新素材が量子コンピューターをより実用的にする可能性がある

スタンフォード大学の研究チームは、実用的な量子コンピュータの構築に近づくと考えられるいくつかの新素材を調査している。

量子コンピュータの構築

量子コンピュータを構築する一つの方法は、レーザーを用いて半導体材料内の回転する電子を分離することです。レーザーが電子に当たると、1つまたは複数の光粒子が放出され、電子の回転状態が示されます。このスピン状態は、従来のコンピュータが1と0を扱うのと同じように、量子コンピュータの最も基本的な構成要素として利用できます。

量子コンピュータを構築するためにこれらの新しい材料を研究してきたスタンフォード大学の電気工学教授、ジェレナ・ヴコビッチ氏によると、量子コンピューティングは、生物系の研究、暗号化、データマイニング、さらには従来のコンピュータでは解決できないその他の複雑な問題の解決に最適だという。

「干し草の山から針を探すようなものだとよく言われますが、まさにそこに量子コンピューティングの出番が来ます」とヴコビッチ氏は言う。

回転する電子を分離する上での課題は、レーザーを照射した際に電子を閉じ込めることができる材料を見つけることです。ヴコビッチ氏のチームは、この可能性を秘めた3つの材料を特定しました。量子ドット、ダイヤモンド、そして炭化ケイ素です。

量子ドット

量子ドットは、ガリウムヒ素の結晶の中に微量のインジウムヒ素が入ったものです。この2つの物質の原子的性質により、回転する電子が閉じ込められることが知られています。

ヴコビッチ研究室の大学院生ケビン・フィッシャーは最近の論文で、量子ドットシステムにおいてレーザー電子過程を用いて光の入出力を制御する方法について説明しました。例えば、レーザーにより高い電力を印加することで、1つではなく2つの光子を放出することが可能になります。これは、従来のコンピューターにおける1と0の代替として利用できる可能性があります。

1 つの問題は、量子ドット システムが依然として極低温冷却を必要とするため、汎用コンピューティングには適さないという点です。

ダイヤモンドカラーセンター

ヴコビッチ氏のチームは、ダイヤモンドの結晶格子を改変し、色中心と呼ばれる部分に光を閉じ込める研究も行っています。研究チームは、ダイヤモンドの結晶格子に含まれる炭素原子の一部をシリコン原子に置き換えました。

量子ドットアプローチと同様に、ダイヤモンドカラーセンター内で量子コンピューティングを行うには極低温冷却が必要です。

炭化ケイ素

炭化ケイ素は硬くて透明な結晶で、クラッチプレート、ブレーキパッド、防弾チョッキなどの製造に使用されています。これまでの研究では、炭化ケイ素を改変することで室温で色中心を生成できることが示されていますが、量子チップを作成するのに十分な効率ではありませんでした。

ヴコビッチ氏のチームは、炭化ケイ素格子中の原子の一部を除去することで、はるかに効率的な色中心を作製することに成功しました。また、光子抽出を向上させるために、色中心の周囲にナノワイヤを作製しました。

ヴコビッチ氏によると、室温で電子を捕捉することは量子コンピュータにとって大きな前進となる可能性がある。しかし、彼女とチームは、実用的な量子コンピュータを実現するためにどの方法が最終的に最適であるかについては確信が持てていない。

量子超越性

Google、IBM、Microsoftなど、世界最大級のテクノロジー企業が現在、量子コンピュータの開発に取り組んでいます。世界中の多くの大学のチームも、量子コンピュータの構築に向けた様々なアプローチを実験しています。

GoogleとIBMは共に、量子コンピュータの量子ビット数が現在の10未満から50程度に増加した時点で「量子超越性」、つまり量子コンピュータが特定の種類の複雑な問題を従来のコンピュータよりも高速に解けるようになると考えています。両社は、この目標が今後数年で達成されると予想しています。