量子ビット数の拡大：クライオCMOSがスケーラブル量子コンピューターへのギャップをどう埋めるか

世界中の産業界のリーダーたちが、量子コンピューターがもたらす変革の可能性について議論しています。 スケーラブルな量子コンピューティング・プラットフォームには、さまざまな量子ビット（"q-bit"）様式に基づく複数の候補があります。 超伝導やスピン量子ビットのような固体デバイスは、よく理解され、よく制御された半導体製造プロセスと重なるため、魅力的です。

しかし、超低温固体量子ビットを用いた量子コンピュータを構築する場合、このような信じられないほどの低温環境で動作する必要があるのは量子ビットだけでなく、制御部品やインターフェース部品もこの領域で動作する必要があります。

量子プロセッサーの極低温環境とは対照的だ。 現在、ほとんどの量子コンピューティング・コントローラーは、極低温環境の外に置かれています。 多くの大学や企業の研究者の目的は、この制御をプロセッサーに近づけ、速度を上げ、電子ノイズを減らすことです。

Ray Spits, オックスフォード・インストゥルメンツ・ナノサイエンスのコラボレーション・プログラム・マネージャー

Paul Wells, sureCore CEO
Martin Weides, グラスゴー大学量子技術教授

The Cryo-CMOS solution

CMOSプロセス技術は、30年以上にわたって半導体産業の基盤となってきました。 CMOSプロセス技術は、ムーアの法則のに従って微細化が進み、現代世界に革命をもたらしました。 CMOSは通常、-40℃から125℃の間で動作し、現在市場で販売されている電子製品の大部分をカバーしています。 極低温領域まで温度を下げたときにCMOSの性能がどのように変化するかを測定し理解することで、新し低温CMOSの設計情報が得られました。 これにより、超低温で動作するように設計された専門的な電子回路を特徴づける「クライオCMOS」という言葉が生まれました。

クライオCMOS回路は寒さに耐えることができるだけでなく、量子コンピュータのコンポーネントを接続するために現在使われている複雑でかさばるケーブルを減らすことができます。 これは、量子コンピュータをより効果的に拡張できる可能性を秘めています。

このような必要不可欠なコンポーネントの開発を促進するプログラムのひとつが、Innovate UKが出資するコンソーシアムで、sureCore社が主導し、オックスフォード・インストゥルメンツ・ナノサイエンス社やグラスゴー大学などが協力しています。

クライオCMOSプロジェクトとその目標について教えてください。

最新のチップを開発するためには、設計者はあらかじめ設計されたさまざまな材料パラメータにアクセスする必要があります。 これには、ロジック・ゲート、フリップフロップ、メモリなど、デジタル・チップに不可欠な構成要素に加え、より専門的なブロックも含まれます。

このようなブロックは、標準的な動作温度範囲でしか利用できません。 極低温量子空間で有用になるためには、その温度領域に合わせた制御チップを設計できるCryo-CMOSが必要です。

これに対応するため、Innovate UKプロジェクトは、主要なビルディング・ブロックを作成するのに必要な低レベル・トランジスタ・シミュレーション・モデルを開発しました。 その後、プロジェクトはさまざまな極低温パラメータ群を作成し、高度な極低温制御チップの設計を容易にすることで、量子コンピューティングにおける重要な課題である効率的な量子ビットとシステムのスケーリングに取り組んでいます。

このプロジェクトは2021年初頭に開始され、36ヶ月間にわたって実施されました。この間、我々の主な目標は、超低温で動作するシリコンベースのCMOS回路用の極低温トランジスタ・シミュレーション・モデル（いわゆるSPICEモデル）を開発することでした。 これらのモデルは、半導体チップ設計者が集積回路を設計するための包括的な "ツールボックス "である主要なビルディング・ブロックの開発に使用されました。

われわれが作成したトランジスタ・モデルとビルディング・ブロックにより、極低温での量子ビット操作、データ読み出し、効率的なデータ保存・処理が可能な制御チップの設計が可能になります。 これにより、極低温空間用の電子機器の設計が容易になり、大規模なケーブル配線が不要になるため、量子コンピューティングの開発が加速されることになります。

オックスフォード・インストゥルメンツの役割とは？

この試みにおける最も重要な課題の一つは、発熱の管理です。 明らかな解決策は、クライオスタット内で制御電子回路と量子ビットを同居させることですが、これには両方を超低温に保つ必要があります。 クライオスタット内のスペースが限られているだけでなく、これらのチップを構成する最新の半導体は通常-40℃までしか動作しません。

私たちは、3K（-270 °C）専用のクライオスタットのひとつに、カスタム温度制御測定プレートを提供することで、この課題の克服に貢献しました。これにより、3～200 Kの間でトランジスタの精密な特性評価が可能になりました。

Oxford Instruments Nanosicenceは絶対零度まで温度を下げたときに電子機器の動作特性が変化する理由を理解し、モデル化するために必要な環境を提供します。 ここから、プロジェクトのパートナーはクライオCMOS IPのポートフォリオを設計することができ、極低温で量子ビットにインターフェースし、コントローラ機能をサポートできるカスタムチップの作成が可能になるのです。

他に誰がこのプロジェクトに関わっているのですか？

このプロジェクトには、sureCore社を筆頭に、グラスゴー大学、シノプシス社、ユニバーサル・クォンタム社、SEEQC社、セミワイズ社など、量子研究と産業界のリーダーによる強力なコンソーシアムが参加しています。 この協力的なアプローチにより、量子コンピューティングの課題に対する全体的なソリューションが実現します。 協業が進めば進むほど、人生を変えるようなプロジェクトのために量子コンピューティングをより早く実世界のアプリケーションに実装することができ、量子の商業化に近づくことができます。

我々は、関係するいくつかの組織と強い絆で結ばれている。 低消費電力半導体設計のスペシャリストであるSureCore社は、このプロジェクトを主導しています。 シュアコアのポール・ウェルズ最高経営責任者（CEO）のコメント：

“これは非常にエキサイティングなプロジェクトです。 量子コンピューティングは、世界中に大きなインパクトを与える可能性を秘めています。 私たちの目標は、量子ビットに近いクライオスタットへの制御エレクトロニクスの移行を可能にすることで、量子コンピューティングのスケーリングを加速することです。 コンソーシアム・メンバー全員が貴重な貢献をしてくれており、これまでの素晴らしい成果を本当に誇りに思います。 我々は現在、初めてクライオCMOS半導体IPの製品群を市場に提供することができます。”

特にグラスゴー大学やMartin Weides教授のグループとは親密で、 Innovate UKプロジェクトで何度も共同研究を行っています。 そのうちのひとつが、Oxford Quantum Circuitsと共同で、「コヒーレント超伝導デバイスの信頼性の高い高スループット製造と特性評価」、別名FABUを探求するプロジェクトです：

“オックスフォード・インストゥルメンツ・ナノサイエンスとのコラボレーションは、量子技術における我々の研究を進める上で極めて重要なものでした。 「可変温度ステージを備えた特注の3Kクライオスタットは、我々の実験セットアップの要となっています。 その大きな容積と強力な冷却力により、極低温条件下での複数のデバイスの同時統合とテストが可能になり、研究効率が大幅に向上しました。”

“さらに、このクライオスタットにより、シンプルなトランジスタから既製品や当社特注の特定用途向け集積回路（ASIC）まで、DCからマイクロ波周波数まで、幅広いデバイスの事前テストを確実かつ迅速に行うことができます。 これは、Innovate UKが資金提供するCryo-CMOSプロジェクトの成功に不可欠なもので、スケーラブルな量子コンピューティング技術のための極低温制御および読み出しエレクトロニクスの開発を効率化します。 さらに、そのユニークな能力は、特に極低温エレクトロニクスに特化した新興企業であるKelvin Quantum社を通じて、研究成果と商業応用のギャップを埋める上で重要な役割を果たしている。”

プロジェクトが終了した次のステップについて教えて下さい？ 

SeeQCとUniversal Quantumは今後、Cryo-CMOSデバイスを評価し、商用製品への道を開く可能性があります。開発された知的財産は、量子コンピューティングの新興企業に提供される予定です。

この共同研究は、量子コンピューティングをより利用しやすく、効率的でスケーラブルなものにするための重要な一歩です。このコンソーシアムは、量子システム設計の基本的な課題に取り組むことにより、複雑な計算問題をかつてないスピードと効率で解決できる未来を約束し、量子技術の変革の可能性を明らかにすることに近づいています。