科学者たちは「世界で最も純粋なシリコン」を作った。量子コンピュータは本当に来るのでしょうか？

2024年5月7日、英国マンチェスター大学とオーストラリアメルボルン大学の研究者らが、Nature Communications Materials誌に画期的な研究を発表しました。彼らは、集束イオンビーム（FIB）技術を使用して、28Siを高濃度に濃縮した「超純粋シリコン」を製造しました。この発見は、スケーラブルな量子コンピュータを使用して高性能量子ビットデバイスを構築する新しい方法を提供し、安定した量子コンピューティングプラットフォームを実現するための基盤を築きます。

（出典：Nature Communications Materials公式サイトのスクリーンショット）

量子コンピューティング分野の研究成果は不明瞭で理解しにくいことが多いですが、量子コンピューターや量子の概念は日常生活に頻繁に登場します (たとえば、疑問があるときは量子力学が使われるという有名なミームなど)。

では、量子コンピューティングとは一体何なのでしょうか?量子コンピュータは本当に可能なのか？現実生活の概念を使ってそれらを理解しようとすることは可能でしょうか?量子コンピューティングについて皆さんに予備的な理解を深めていただくために、私たちは、量子コンピューティングに関するいくつかの事柄について、一般向けで具体的な言葉を使ってお話しするよう最善を尽くします。

量子コンピュータはどのような問題を解決しますか?

従来のコンピューティングとは異なり、量子コンピューティングは量子力学の法則に従います。これは、従来のコンピューティング能力のボトルネックを打破できる新しいコンピューティングモデルです。量子コンピュータは量子ビットを基本的な計算単位として使用します。いわゆる量子ビットは古典ビットとは区別されます。

量子コンピューティングの開発（出典：IBM）

上記の文章は理解しにくいと思われるかもしれませんので、文ごとに分解してみましょう。

量子コンピューティング。この用語のタイトルに「量子」という言葉が含まれているのを見ると、量子力学と関連付けずにはいられません。当然のことながら、量子力学の原理に基づくこのタイプのコンピューティングは、従来の古典的なコンピューティングとは根本的に異なります。

具体的には、従来のコンピューティングでは、情報は 0 または 1 の 2 進数 (ビット) で表され、オンとオフの 2 つの状態のみを持つ「スイッチ」に似ています。しかし、量子コンピューティングはこの伝統を打ち破ります。情報は別の方法、つまり量子ビット（キュービット）で表現されます。量子ビットは、0 と 1 の状態、つまり重ね合わせ状態を同時に取ることができます（ここでは、シュレーディンガー氏の死んでいるようで生きている魔法の猫を参照できます）。

さらに、量子ビット間には量子もつれと呼ばれる特別なつながりが存在する可能性があり、これは複数の状態をとることができる「スイッチノブ」のようなものです。

量子コンピュータは、そのユニークな特性により、計算に量子ビットを使用することができ、その計算能力は指数関数的に増大します (これは、r 個の量子ビットが 2r 個の状態の重ね合わせを実行できるため、各計算で 2r 倍の計算能力が得られるためです。対照的に、従来のコンピュータでは、同じ計算能力を得るために 2r 個の従来のビットが必要です)。

したがって、量子ビットは特定の数学的問題の計算に優れており、量子コンピューターはさまざまな分野を超越して再形成し、現在量子力学に関わるあらゆるものを妨げている限界を打ち破ることができることを意味します。

量子コンピュータは可能でしょうか？

量子コンピューティングを実現するために、現在主流の技術ルートには、超伝導、イオントラップ、半導体、光学、量子トポロジーなどが含まれます（その中でも、超伝導とイオントラップが最も急速に発展しています）。現時点では、各技術ルートにはそれぞれ長所と短所があり、実用化の要件を完全に満たすルートはありません。

量子コンピューティングを実現するための主な技術ルート（出典：「2023年世界量子コンピューティング産業発展展望」）

量子コンピュータは、従来のコンピュータのバイナリビットを量子比で置き換え、量子重ね合わせと量子もつれを通じて計算能力の飛躍的な向上を実現します。

量子コンピュータの概念は、アメリカの物理学者リチャード・ファインマンが量子システムを使って他の量子システムをシミュレートするというアイデアを提案した1980年代にまで遡ります。 1994年、アメリカのコンピュータ科学者ピーター・ショアは、大きな数を効率的に因数分解できる量子アルゴリズムを提案しました。このアルゴリズムは、特定の問題を解決する上での量子コンピュータの潜在的な利点を実証しました。

量子コンピュータの開発の歴史（出典：日経中国版サイト）

21 世紀初頭以来、量子コンピュータの開発は世界の科学技術の最前線における主要な課題の 1 つとなっています。 IBM、Google、Intelなどの世界的に有名なテクノロジー企業や多くの大学が、量子コンピューティングの分野に多大なリソースを投資してきました。

グーグルは2019年に「リンデン」と呼ばれる53量子ビットのコンピューターを開発し、世界で初めて量子超越性を達成した。彼らは「量子覇権」を達成したと主張した（特定のタスクにおける量子プロセッサのパフォーマンスは、当時の最先端の古典的なスーパーコンピュータのパフォーマンスを上回った）。

中国が量子コンピューティングの分野でも大きな進歩を遂げていることは注目に値する。

2020年、中国科学技術大学の潘建偉院士のチームが76光子量子コンピューティングのプロトタイプ「九章」を構築し、中国は世界で2番目に量子超越性を達成した国となった。 2021年、潘建偉院士のチームと協力者は、113光子の「九章2号」と66ビットの「祖崇志2号」量子コンピューティングプロトタイプの開発に成功し、中国は光と超伝導の両方の技術ルートで量子優位性を達成した国となった。 2023年、潘建偉院士のチームと協力者は、255光子量子コンピュータのプロトタイプ「九章3号」の構築に成功しました。これは、特定の数学問題を解く際に、世界最速のスーパーコンピュータの100兆倍、および「九章2号」の100万倍の速度を実現します。

中国は量子コンピューティングの分野で国際的に主導的な地位を獲得したと言える。

「超純粋シリコン」とは一体何でしょうか?

シリコンは、現代の電子技術で広く使用されている一般的な半導体材料です。シリコンベースの量子コンピューティングは、シリコン材料の特性を利用して量子ビットの保存と操作を実現する、量子コンピューティング分野の重要な分野です。具体的には、シリコンベースの量子コンピューティングでは、シリコン内の電子を小さな領域に閉じ込め、いわゆる量子ドットを形成できます。これらの量子ドットは、量子情報を保存および処理するための量子ビットとして使用できます。

シリコンベースの量子コンピューティングには、既存の半導体プロセスとの互換性（そのプロセスの大部分が従来の半導体プロセスと互換性があり、半導体業界との連携が容易であることを意味する）、より長いコヒーレンス時間（量子ビットが量子特性を保持する時間を指す）、およびスケーラビリティ（大規模な量子コンピューティングを実現するために量子ビットの数を増やす）など、多くの潜在的な利点があり、量子コンピューティングにより適しています。

シリコン量子コンピューティングがNatureの表紙を飾る。画像出典: ネイチャー誌

従来のコンピューティングと量子コンピューティングの両方には、規則的な結晶構造を持つ高純度のシリコンが必要です。これは、アモルファスシリコンには未結合手、酸素分子、その他の不純物が多く含まれており、その結果、電気特性が劣るためです。

しかし、自然界から直接シリコンを抽出する場合、無視できない問題があります。それは、シリコンにはシリコン28（28Si）、シリコン29（29Si）、シリコン30（30Si）という3つの安定同位体が含まれていることです。このうち、シリコン29はシリコンの約4.68%を占め、その原子核はゼロではない核スピンを持ち、これが双極子相互作用を通じて量子ビットをエンコードするために使用される電子スピンに干渉します。シリコン30はシリコンの3.09%しか占めず、含有量が少なく、電子スピンと核スピンの相互作用が大きいです。これにより、シリコン 28 は量子コンピューティングに理想的かつ純粋であると考えられる唯一の材料となります。したがって、シリコン 29 とシリコン 30 の影響を最小限に抑えることが、量子コンピューティングのパフォーマンスを向上させる鍵となります。

この問題を解決するために、研究チームは集束イオンビーム技術を使用し、P-NAMEと呼ばれる集束イオンビームシステムから純粋なシリコン28イオンの集束した高速ビームをシリコンウェハーに照射しました。シリコン28を注入することで、天然シリコン中のシリコン29が消費され、シリコン29の割合は4.68%から最大0.00023% (2.3ppm) に、シリコン30の割合は3.09%から最大0.00006% (0.6ppm) に減少しました。

その後、2段階のアニール処理によって注入されたアモルファス状態を再結晶化し、シリコンウエハーの結晶構造を復元しました。この技術は、シリコン 28 の極端な濃縮を実現するだけでなく、量子ビットに干渉する可能性のある他の不純物の導入も回避します。

Si-28の集束イオンビーム同位体濃縮の模式図（出典：Nature Communications Materials）

研究者らは、注入効果を検証するために、サンプル内の異なる同位体の比率を正確に測定できる技術であるナノスケール二次イオン質量分析（NanoSIMS）分析を使用しました。研究者らは分析を通じて、注入された領域におけるシリコン29の残留濃度が大幅に減少し、炭素（C）や酸素（O）などの追加の不純物が導入されていないことを確認した。さらに、透過型電子顕微鏡 (TEM) 分析により、注入された体積の非晶質特性と、アニール後の単結晶相のエピタキシャル再結晶化がさらに確認されました。これらの結果は、集束イオンビーム技術によってシリコンウェーハ内に高純度のシリコン 28 濃縮領域を実現でき、量子ビットの安定性を保証できることを示しています。

この技術によって生み出される「超高純度シリコン」は、新材料設計、人工知能、エネルギー貯蔵、物流製造などの分野で社会全体に革命的な変化をもたらすことが期待されています。このプロジェクトの共同指導者でメルボルン大学のデイビッド・ジェイミソン教授は、次のステップは、この材料が同時に多くの量子ビットで量子コヒーレンスを維持できることを実証することだと語った。

この傑出した研究は、量子材料調製の分野における科学界の進歩を示すだけでなく、量子コンピューティングの実用化とスケールアップへの道を開くものでもあります。量子技術が発展し続けるにつれて、量子コンピューターが今後数十年のうちに私たちの世界を完全に変えるだろうと信じる理由があります。

参考文献

[1] 量子コンピューティング

出典：百度百科事典、「科学普及中国」科学百科事典のエントリ執筆と応用作業プロジェクト

[2] Googleが「量子超越性」を達成したと主張する論文を発表！ 200秒の計算は、最も強力なスーパーコンピュータによる1万年の計算に相当する

出典: WeChat パブリックアカウント FX168、Hexun.com

[3] 姚其志院士：謎に包まれた量子コンピューティングと古典コンピューティングの違いは何でしょうか？

出典：Sina Technologyの「サイエンスマスターズ」コラム

[4] USTCは「九章3」光量子コンピューティングプロトタイプを実現した。

出典：中国科学技術大学ニュース

[5] シリコン量子コンピュータの忠実度は大きな進歩を遂げ、99%以上に達した。

出典：ザ・ペーパー