Imec が量子コンピューティングの進歩について報告

imec は量子コンピューティングの進歩について報告しました。 Imec によれば、量子コンピューティングの長期的なビジョンは、数百万ものノイズのない量子ビットを活用して、古典的なコンピューターでは解決が難しい選択された問題に対処できるようにすることです。

数百量子ビットから数百万量子ビットにスケールアップするための世界中の取り組みが進行中です。 一般的な課題としては、大型ウェーハ施設における適切に制御された量子ビットの統合や、増加する量子ビットと接続するためのエレクトロニクスの必要性などが挙げられます。

超伝導量子回路は、おそらく最も開発されたプラットフォームとして浮上しています。 超伝導量子ビットのエネルギー状態は制御が比較的簡単で、研究者は 100 個以上の量子ビットを結合することができました。

これにより、量子コンピューティングの柱の 1 つである、これまで以上に高いレベルのもつれが可能になります。 また、量子計算の 2 つの重要なベンチマークである、長いコヒーレンス時間 (最大数 100µs) と十分に高いゲート忠実度を備えた超伝導量子ビットが、世界中の実験室環境で実証されています。

2022 年、imec の研究者は、高品質の超伝導量子ビットを製造するための 300mm CMOS プロセスの実現に向けた重要なマイルストーンを達成しました。 高性能量子ビット製造が工業プロセスと互換性があることを示すことで、アップスケーリングに対する最初の基本的な障壁、つまり変動性と歩留まりの向上に対処できます。 残された課題の中には、増え続けるノイズに敏感な超伝導量子ビットとインターフェースするためのスケーラブルな計測機器を開発する必要があるということがある。

長期的には、Si スピンベースの量子ビットには多くのことが期待されています。 Si スピン量子ビットは、超伝導量子ビットよりも制御が困難ですが、大幅に小さい (nm サイズと mm サイズ) ため、スケールアップに有利です。

また、この技術はCMOS製造技術との互換性が高く、Si量子ドット構造の高度なバックエンド・オブ・ライン相互接続によりウェハスケールの均一性を提供します。

ただし、工業的な製造技術で製造された Si ベースの量子ドット構造は、通常、より高い電荷ノイズを示します。 また、物理的サイズが小さいため、量子ビット間および量子ビットから古典制御への相互接続がより困難になります。

切望されている量子ビットの増加には、量子ビットを制御し、意味のある結果を読み出すための多用途でスケーラブルなソリューションが必要です。 現在の初期の量子プロセッサでは、室温ステージから量子ビットを保持する希釈冷凍機の最低温度ステージまで、量子ビットごとに少なくとも 1 つの制御線を備えた外部電子回路が使用されています。

超伝導量子コンピューティング システムの場合、この基本温度は 10 ミリケルビン (mK) 程度です。 このようなアプローチは、数千量子ビットまでは使用できますが、量子誤り訂正などの動的な回路動作を必要とする大規模な量子コンピュータには適用できません。

制御および読み出しラインは、希釈冷凍機のレベルで大規模な I/O ボトルネックの一因となるだけでなく、各ワイヤは極低温システムに熱をもたらし、冷却するための予算が残されていません。

魅力的な解決策は、希釈冷凍機の基本温度で動作する RF (逆) 多重化要素を保持する CMOS ベースのクライオエレクトロニクスを使用することです。 このようなソリューションは、室温から mK 温度に到達するワイヤの数を大幅に削減できるため、I/O ボトルネックを軽減します。

たとえば、読み出しの場合、マルチプレクサを使用すると、量子デバイスのグループからの複数の信号を、冷蔵庫から出る前に希釈冷蔵庫の基準温度で共通の出力ラインに切り替えることができます。

このアプローチは、Si スピン量子ビット量子システムに対してすでに実証されています。 しかし、これまでのところ、極低温エレクトロニクスは、高周波電磁ノイズに対する耐性が著しく低いため、超伝導量子ビットと接続されていません。 放散熱や電磁放射のいずれの形であっても、ノイズは脆弱な量子の重ね合わせを簡単に破壊し、エラーを引き起こす可能性があります。