行うのに対し、量子コンピュータはすべての計算を同時に行うことができるため、膨大な情報を処理し、非常に複雑な計算を比類のない速度で実行できるのである。