フィンランドのVTT技術研究センターのチームによる研究は、より持続可能で高性能な量子コンピュータへの道筋を示す可能性があります。研究チームは、真空管のようなデバイスを設計し、純粋に電子的な方法で冷却を可能にしました。これは、希釈冷却型量子コンピュータの冷却コストを10分の1に削減する可能性のある道です。実験では、この設計により温度が最大40%低下することを発見しました。
これらの量子コンピュータは、主に超伝導トランズモン量子ビットを用いて有用な計算処理を実行しており、IBM、Google、Amazonなどの量子技術を重視する企業（ただし、すべてではない）が好んで採用している量子ビットです。しかし、これらの超伝導量子ビットを動作させるには、宇宙の絶対零度（約1ケルビン）近くまで冷却する必要があります。この理想的な動作温度を実現するために、異なるヘリウム同位体を混合する必要があるため、複雑さが増します。
しかし、VTTのフィンランド人科学者たちは全く異なる道を歩んでいます。彼らは、電子の形で熱を放出する熱電子デバイスを開発しました（電子を導くにはエネルギーが必要であり、ペルチェ効果を利用する熱電子デバイスは通常、さらに別のエネルギー消費ステップを導入します）。しかし重要なのは、このデバイスによって冷却をほぼ極限まで高めることができることです。研究者たちは、電子機器を1.5 Kから0.1 Kの範囲まで冷却できると予想しています。これは、「絶対零度」コンピューティングの基本的な冷却メカニズムとして機能するには十分すぎる温度です。さらに、この技術は流体ベースの冷却に比べて、はるかに小型で、コストが低く、ロジスティクスと運用の両面でエラーが発生しにくいはずです。
「私たちの技術は、業界が量子コンピュータシステム全体の規模を縮小するのに役立つ可能性があります」と、エスポーにあるフィンランドVTT技術研究センターのミカ・プルニラ氏は述べた。
基本的に、熱は素粒子間の高速移動と、それに続くエネルギー放出衝突によって発生します。量子コンピューティングには、いくつかの理由（超伝導接合部がその温度でのみ超伝導状態になるため、現在利用可能な超伝導材料を反映している）から絶対零度に近い温度が必要です。絶対零度の環境では、素粒子の速度は極めて遅くなります。移動速度が遅いため衝突が少なくなり、結果として発熱が少なくなり、コンピューティング状態がより安定します。その結果、観察が容易になり、有用な情報を抽出しやすくなります。F1マシンで疾走するおじいちゃんを特定しようとするのも簡単ですが、F1マシンをゆっくりと走るトラクターに置き換えれば、おじいちゃんの髪の毛の数を数える方がはるかに簡単になります。
しかし、熱電子冷却器の問題点は、電子の活動だけが基礎的な熱源ではないことです。他の粒子、半粒子、準粒子も相互作用し、電子放出によって得られた冷却効果が、他の粒子（この場合はフォノン）が「戻ってきて」、冷却済みの物質内の粒子と相互作用（衝突）し、再び加熱することで失われることがよくあります。このプロセスは「後方散乱」と呼ばれます。重要なのは、研究者らの熱電子冷却器は、電子を誘導すると同時に、戻ってくるフォノンが冷却済みの表面と相互作用（加熱）するのを阻止できることです。
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研究者らの熱電子デバイスは、異なる媒体の接合点（物質同士が接触する部分）を伝わって熱を導くことで機能します。この場合、熱は超伝導媒体から半導体媒体へと引き寄せられ、最も敏感な部分（絶対零度付近にしたい部分）から、より敏感でない部分へと熱が移動します。こうして冷却効果が最大化されます。
この技術はまだ初期段階ですが、量子コンピュータと古典コンピュータが実用的なペースで発展し続けるためには、熱管理における根本的なブレークスルーが必要です。フィンランドの研究者による熱電子デバイスがその答えとなるかもしれませんし、そうでないかもしれません。少なくとも、このデバイスは、これまで未知であったいくつかの課題を克服し、より小型で高性能な冷却ソリューションの実現に大きく貢献しました。
Francisco Pires 氏は、Tom's Hardware のフリーランス ニュース ライターであり、量子コンピューティングに関心を持っています。
