80 年代の特定のテクノロジーがより優れた量子コンピューターの鍵となる可能性はありますか?

英国のヘヴィメタルのニューウェーブから、当時のメイクアップアーティストが好んだ豊富な紫色のチークまで、1980年代には好きなものがたくさんあります。しかし、この髪の毛、騒音、華やかさの中に、見過ごされているスーパースター、それが超電導回路がありました。 1980 年代、コンピューティング大手 IBM は、革新的といえるほど効率的なコンピューターを開発するためにこのテクノロジーに賭けていました。同年5月、ポピュラーサイエンス誌 科学的アメリカ人 カバーには超電導回路まで載せてあります。

しかし、革命は決して起こりませんでした。超電導コンピュータチップは、パーマやペグ付きパンツと同じ道を歩んでしまったようです。しかし、ある企業が研究を続けた。私は最近、ニューヨーク州北部にある SEEQC の本社と同社の量子チップ製造工場を訪問しました。この工場は閉鎖された IBM の超電導コンピューティング プログラムから部分的に独立したものです。そこで私は、超電導チップが新たな技術革命、今回は量子コンピューターで重要な役割を果たすという同社の希望について知りました。

SEEQC の製造施設内では、大型機械や全身防護服を着た技術者に囲まれています。これらのクリーンルームの一部では、超電導金属ニオブの極薄層が誘電体材料の層上に繰り返し注意深く堆積され、繊細なサンドイッチ状の構造が形成されます。他の例では、リソグラフィーツールが光を使用してこれらの構造上に複雑な回路を書き込み、小さなトレンチや溝のそれぞれが、それらを機能させる量子プロセスにとって重要になります。フロア全体が騒音でざわめき、すべてが黄色の光に包まれています。これは、他の色よりもチップ製造プロセスへの影響が少ないと聞いています。隣接する会議室で話をしていると、SEEQC CEO のジョン・レヴィ氏が同社の超電導チップのバージョンを私に手渡してくれました。私は、すでに将来の産業の変革を目指しているデバイスとしては、これがいかに小さくて四角いのかに衝撃を受けました。

私たちが解決しなければならない問題

超伝導体は完璧な効率で電気を伝達するため、私たちがエレクトロニクスに一般的に使用するすべての材料とは著しく異なります。携帯電話を充電するために接続すると、コードや充電器が熱くなり、携帯電話に必要なエネルギーが減少することがあります。これは、2017 年にコンピューター科学者のマイケル フランクが「従来のコンピューターは本質的には、副作用として少量の計算を実行する高価な電気ヒーターである」と書いたほどです。

超電導コンポーネントを備えたコンピューターでは、この問題は発生しません。しかし、問題があります。既知の超伝導体はすべて、動作するために極度に低温に保たれるか、極度の圧力下に置かれなければなりません。これは、超電導コンピューターを常に絶対零度より数度だけ高く保つ必要があることを意味します。歴史的に、これは費用がかかりすぎて不便であることが判明しました。 IBM は 1983 年に超電導コンピューティングの研究活動を終了しました。熱を吐き出す従来のコンピューターが勝利し、やや皮肉なことに、コンピューティングのエネルギーコストは増加するばかりで、今日では主に AI ブームの影響で高騰しています。

しかし、数十年後、超伝導体が再び脚光を浴びるようになりました。 1999 年に日本の研究者チームが、量子コンピューターの最も基本的な構成要素である最初の超伝導量子ビット (量子ビット) を作成しました。それは研究者が10年前に試みたものとは根本的に異なる提案でした。彼らは、超伝導材料を使用して一般的に使用されているコンピューティングを複製するのではなく、従来のコンピュータには存在しないメカニズムを通じて情報を処理するデバイスを備えた、まったく新しいタイプのコンピューティングへの扉を開きました。

それ以来、量子コンピューティングは大きな進歩を遂げ、超伝導量子ビットはその進歩に一役買っています。 Google と IBM は、現在最も強力な量子コンピューターのいくつかを実行するためにこれらのデバイスを使用しており、これらのデバイスは科学的に興味深い問題に取り組み始めており、有望な成功を収めています。古典的なコンピューターに対する「量子超越性」を示すいくつかの実証は議論の余地がなく、これらのマシンが以前に構築されたコンピューターとは根本的に異なるという約束を強化しています。

同時に、量子コンピューターは、その破壊的な約束をまだ果たせていません。ほんの数例を挙げると、広く使用されている暗号化を解読したり、驚くべき新薬を発見したり、工業化学に革命を起こしたりすることはありません。このような作品を実現するまでの道のりには、技術的な課題やエンジニアリング上のハードルがたくさんあります。

答えの一部は 1980 年代にあるのでしょうか?リヴァイは確かにそう思っている。同氏のチームは、量子コンピューターの大型化、強力化、エラー耐性の向上を一度に実現できるデジタル超伝導チップを開発していると述べた。私たちの廊下の向こうでは、研究者たちがあらゆる種類のチューブ型冷蔵庫でチップをテストしている。彼らの目標は、単にもう 1 つデバイスやもう 1 つのコンポーネントを作成することではなく、現在量子コンピュータを重く非効率にしている多くのコンポーネントを置き換えることだと私に語った。

超伝導量子コンピューターの核心は、超伝導量子ビットが充填されたチップと、そのチップが機能するために配置される必要がある冷蔵庫で構成されます。外から見ると、通常は人の身長ほどの滑らかな長方​​形の箱が見えます。しかし、それだけではありません。量子ビットは制御および監視されなければならず、情報は従来のコンピューターから入力され、その計算結果も誰かが読み取る必要があります。また、量子ビットは壊れやすくエラーが発生しやすいため、複数の量子ビットをリアルタイムで同時に監視および調整する高度な制御を必要とするエラー修正アルゴリズムを実行する必要があります。したがって、量子コンピューターの非量子コンポーネントはその機能にとって非常に重要であり、これらは多くのスペースを占有し、多くのエネルギーを消費します。キュビットが入った背の高い冷蔵庫の後ろには、通常、エネルギーを浪費する従来の家電製品のラックで満たされた同じ背の高いキャビネットがいくつかあります。そして、コンピューターの量子部分と非量子部分を接続する無数のケーブルがあります。

コンピューターをより強力にするために量子ビットを追加するには、さらに多くのケーブルが必要です。 「物理的に、ケーブルを永遠に接続し続けることはできません」と SEEQC の最高技術責任者である Shu-Jen Han 氏は言います。冷蔵庫内のスペースが問題になるだけでなく、各ケーブルが熱を持ち込むため、量子ビットが刺激されてパフォーマンスが損なわれます。量子ビットをどのように組み合わせ、制御し、配線し、パッケージ化するかは、エンジニアや専門家だけが気にすべきテクノロジーの重要な側面のように思えるかもしれませんが、量子コンピューターのさらなる成熟を妨げる問題の 1 つとなっています。

私が持っている SEEQC チップは、この問題の多くを解決できます。

見た目は、皆さんが想像するコンピューター チップとまったく同じで、小さくて平らで、少し大きめのチップの上に金属製の長方形が乗っています。 Levy 氏は、小さい方の長方形には超伝導量子ビットが収容され、大きい方の長方形にはこれらの量子ビットをデジタル制御できる超伝導材料で作られた従来のコンピューティング チップが収容されていると説明しています。これらは両方とも超電導であるため、同じ冷蔵庫に収容することができ、現在量子コンピューターが依存している室温機器の多くが不要になります。

冷蔵庫に余分な熱を加えないことは明らかな利点ですが、超電導制御チップの消費電力もほとんどありません。 SEEQC は、これにより量子コンピューターのエネルギー効率が 10 億倍向上する可能性があると推定しています。 Quantum Energy Initiative の予測によると、大型でエラーのない量子コンピューターの一部の設計には、既存の従来型スーパーコンピューター (部屋全体を占める巨大なコンピューター) よりも多くのエネルギーが必要となり、そのエネルギー消費の大部分は古典的なコンピューティング コンポーネントに起因する可能性があります。

2 つのチップ (計算を実行する量子チップとそれを制御する古典チップ) をより近づけることができるため、量子ビットへの命令の送信や、計算の読み取りとエラーの修正の遅延が少なくなります。レヴィ氏はまた、チップの信号はデジタルであるため、それを制御する量子ビットも「クロストーク」、つまりエラーを発生させやすくする意図しない相互作用が少ないはずだとも語った。

2025 年、私は David DiVincenzo に話を聞きました。彼は約 20 年前、実用的な量子コンピューターを構築するための 7 つの条件を提案し、研究者たちは今もそれを追求しています。彼は、便利で強力な量子コンピューターを思い描くとき、​​それは機械でいっぱいの部屋全体を巻き込む可能性のある 100 万量子ビットのデバイスであり、ラップトップやデータセンターのラックというよりは粒子衝突器施設に似ていると語った。 SEEQC チームは、この運命を回避するために取り組んでいます。コンピューティング ファンは、ENIAC ではなく Mac を思い浮かべてください。

SEEQC チームは現在、さまざまな構成と、自社の研究者や他の量子コンピューター メーカーが作成した量子ビットを使用してチップをテストしています。レヴィ氏は、初期のテストでは全体的に良好なパフォーマンスが示されており、チップの多用途性が示されていると述べた。また、すべてのテストは少数の量子ビット、通常は 10 未満に制限されており、これは同社が実現を期待している将来の実用的な量子コンピューターよりも数桁小さいです。

物理学的な問題も発生します。磁場が近くにある場合、超伝導体は、量子ビットの調整に使用されるような小さな量子渦で満たされる傾向があります。 SEEQC の科学最高責任者であるオレグ・ムハノフ氏は、渦が別の電磁場によって押し流されるというこの問題に取り組むために同社が発明した方法について私に語った。簡単に言えば、私は大学院時代にタイムスリップし、超伝導物理学の授業を受けました。最も未来的な技術であっても、基本的な量子効果の気まぐれな影響から逃れることはできません。

超電導回路が上昇して、私をさらに後退させてしまう可能性はあるでしょうか？ 80年代は量子の世界に戻るのに適切な時期かもしれないが、私は肩パッドを残してほしいと願っている。