Martin Weidesがテクニカル・ディレクターとしてオックスフォード・インストゥルメンツ・ナノサイエンスに入社してから1年が経ちました。Martinがナノサイエンスでどのような仕事をしているか、Q&Aでご紹介します。

ナノサイエンスでの1年目はいかがでしたか？

このポジションに就いてから12ヶ月が経ちますが、素晴らしいことだと思います。ナノサイエンスの優秀なチームメンバーとの出会いは、時にはオンラインでの打ち合わせでしたが、とても楽しいものでした。例えば、極低温量子技術のためのハードウェアの要件や、さらなるスケールアップをサポートするためのステップを検討するなど、多くのプロジェクトに着手しています。極低温量子技術の市場は急速に発展しており、私たちの独創的でインパクトのあるソリューションが提案されていることを意味します。極低温ハードウェアが、商用展開に向けて技術的な準備のはしごを駆け上がる様子を見るのは素晴らしいことです。

ナノサイエンスでは、主にどのような仕事を担当されているのですか？

私の役割は、希釈冷凍などの技術の新開発について助言し、私たちの技術を推進し、ビジネスを拡大するために、技術的な観点から成長市場を特定することです。弊社では、物理科学と量子コンピューティングの両方に対応する製品を取り揃えており、幅広いクライオスタット製品や、試料を数ミリケルビンまで冷却できる希釈冷凍機などがあります。これらはすべて、マグネットやレーザーを使ってサンプルを研究するためのさまざまなオプションが用意されています。

Glasgow大学では、どのような研究グループに所属しているのですか？

私たちは、超伝導体を用いた量子回路に焦点を当て、量子コンピュータに必要な極低温ハードウェア、ナノエレクトロニクスチップ、エレクトロニクスを開発と研究を行っています。そのため、私たちの研究は、回路集積から材料科学、デバイス製造に至るまで、すべてを網羅しています。また、英国内外の他の研究者、新興企業、中小企業との共同研究を行っています。例えば、オックスフォード大学が主催する「量子コンピューティング＆シミュレーション・ハブ」に参加しているほか、Innovate UKの資金援助を受けた4つのプロジェクトを産業界のパートナーとともに進めています。

過去12ヶ月の間に、研究はどのように進化したのでしょうか?

私たちの研究は、いくつかの新しいプロジェクトによって拡大し、新しいメンバーを迎えてチームは成長しました。例えば、私たちは現在、クライオスタット内で従来の電子回路と量子チップを統合するクライオエレクトロニクスを研究しており、ますます興味深いものとなっています。例えば、インターコネクトが少なくて済む、レイテンシーが短くなる、量子チップへの外部ノイズや熱放射が減るなどの利点があります。もちろん、課題は、長年使われてきた半導体電子回路を極低温でも同等に（あるいはそれ以上に）動作するように調整することと、クライオスタット内の熱負荷を管理することです。私のチームは、従来のトランジスタが冷却されたときの特性を調べ、そのデータをモデリングや設計の専門家に提供して、量子用の極低温アナログおよびデジタルCMOSチップを作成しています。

もう一つのエキサイティングな展開は、2022年4月に工学・物理科学研究評議会の支援を受けてスタートした新しいネットワーク「Empowering Practical Interfacing of Quantum Computing（EPIQC）」（https://qc-ict.org/）です。EPIQCは、量子コンピューティングと情報通信技術の研究者と産業界のパートナーが集まり、共創とネットワーキング活動を通じて、量子コンピューティングとICTのインターフェースに取り組みます。共同研究者は、量子コンピューティングの分野がICTを通じて実用化を阻んでいる障壁を克服するために、光インターコネクト、無線制御・読み出し、クライオエレクトロニクスの3つの主要分野に焦点を当てます。私たちは、専門知識と設備へのアクセスを持ち、困難な問題の解決に取り組んでいます。私たちは、量子コンピューティング・インターフェースの可能性を実現するためのロードマップをさらに発展させるために、いくつかのエキサイティングな結果を生み出すコラボレーションと共創の強固なネットワークを開発することを期待しています。

他にどのような専門性を持って職務に当たっていますか？

私は20年近く極低温量子回路とその技術に携わり、それらが飛躍的に成長し、発展していくのを見てきました。そこには、エレクトロニクス、光学、フォトニクス、そしてもちろん極低温という、魅力的な要素が含まれています。暗黒物質検出器や単一光子カメラから、量子計測、量子シミュレーション、量子コンピューティングに至るまで、多くのエキサイティングな新しい応用例があります。このような進歩には、材料科学、統合コンセプト、チップ設計の進歩、理論モデルの改善、エレクトロニクスや極低温技術などのサポートハードウェアの改良が含まれます。私は、ナノサイエンスが量子コンピューティングと材料科学の分野で獲得している勢いをさらに支持し、私たちがイノベーションの最前線にいるようにサポートします。

例をいくつか挙げてください。

私たちは最近、GoogleやIBMが量子プロセッサーに使用しているような、個々の「固定周波数」量子ビットの長期安定性を調べました。その結果、これらの量子回路のコヒーレンス時間や共振周波数は、微小で揺らぐ表面欠陥の影響を受けるため、ある時間以上はあまり安定でないことを見つけました。この微小な状態を低減する方法を見つけるのは大きな課題ですが、私たちはいくつかのアイデアを試しています。また、超伝導量子回路の重要な構成要素であるトンネル接合を、よりクリーンなウェーハスケールで製造するプロセスも開発しました。また、量子コンピュータのステージへの同軸配線がもたらす熱雑音を研究し、量子プロセッサのスケールアップの方法を探っています。

量子テクノロジーに取り組むお客様にとって、最大の課題は何だとお考えでしょうか？

同軸ラインを流れる赤外線やサンプルパッケージの外側からチップを十分に絶縁することは、より多くの量子ビットを同時にパルスする際にチップを低温に保つことと同様に大きな課題となっています。デバイスのスケールアップにおいては、信号純度の高い高密度同軸線の集積化、フィルタリング、熱処理が、量子エラー訂正の実現や量子プロセッサの量子量の増大にとって最も重要なことです。

しかし、量子のスケールアップは、配線を増やしたり、冷凍機を大きくしたりすることだけにとどまりません。また、国からの補助金による研究から、量子分野の製品を販売して利益を得る企業による研究への移行も課題です。

量子技術に携わるお客様との連携について教えて下さい。

私たちはお客様と密接に連携し、学会や会議のスポンサー、仮想シンポジウムの開催、技術白書の出版などの活動に取り組んでいます。先ほどLOR科学賞の受賞者を発表致しました。この賞は、低温や強磁場を扱う北米の若手科学者の革新的な研究を促進し、その功績を称えるものです。ナノサイエンスは、量子コンピューティングの商業化という共通の使命のもと、パートナーと共に多くの研究開発（R&D）を行っています。

製品を開発することは、どれほどエキサイティングなことなか教えて下さい。

そうです！量子コンピューティングでは、この5年間でチップに搭載できる超伝導量子ビットの数が飛躍的に向上しています。しかし、半導体をベースにした他のハードウェア・プラットフォームも急速に追い上げてきています。また、フォトニックチップやイオントラップなど、従来の室温ベースの量子コンピュータプラットフォームが、ゲート忠実度を高めるために極低温に移行していることも認識しています。

さらに、光学的な側面を持つ超伝導回路や、量子ビットプロセッサの近くにある「cryoCMOS」制御チップなど、ハイブリッドなアプローチの開発も進んでいます。当社の希釈冷凍機「Proteox」シリーズはこのような市場に対応しており、お客様にコンポーネントなどを設置するための余分なスペースを提供するとともに、サンプルをより簡単にマウントして、多くの量子ビットを動作させるために役立ちます。

10～15年前に無冷媒の希釈冷凍機が登場したことで、研究者は量子コンピュータ回路の科学技術に本格的に取り組むことができるようになったと言えるでしょう。さらに最近では、50量子ビットを超える量子プロセッサーや、数百本の同軸線、多数の受動・能動マイクロ波部品を搭載できる、より大型で高性能なクライオスタットが開発されました。以前のクライオスタットは試料容積がやっとティーカップの大きさだったのですが、今ではもっと大きなスペースが確保できるようになりました。