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序文 |
今日の世界のテクノロジー業界では量子コンピューティングが話題になっています。前世紀のシリコンテクノロジーのように、量子コンピューティングは世界を変える次世代技術になると信じられています。量子技術の開発はまだ初期段階ですが、米国のグーグル、IBM、インテルなどの大手企業は、来るべき量子覇権時代に先手を打ち、主役になるべく、すでに関連研究開発への投資を開始しています。
鴻海精密工業の劉揚偉（Young Liu）会長は、「今後3〜5年は、台湾にとって量子コンピューティングを発展させるチャンスだ」と語っています。量子コンピュータが理論的な基礎の検証から実用化へと急速に進むにつれ、世界の量子産業は徐々に形を整えつつあります。世界最高の半導体技術者を擁する台湾は、既存の産業資源が大きな強みとなっています。つまり、台湾には「シリコン（ゲルマニウム）ベースの量子ビット」というコアコンポーネントを開発・製造する絶好の機会があるのです。産官学の関係者は、台湾に次の半導体の奇跡をもたらすために、このチャンスに注目し、捉える必要があります。
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Director of R&D Center & Marketing Division, Chris Chen, 2021/10/12
量子コンピューティング技術の進化と課題に関する-考察
李佩雯（Pei-Wen Li ）教授
国立陽明交通大学 電子研究所(台湾)
低次元材料工学は、従来のバルク材料工学の窓を開きました。ナノレベル、さらには原子レベルのセンサー、イメージング技術、エレクトロニクス、光学、量子情報、量子コンピューティング、さらにはエネルギー変換部品など、幅広いアプリケーションを開発し、従来のバルク材料工学に新しい窓を開きました。。しかし、これらの応用技術の多くは、バルク材料科学や工学だけに頼って実現することはできません。
量子物質は、材料内を自由に移動できる電荷の空間的次元によって、大きく4つのカテゴリーに分類できます。
- 電荷が3次元で自由に動くことができる材料。
- 2次元量子井戸(障壁次元が電荷の移動を制限)。
- 1次元量子細線(電荷が2次元に制限され、移動が許されているのは1次元のみ)。
- ゼロ次元量子ドット(電荷の移動が3次元すべてで制限)。
興味深いことに、3次元バルク材料をゼロ次元量子ドットに縮小すると、移動制限に加えて、電荷は奇跡的な量子化現象を起こします。具体的には、材料中の電荷の状態密度は、連続エネルギーバンドから離散エネルギー準位に変化します。
たとえば、球状の量子ドットを考えてみましょう。1次元の放射状に対称な静電ポテンシャルの制限により、量子ドット内の電荷は特定のエネルギーレベル内でのみ貯蔵することができ、もはやバルクではないように見えます。物質中では、電荷はあらゆるエネルギーを運び、一般的にあらゆる空間位置に現れることができます。シュレディンガーの方程式によれば、量子ドット内のエネルギー準位の離散量は、主にその直径、形状、および応力によって決定されます。簡単に言えば、量子ドットの直径が小さいほど、量子効果は大きくなります。したがって、図1に示すように、エネルギー準位の離散性はより顕著になります。
 図 1.量子ドットの電子構造はその直径に大きく依存します。量子ドットの直径がボーア半径よりも小さい場合、その電子構造は連続エネルギーバンドから離散エネルギー状態に徐々に変化し、分割エネルギー準位間のギャップは広くなります。 |
これは量子サイズ効果と呼ばれています。量子サイズ効果は、量子ドットの直径を調整することで、その電子構造、電荷分布、電気、光学、およびその他の複数の物理的特性を調整できます。量子サイズ効果と低次元材料の機能的特徴は、すでに量子工学設計の多くの分野を開くことに成功しています。量子ドットの形状、直径、結晶品質、変形/応力、空間配置を正確に制御できれば、センシング、量子ドットTVなどの画像表示、量子コンピューティングなどのアプリケーションを大幅に改善および拡張できます。 |
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量子コンピューティング - これからのデジタル時代で最も影響力のあるコンピューティングおよびデータストレージ技術のひとつ。 |
量子ドットの多くのアプリケーションの中で、特に注目すべきもののひとつが量子コンピューティングです。物理学の２人の偉大な巨匠であるスティーブン・ワイズナーとファインマンは、1980年代に量子コンピューティングの要件と概念を提唱して先鞭をつけました。近年、ビッグデータ時代の到来を告げる人工知能、機械学習、セキュリティ暗号化の進歩に対応して、膨大なデータの超高速処理が実現できる量子コンピューティングソリューションの提案を世界中の人々が競い合っています。
2017年、米国下院科学委員会は、「量子技術におけるアメリカの優位性」を確保する必要性を宣言しました。2018年、EUは「量子フラッグシップ」プログラムを実施しました。中国科学院とアリババは共同で科学研究実験室「達摩院（DAMO）」を設立し、日本は量子ニューラルネットワークサービスを無償で提供すると発表し、カナダ政府とオーストラリア政府は研究開発などに数億ドルを投資しました。ボストンコンサルティング調査では、さまざまな国の企業(Google、IBM、Intel、Microsoft、Honeywell、D-Wave、QxBranch、QCWare、QuTech、1Qbitなど)、研究機関(MIT、オックスフォード大学、ニューサウスウェールズ大学、慶應義塾大学、デルフト工科大学、imec、Letiなど)、さらには伝統的な大企業(BASFやダウデュポンなど)の企業が量子コンピューティング/ソフトウェア開発に多額の投資を行っていることが発表されています。量子コンピューティングは、来たるデジタル時代において最も影響力のあるコンピューティングおよびデータストレージテクノロジーの1つになる可能性が非常に高いです。
量子コンピューティングを行うには、既存のコンピューターを「アップグレードまたは改善」する以上のことを行う必要があります。量子コンピューティングは、まったく異なる性質のまったく新しいアルゴリズムを使用するため、まったく新しいソフトウェアとハ ードウェアが必要です。量子コンピューティング ハードウェアを構築するための 3 つの重要な構成要素があります。これらは：
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基本演算ユニット3/4 量子ビット
- 制御回路
- 読み取り回路[1]
本質的には、量子ビットの量子重ね合わせ、量子もつれ、および関連する原理を使用して、量子状態の複数の組み合わせを作成することです。古典計算の「0」または「1」の2つの状態の限界を突破することができます。
ただし、量子コンピューティングの基本概念は一見単純に見えますが、実際のハードウェアおよびソフトウェア技術のしきい値は非常に高いです。これまでのところ、世界は量子コンピューティングハードウェアへの最良のアプローチについて世界のコンセンサスが得られていません。世界中の物理学者、半導体エンジニア、コンピューター科学者はすべて、さまざまな種類の量子ビットを開発しています。代表的な例としては、超伝導体、イオントラップ、ダイヤモンド、フォトニクス、量子ドット(QD)、トポロジカル量子ビットなどがあります。示されている量子ビットタイプのほとんどは、まだ実験室のプロトタイプ段階にあります。
量子ビットの品質を評価する際に考慮すべき主な要因には、デコヒーレンス時間、スケーラビリティ、忠実度、接続性、動作温度、大量生産の可能性などがあります(表1に示すように)[2]。デコヒーレンス時間とスケーラビリティは、特に初期段階で量子ビットの成功または失敗を評価するための鍵です。
- デコヒーレンスとは、量子状態が外部環境の擾乱の影響を受け、時間の経過と共に徐々に失われるかどうかを示します。
- スケーラビリティとは、拡張によって作成できる量子ビットの最大数を指します。
従来のコンピューターは、半導体プロセス技術を使用して、表面積の増加を犠牲にしてビット数を拡張してきました。さらに、プロセス統合が複雑で、回路/システム設計が難しいなど。しかし、量子コンピューティングでは、プロセス技術を使用して量子ビットの数を増やすだけでは不十分です。私たちが直面する最大の課題は、量子ビットを追加するたびにエンタングルメント（量子もつれ）の難易度が指数関数的に増加するため、複数の量子ビットのコヒーレンスとエンタングルメントを正確に制御する方法です。量子チップが複数の量子ビットのコヒーレンスを正確に制御できない場合、量子コンピューティングは実用的な価値がありません。そのため、リアルタイム操作や量子状態の効果的な読み取りが可能な低温CMOS回路が必要です。
表 1.さまざまなタイプの量子ビットの主要な指標、長所と短所の比較[2] |
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量子コンピューティングハードウェアの画期的な進歩 |
幸いなことに、世界中の人々の努力により、量子コンピューティングハードウェアは過去2017年間で多くのエキサイティングな発展を遂げました。2017年、IBMは50ビットの超伝導IBM-Qを発表しました。その後、2018年に、Googleは、99%の読み取り精度を達成した72ビット超伝導ブリッスルコーン（Bristlecone）を発表したときに、量子超越性のマイルストーンを築いたと主張しました。中国でも、10年にアリババが10ビット超伝導量子コンピューターを発表しました。さらに、Intelは49ビットのタングルレイク超伝導量子チップを発表しました。
それにもかかわらず、超伝導量子ビットの忠実度、拡張、および誤り訂正には、まだ多くの改善が必要です。さらに、動作環境(温度や電磁場など)への干渉は、量子コンピューティングの開発に対する主要な制約です。たとえば、超伝導量子ビットは、絶対零度に近い極低温(mK)環境でのみ動作できます。したがって、関連する制御回路は大型冷蔵庫の外に配置し、RFコンポーネントを使用して超伝導量子ビットを制御する必要があります。しかし、極寒下で超伝導量子ビットチップの長期安定性を維持するために必要なパッケージング技術は非常に複雑です。最近では、フォトニック量子コンピューティングやイオントラップ量子ビットも繰り返し良い結果を生み出しています。しかし、光子を操作するには大きな光学テーブルと多数の光学部品を使用する必要があり、イオントラップは超高真空環境で操作する必要があります。つまり、両者の制御環境は依然として非常に厳しいものです。
 図 3.二酸化ケイ素、窒化ケイ素、およびシリコンに埋め込まれた熱酸化シリコンゲルマニウム構造を使用して形成された自己組織化ゲルマニウム量子ドット。 |
インテルは、超伝導量子ビットの数を積極的に拡大することに加えて、スケーラブルなシリコン量子ビット半導体システムの構築に目指しています。シリコン量子ビットの利点は、CMOS制御回路と直接統合できるため、実用的な量子コンピューティングアプリケーションの実現可能性が向上することです。現在、シリコン量子ドットを製造するにはいくつかの異なる方法があります。自己組織化量子ドットはエピタキシャル成長が可能です(図3参照)[3]。また、リソグラフィパターニング技術(図4に示すように)を使用して製造することもできます[4,5]。 |
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図 4.サイオで2/ Si、Si / SiGe、およびGe / Si2次元電子ガス量子井戸[5]またはSiナノワイヤ[5]。複数の電極は、リソグラフィにより作られ、シリコンまたはゲルマニウム量子ドットは電圧誘導と閉じ込め障壁によって形成されました。 |
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しかし、実用的なシリコン量子ドットビットや関連する電荷検出素子を実現するためには、量子ドットとそのシェルの形状、直径、界面品質、シェルの種類や配置などを正確に制御する必要があります。シリコン材料のボーア励起子半径は約5nmです。これは、かなりのレベルのエネルギー量子化を示すために、シリコン量子ドットの直径が5nm未満である必要があることを意味します。しかし、既存の最先端のリソグラフィ技術を用いても、5nm未満のシリコン量子ドットを作製することは依然として非常に困難です。もう一つの課題は、特定の量子ドットを直接操作できるナノ電極をどのように作るかです。リソグラフィ装置の分解能と層間アライメントの精度によって制限され、ナノ電極は必然的に周囲の他の量子ドットに影響を与えたり接触したりします。
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ゲルマニウム(Ge)量子ビット開発は、シリコンベースの量子コンピューティングに幅広いオプションを提供します |
シリコンスピン量子ビットはこれまでに4つ導入されていますが、シリコンはスピン電荷変換効率が悪く、S/N比が低いため読み出しが用意でなくk、極低温(<<4K)でしか動作できません。近年、IV族半導体でもあるゲルマニウム(Ge)量子ビットの研究開発も注目されています。これにより、シリコンベースの量子コンピューティングを実現するための選択肢が増えました。これは、ゲルマニウムのボーア励起子半径が約25nmであり、シリコンの5nmよりもはるかに大きいためです。さらに、ゲルマニウムのスピン軌道結合効果は非常に強く、スピンが電気によって直接駆動される可能性が非常に高く、制御の実現可能性と信頼性が向上します。現在、シリコンまたはゲルマニウム量子ビットの開発に注力している国際的な研究機関には、米国のウィスコンシン大学、プリンストン大学、カリフォルニア大学バークレー校、Hughes Laboratory、サンディア国立研究所、ベルギーimec、フランスのCEA-Leti、オランダ工科大学、オーストラリアのニューサウスウェールズ大学、日本の東京大学等があります。
シリコンおよびゲルマニウム量子ドットの調製または成長における技術的な困難に加えて、形状、サイズ、結晶状態、変形応力、シェル/量子ドット界面などの量子ドットの構造特性をリアルタイムで正確に分析できる必要もあります。量子ドットの直径はほとんどが数十または数ナノメートル以内であるため、それらは異なる結晶状態のシェルおよびホスト材料に包まれています。したがって、高倍率透過電子顕微鏡(TEM)、顕微ラマン分光法、広角X線回折分光法(XRD)、収束ビーム電子回折(CBD)、ナノビーム電子回折(NBD)などを用いて量子ドットの構造特性を試験・解析するためには、試料のサンプリング、調製、取得に関する処理方法をより高度かつ専門化する必要があります。原子電子マッピングと電子エネルギー損失分光法(EELS)およびエネルギー分散型分光法(EDS)を走査透過電子分光法(STEM)によるイメージング結果と組み合わせて、完全な量子ドット構造解析を構築するために必要な局所的な化学組成と構造情報を収集する必要がある場合もあります。
例えば、「シリコンゲルマニウム」ナノ構造の選択的酸化によって、「一体化」した自己形成球状ゲルマニウム量子ドット/二酸化ケイ素/シリコンゲルマニウムナノ層ヘテロ構造を作製できることを実験しました。透過電子顕微鏡、ナノビーム電子線回折、エネルギー分散型分光法による原子元素マッピングと走査透過電子顕微鏡などを組み合わせることで、ゲルマニウム量子ドットが厚さ約2nmの二酸化ケイ素殻で覆われていることがはっきりとわかります。さらに、ゲルマニウム量子ドット/二酸化ケイ素シェルの下にSiGeナノ層が生成されています(図5の透過型電子顕微鏡およびエネルギー分散型分光法のイメージに示すとおり)。
図 5.ゲルマニウム量子ドット/二酸化ケイ素殻/シリコン-ゲルマニウムナノ層の自己形成ヘテロ構造を透過型電子分光法とエネルギー分散型分光法で観察。 |
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量子コンピューティングハードウェア技術を実現するためのラストマイル |
実用的な観点からは、量子ビットを効果的に操作し、量子ビットの状態を正確に読み取ることは、量子コンピューティングハードウェアテクノロジーを実現するためにカバーする必要がある最後のストレッチです。これは、量子ドットの微弱結合効果は非常に弱く、量子状態での電位変化(約<0.1mV)と電流変化(約pA-100pA)が非常に小さいためです。さらに、量子ビットの状態は、周囲の電位または電磁場(mV)の乱れの影響を受けやすく、したがって、入力電圧の制御はmVまたはサブmVの精度に達する必要があります。最大の技術的課題は、低温動作環境で量子ビットの微弱電流信号を読み取ることです。さらに、量子ドットとは対照的に、必要な多数の制御電極がかなりの面積を占めるため、浮遊容量、クロストーク、電流リークなどの電極間の寄生効果が生じます。これらはすべて、大量のバックグラウンドノイズを生成します。これにより、量子状態の操作と読み取りの難しさが大幅に高まります。
現在、多くの研究機関が独自に外部テストシステムを構築し、量子ビットの量子状態を測定するためにアドホックに設計および組み立てています。ただし、複数の任意波形発生器(AWG)、マイクロ波伝送ライン、およびロックインアンプを組み立てる場合、さまざまな機器間のクロストークによって、無視できないバックグラウンド障害が発生します。特に、市販の波形発生器やトランスコンダクタンス・アンプの機能仕様は、使用するには不十分です。そのため、半導体量子ビットの電荷状態やスピン状態を効果的に読み取るための試験手法を標準化するための試験装置と技術の開発が急務となっています。
量子コンピューティングハードウェア技術は、概念実証とシステム統合からエラー訂正、そして最終的には実用化市場に進むために、物理学、半導体工学、ナノ材料テスト、アナログ/デジタルミックスドシグナル集積回路、マイクロ波技術などの統合を必要とする学際的な研究開発分野です。シリコン半導体技術の世界的リーダーであり、集積回路(IC)製造産業の重要な中心地として、台湾はシリコンとゲルマニウム量子ビットドット技術の開発に努める必要があります。
References:
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D. Loss and D. P. DiVincenzo, “Quantum computation with quantum dots,” Phys. Rev. A, vol. 57, 120–126 (1998)
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T. Meunier et al., “Towards scalable quantum computing based on silicon spin,” VLSI Sym. T3-2(2019)
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I-Hsiang Wang, Po-Yu Hong, Kang-Ping Peng, Horng-Chih Lin, Thomas George, and Pei-Wen Li, (invited talk), “The Wonderful World of Designer Ge Quantum Dots” IEDM Tech. Dig. pp. 841-845, Dec. 2020, San Francisco, USA.
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W. I. L. Lawrie, H. G. J. Eenink, N. W. Hendrickx, J. M. Boter, L. Petit, S. V. Amitonov, M. Lodari, B. Paquelet Wuetz, C. Volk, S. G. J. Philips, G. Droulers, N. Kalhor, F. van Riggelen, D. Brousse, A. Sammak, L. M. K. Vandersypen, G. Scappucci, and M. Veldhorst, “Quantum dot arrays in silicon and germanium,” Appl. Phys. Lett., 116, 080501 (2020)
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K. Horibe, T. Kodera, S. Oda, “Lithographically defined few-electron silicon quantum dots based on a silicon-on-insulator substrate,”. Appl. Phys. Lett. 2015, 106, 083111
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MA-tek編集後記 |
MA-tek は今年、李佩雯(Pei-wen Li )教授と共同で、量子コンピューティングのキーコンポーネントである量子ドットの構造・電気的技術開発に焦点を当てた産学連携プロジェクトを実施できることを光栄に思います。特にナノ電極の量子ドットは非常に小さく、製造や分析が非常に困難です。そのため、多くの高度な分析技術が必要とされています。MA-tek は、部品レベルの電気特性測定のための位置決め技術、FIB(集束イオンビーム)精密試料作製、高分解能TEM(透過電子顕微鏡)、EDX(エネルギー分散型 X 線分光法)、EBSD(電子線後方散乱回折)などの幅広い構造・組成分析技術を専門としています。超伝導体、イオントラップ、窒素-空孔（NV）、その他量子ビット構造の種類にかかわらず、MA-tekはお客様の量子コンポーネント研究に必要なあらゆる分析を提供し、サポートいたします。
量子テクノロジーは、現在、爆発的な発展を遂げています。特に量子コンピュータは、特定分野では既に通常のコンピュータの性能を凌駕することが実証されています。そのため、台湾の多くの企業や研究機関が注目し、異業種を含め、多くの企業が量子技術の研究開発部門を立ち上げるために投資を始めています。MA-tek は、業界最高の研究開発パートナーとして、量子時代への道を切り開くお客様に寄り添い、支援できることを誇りに思います。
現在、次号の「科学技術の新チャネル|コラボレーションコラム」を企画中ですので、MA-tekの技術記事にご期待ください。さまざまな最先端技術の最新情報を入手し、グローバルサプライチェーンでより競争力を高めましょう!
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