微小な新しいデバイスにより巨大な未来の量子コンピュータが実現可能

January, 30, 2026, Boulder--研究者たちは、人間の髪の毛の直径のほぼ100分の1の小さな新しい装置で量子コンピューティングに大きな進歩を遂げた。

Nature Communications誌に掲載された画期的な光位相変調器は、数千、あるいは数百万の量子ビット(量子情報の基本単位)を効率的に制御することで、はるかに大型の量子コンピュータの解明に役立つ可能性がある。

重要なのは、科学者チームがこれらのデバイスをスケーラブルな製造方法で開発し、複雑でカスタムビルドを避け、すでにコンピュータ、携帯電話、車両、家電製品など、電気で動くほぼすべてのもの、さらにはトースタにさえ搭載されているプロセッサの背後にある技術を用いるものを選んでいることである。

電気・コンピュータ・エネルギー工学科Ph.D学生、Jake Freedmanが率いている。Matt Eichenfield(教授でKarl Gustafson量子工学寄付講座)、サンディア国立研究所の共同研究者、共著者Nils Otterstromらと協力している。彼らは小さくて強力なだけでなく、実用的かつ安価に大量生産できる装置を作り上げた。

チームの装置は、マイクロ波周波数の振動を用いて、1秒間に数十億回振動し、レーザ光を驚異的な精度で操作する。

これらの超高速振動により、研究者はレーザビームの位相を直接制御でき、チップは高い安定性と効率で新しいレーザ周波数を生成することを可能にする。これらはすべて量子コンピューティング、量子センシング、量子ネットワーク技術の構築に不可欠である。

量子コンピュータが精密な光周波数制御に依存している理由
量子コンピューティングの主要なアプローチの一つに、情報を個々の原子に保存するトラップイオン系やトラップ中性原子系がある。
これらのqubitsを操作するために、研究者は精密なレーザビームを使って各原子と「会話」し、計算の指示を出す。

各レーザの周波数は極めて高精度で調整されなければならず、多くの場合は10億分の1％以内、あるいはそれ以下まで調整される。

「非常に正確な周波数差を持つレーザの新しいコピーを作成することは、原子・イオンベースの量子コンピュータを扱う上で最も重要なツールの一つである」とFreedmanは話している。「しかし、それを大規模に実現するには、新しい周波数を効率的に生成できる技術が必要になる。」

現在では、その周波数シフトは大量のマイクロ波消費をするかさばる卓上型デバイスで行われている。

現在のセットアップは小規模な実験室や量子コンピュータでqubit数が少ない場合に適しているが、将来の量子コンピュータに必要な数万、数十万の光チャネルにスケールアップすることはできない。

「倉庫いっぱいの光テーブルに置かれた10万個のバルク電気光学変調器を置いて量子コンピュータを作るわけにはいかない」とEichenfieldは語った。「手作業で組み立てたり長い光経路を使わずに、もっとスケーラブルな製造方法が必要である。ついでに、全部を数枚の小さなマイクロチップに収めて、100倍の熱を出せれば、うまくいく可能性がずっと高まる。」

このデバイスは効率的な位相変調により新しい周波数の光を生成でき、多くの商用変調器に比べて約80分の1のマイクロ波電力を消費する。消費電力を抑えることで熱を抑え、1つのチップ上でもより多くのチャネルを近接して配置できる。

これらの機能が組み合わさることで、原子が量子計算を行うために行う複雑な動きを管理するための強力でスケーラブルなシステムへと進化している。

世界で最もスケーラブルな製造技術を用いて建設されたこのプロジェクトの最も重要な点の一つは、すべてが「fab」やファウンドリで生産されたことである。これは先進的なマイクロエレクトロニクスの製造に使われる施設と同じ種類の施設である。

「CMOS製造は人類がこれまでに発明した中で最もスケーラブルな技術である」(Eichenfield)。

「すべての携帯電話やコンピュータのマイクロ電子チップには、ほぼ同じトランジスタが何十億も搭載されている。つまり、CMOS製造を用いることで、将来的には何千、あるいは何百万もの同一フォトニックデバイスを製造できる。これはまさに量子コンピューティングが必要とするものである。」

Otterstormによると、以前は高価で消費電力も多かったモジュレータデバイスを、より効率的でかさばらないものにした。

「われわれはオプティクスを独自の『トランジスタ革命』へと押し進め、真空管の光学的同等物からスケーラブルな集積フォトニクス技術へと移行する手助けをしている」(Otterstorm)。

チームは現在、周波数生成、フィルタリング、パルスカービングを同一チップ上で統合した完全集積フォトニック回路を開発しており、完全な運用チップの実現を目指している。

今後は、量子コンピューティング企業と協力し、最先端のトラップイオンおよびトラップ原子量子コンピュータ内でこれらのチップのバージョンをテストする予定である。

「この装置はパズルの最後のピースの一つだ。非常に多くのqubitsを制御できる真にスケーラブルなフォトニックプラットフォームに近づいている」とFreedmanは語った。