研究者たちは、1mm²のCMOSチップに「量子光工場」を詰め込んだ。これは、フォトニクス、エレクトロニクス、量子ハードウェアを従来のシリコン製造と組み合わせ、大量生産を可能にするものだ。

ボストン大学、カリフォルニア大学バークレー校、ノースウェスタン大学の研究者たちが、まるでSF映画から飛び出してきたかのような装置を開発しました。1mm²のシリコンチップに詰め込まれた「量子光工場」です。標準的なx86やARMプロセッサと同じ45nm CMOS製造プロセスを用いて構築されたこの画期的な技術により、量子ハードウェアは量産の世界に一歩近づきました。Nature Electronic誌に掲載されたこの研究は、特殊な装置を必要とせず、現在既に使用されている量産技術を活用することで実現できる、スケーラブルな量子コンピューティングへの道を開く可能性があります。

このチップは、将来の量子工場のラインのプロトタイプと考えてみてください。「マイクロリング共振器」と呼ばれる12個の小さなシリコンループが集積されており、それぞれが特殊な量子特性を持つ光子対を生成する役割を果たします。これらの光子対は多くの量子技術の生命線ですが、その生成には通常、脆弱な実験室設備が必要です。ここでは、指の爪ほどの大きさのチップ上で直接生成されます。

このチップの注目すべき点は、量子光を生成するだけでなく、その光を安定に保つことにも注力している点です。マイクロリング共振器は強力ですが、不安定です。わずかな温度変化や製造上の不具合によって共振器の同期が崩れ、光子の流れが止まってしまう可能性があります。この問題を解決するため、研究者たちはチップ内にフィードバックシステムを直接組み込みました。各共振器には、その性能を監視するための小型フォトダイオードに加え、小型ヒーターと制御回路がオンザフライで調整します。この自己調整方式により、通常必要とされる大型の安定化装置を必要とせず、12個の共振器すべてが完全に同期して動作することが可能になります。

最も重要な発見についてお話しましょう。チームがCMOS（相補型金属酸化膜半導体）を選択したことは、まさにゲームチェンジャーです。CMOSは現代のエレクトロニクスの基盤であり、TSMCなどの企業がスマートフォンからスーパーコンピュータまであらゆる製品の量産に使用しています。ここで使用されている45nmノードは最先端ではありませんが、実績があり、コスト効率が高く、シリコン製造の広大なインフラと互換性があります。このチップは、AIや高性能コンピューティング向けの光インターコネクトで既に先頭に立っているGlobalFoundries社およびAyar Labs社と共同開発したプラットフォームを用いて構築されました。

AIの世界とのこの重なりは偶然ではありません。NVIDIAのCEO、ジェンスン・フアン氏は最近、このチップに搭載されているようなマイクロリング共振器が、光接続によるAIハードウェアの拡張における重要なコンポーネントであると述べました。今回の新たな研究は、同じフォトニクス技術がスケーラブルな量子システムにも応用できる可能性を示しています。量子ハードウェアとAIハードウェアが同様のシリコンプラットフォームを共有する未来を想像するのは難しくありません。さらに、NVIDIAは既にこの分野に多額の投資を行っており、開発の加速は期待できます。

「量子光工場」という名称は、単なる見栄えを良くするためだけのものではありません。従来のチップが電子の流れに依存し、光ネットワークがレーザー光に依存するように、将来の量子技術には量子光の安定した供給が不可欠です。これらの量子光源がシリコン上で構築、安定化、そして複製可能であることを証明することで、研究チームは量子ハードウェアが単発の実験にとどまらず、従来のコンピューティングのようにスケールアップ可能なものへと進化できることを示しました。

参加している研究者の中には、既にこの専門知識を産業界で活用している者もいます。チームメンバーは、PsiQuantum、Ayar Labs、Google Xといった、光子技術と量子技術に大きく投資している企業に加わっています。これは、この分野が学術研究から実世界の製品へと急速に移行していることを示すもう一つの兆候です。たとえそれが革新的なものというよりは、むしろ娯楽志向のものであったとしてもです。

全米科学財団（NSF）の半導体の未来（FuSe）プログラム、パッカード・フェローシップ、そしてカタリスト財団の支援を受けたこのプロジェクトは、学際的な連携がどこまで実現可能であるかを示しています。フォトニクス、エレクトロニクス、量子光学はそれぞれ全く異なる分野ですが、このチップはこれらを商用プラットフォーム上で融合できることを証明しています。

Intelの4004マイクロプロセッサが量産型コンピューティングの幕開けを告げたとすれば、この1mm²の量子光ファクトリーは、量産型量子ハードウェアへの第一歩として記憶されるでしょう。かつては実験台一台を必要としていたものが、今ではシリコンウエハー上に収まるようになりました。これは注目すべき飛躍です。もしかしたら10年後には、量子コンピューティングの卓越性を競う新たなTSMCの姿を見ることになるかもしれません。特に量子コンピューティング用のOSが既に存在している今、その可能性はさらに高まっているのです。

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ハッサム・ナシルは、長年の技術編集者兼ライターとしての経験を持つ、熱狂的なハードウェア愛好家です。CPUの詳細な比較やハードウェア全般のニュースを専門としています。仕事以外の時間は、常に進化を続けるカスタム水冷式ゲーミングマシンのためにチューブを曲げたり、趣味で最新のCPUやGPUのベンチマークテストを行ったりしています。