独占状態を打破し、我が国初の量子コンピュータ用希釈冷凍機が発売されました！超伝導技術は世界をどのように変えるのでしょうか?

2月26日、安徽省量子情報工学技術研究センターと中国高科技国际量子科技有限公司は、国産希釈冷凍機ez-Q冷凍機の性能試験が完了し、同装置の実際の動作指標が同種製品の国際的主流レベルに達し、中国で初めて市販され、量産可能な超伝導量子コンピューター用希釈冷凍機となったと共同で発表した。希釈冷凍機は、超伝導量子コンピュータを構築するための重要な中核装置です。超伝導コンピュータの開発は超伝導材料と切り離せないものであり、通常、機器は低温条件下で動作する必要があります。では、超伝導材料とは何でしょうか。また、低温でどのように動作するのでしょうか。超伝導材料にもっと近づき、その過去と現在について学びましょう。

超伝導材料を理解するには、まず超伝導現象から始めなければなりません。 1911年、オランダの物理学者オンネスは金属水銀を4K（Kはケルビン温度、4Kは約-269.15℃に相当）以下に冷却し、抵抗がほぼゼロに低下することを発見しました。これが超伝導現象の起源です。その後、超伝導材料の研究が話題となりました。 1933年、ドイツの物理学者マイスナーは、磁石と超伝導体を近づけると、磁石の磁場の影響を受けて超伝導体の表面に超伝導電流が形成されることを発見しました。超伝導電流によって発生する磁場は、超伝導体内の磁石によって発生する磁場と大きさが等しく、方向が反対です。両者が打ち消し合うと、超伝導体内の磁気誘導強度は 0 になり、超伝導体は反磁性を持つことになります。この現象はマイスナー効果と呼ばれます。 1962 年、ジョセフソンは薄い絶縁媒体で分離された 2 つの超伝導体を研究しました。物質に電圧をかけると、超伝導体と絶縁体の間にトンネルがあるかのように、電子は絶縁体の一方の端からもう一方の超伝導体へと通過します。この現象はトンネル効果と呼ばれます。電圧が取り除かれると、再び魔法のようなことが起こります。 2 つの超伝導体の間には依然として弱い電流が流れます。これが超伝導体のジョセフソン効果です。簡単に言えば、超伝導体には、ゼロ抵抗、マイスナー効果、ジョセフソン効果という 3 つの特性があります。名前が示すように、超伝導とは超伝導性の略で、特定の温度で電子が自由に流れることができる、つまり抵抗がゼロになる金属、合金、または複合材料を指します。

では、特定の温度条件とは何でしょうか?超伝導材料は低温超伝導材料と高温超伝導材料に分けられます。しかし、ここでの最高気温と最低気温は、私たちが日常生活で認識している最高気温と最低気温とは異なります。低温超伝導体の臨界温度は 25 ～ 30 K より低いのに対し、高温超伝導体の臨界温度は 25 ～ 30 K より高くなります。低温超伝導体の冷却剤は、温度が 4.2K 未満の液体ヘリウムですが、高温超伝導体の冷却剤は、液体水素と液体窒素です。しかし、なぜ超伝導が起こるのでしょうか? 1957年、バーディーン、クーパー、シュリーファーによって提唱された理論は、超伝導の原因を世界に初めて明らかにした。この理論は、超伝導現象をマクロな量子効果として理解します。この理論は、超伝導物質内で反対のスピンと運動量を持つ 2 つの電子がペアになって「クーパー対」を形成できることを指摘しています。超低温環境では、「クーパー対」は電子格子とエネルギーを交換せず、格子内を損失なく移動できる、つまり抵抗が消えて超伝導電流が発生します。低温超伝導材料の主な代表例としては、ニオブチタン合金（NbTi）、ニオブスズ合金（Nb3Sn）、ニオブアルミニウム合金（Nb3Al）などの合金があります。しかし、低温超伝導材料は高価な液体ヘリウム環境を必要とするため、その応用は限られています。高温超伝導材料は安価な液体窒素冷凍環境で使用でき、その主な代表例としてはイットリウムバリウム銅酸化物（YBCO）やビスマスストロンチウムカルシウム銅酸化物（BSCCO）などの化合物が挙げられます。

科学者たちは超伝導に基づく技術が世界を変えることができると信じています。では、超伝導材料の具体的な用途は何でしょうか?

超伝導磁石は超伝導材料が最も広く使用されている分野であり、医療分野で多くの用途があります。医療検査の磁気共鳴画像技術では、患者の検査に強力な磁場環境が必要です。超伝導材料で作られた超伝導コイルは抵抗がゼロという特性があり、電流によってこの要件を満たす強力な磁場を発生させることができます。

高エネルギー粒子加速器や粒子加速器などの大型科学研究装置は、超伝導磁石なしでは動作しません。従来の電線で輸送される電気エネルギーは抵抗エネルギー消費の問題を避けることができず、電気エネルギーの約 10% が熱の形で無駄になります。超伝導ケーブルのゼロ抵抗特性により、エネルギー損失を効果的に回避し、通常のケーブルに比べて 40% ～ 80% のエネルギーを節約できます。

超伝導コンピュータは、21 世紀のコンピュータ分野における重要な研究方向です。単純な超伝導デバイスのみをベースにした超伝導コンピューターは、1 秒あたり 500 億の命令を実行できます。これは、現在利用可能な最速のシリコンベースの材料よりも 100 倍高速です。

超伝導技術を利用することで、兵器や装備品用の超伝導量子干渉計を製造し、周囲の磁場とその感度を識別する能力を実証することができます。また、超伝導赤外線検出器、超伝導電磁推進システム、超伝導タンク、超伝導航空機、超伝導宇宙打ち上げ機などの製造にも使用できます。

超伝導材料の用途はこれらに限定されるものではありません。人類の超伝導材料の探究は止まることなく、超伝導体は活発な発展傾向を示しています。過去 1 世紀の発展を振り返ると、超伝導技術は世界に影響を及ぼしており、人類生活のあらゆる側面に利益をもたらす幅広い研究の余地がまだ残っています。

（モ・ズンリは西北師範大学の教授兼博士課程の指導者であり、呂文波は西北師範大学の修士課程の学生である）