大規模量子コンピュータ実現へ前進！光でつながるダイヤモンドスピン方式プロトタイプが新時代の扉を開く

現代社会が直面する複雑な問題の解決に、次世代の計算機として期待されているのが「量子コンピュータ」です。従来のコンピュータでは計算が難しいような膨大なデータを処理できる可能性を秘めていますが、その実現にはまだ多くの課題があります。中でも、計算能力を高めるための「大規模化」が大きな壁となっています。

このたび、その大規模化に向けた重要な一歩として、光接続によって拡張できる「ダイヤモンドスピン方式量子コンピュータ」のプロトタイプが開発されました。この新しいプロトタイプは、高い計算精度を示す「フィデリティ」（量子状態が理想的な状態にどれだけ近いかを示す指標）と、効率的な光接続による将来的な大規模化への寄与が期待されています。

新たな量子ビット「SnVセンター」の可能性

ダイヤモンドスピン方式は、ダイヤモンド結晶の中にある「カラーセンター」（格子欠陥構造）を「量子ビット」（量子コンピュータの情報処理の最小単位）として利用します。このプロトタイプでは、従来の研究で用いられてきた「窒素-空孔（NV）センター」ではなく、「スズ-空孔（SnV）センター」と呼ばれる構造を量子ビットとして採用している点が画期的です。これは世界初の構成とされています。

SnVセンターは、高い対称性を持つため、外部からのノイズの影響を受けにくいという特長があります。また、NVセンターと比較して約10倍も高輝度な単一光子を放出することが確認されており、非常に安定したカラーセンターとして期待されています。この高輝度化は、量子ビットの初期化や状態の読み出しを効率的に行う上で非常に重要です。

さらに、このプロトタイプは、超伝導方式の量子コンピュータが動作する温度（典型的には約-273.13℃）よりも高い約-271.6℃で動作できることが確認されています。これは、冷却システムの負担軽減や、将来的にはより扱いやすい環境での運用につながる可能性があります。

大規模化を支える開発技術

今回のプロトタイプ開発には、以下のような先進的な技術が貢献しています。

異種材料接合技術と薄層化技術: スズをイオン注入した高品質なダイヤモンド基板と、アルミナ・酸化膜付きシリコン基板を接合する技術や、数百マイクロメートル厚のダイヤモンドを、量子コンピューティングチップに適した数百ナノメートルまで薄くする技術が開発されました。
SnVセンター向けフォトニクス集積回路作製技術: SnVセンターから放出される単一の光子を効率的に取り出すため、SnVセンターを含むナノメートルサイズのダイヤモンド結晶と、光導波路を集積した「フォトニクス集積回路」（光の性質を利用して情報を処理・伝送する集積回路）が作製されました。この技術開発には、国立大学法人東京大学との共同研究成果が活用されています。
ダイヤモンドスピン方式向け量子回路変換・量子ビット制御技術: ダイヤモンドスピン方式では、光・マイクロ波・RF波を組み合わせて量子ビットを制御するため、超伝導方式とは異なる制御方法が必要です。量子ゲートで記述された量子回路をダイヤモンドスピン方式向けの制御命令に変換する機構が開発され、ハイブリッド量子コンピューティングプラットフォームからの制御が実現されました。

未来へ向けたロードマップと共同研究の成果

このプロトタイプは、量子コンピュータを大規模化するための有力なアプローチの一つである「モジュール型アーキテクチャ」（量子コンピュータを小さな単位に分割し、光などで接続して大規模化する設計思想）の実現に向けた重要なマイルストーンです。

開発に関わった関係者からは、ダイヤモンドスピン方式が持つ高いスケーラビリティが強調されており、将来的には超伝導方式量子コンピュータと接続することで、さらに複雑で大規模な量子計算が可能になる可能性が示唆されています。具体的には、2027年を目標に、複数の「量子モジュール」（ダイヤモンドスピン方式量子コンピュータの基本構成単位）から成るプロトタイプの開発や、超伝導方式との接続技術の開発が進められる予定です。

また、2030年度には250「論理量子ビット」（物理的な量子ビットに誤り訂正技術を適用して安定性を高めたもの）、2035年度には1,000論理量子ビット機を実現するというロードマップも提示されており、実用的な量子計算の実現に向けた取り組みが継続されています。

今回の成果は、2020年より進められてきたデルフト工科大学およびその傘下の量子技術研究機関QuTechとの共同研究に基づいています。このような国際的な協力が、次世代の技術開発を加速させています。