ボストン大学、カリフォルニア大学バークレー校、ノースウェスタン大学の3大学による共同研究チームは、量子光源と制御エレクトロニクスを単一チップ上に集積した世界初のデバイスの開発に成功しました。試作機は商用45nm CMOSプロセスを用いて完成しました。この成果は、量子技術の実用化と拡張性に向けた大きな一歩となります。研究成果はNature Electronics誌に掲載されました。
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マイクロリング共振器：量子光源を作成するための重要なコンポーネント
このチップの中核は、シリコンベースのマイクロリング共振器を量子光源として利用しています。研究チームは非線形光学効果を利用して、これらの共振器内に相関光子対（光粒子）の連続ストリームを生成し、量子通信、量子センシング、量子コンピューティングなどのアプリケーションに必要な量子ビット（キュービット）を提供します。
しかし、マイクロリング共振器は高効率である一方で、温度やプロセスの変動に非常に敏感であり、わずかな変動でも光子生成が不安定になる可能性があります。そのため、これらの共振器の安定動作を確保することは、量子システムのスケーラビリティを実現する上で重要な課題となっています。
リアルタイム監視と自動校正：実験室から実用的なプラットフォームへ
安定した量子光出力を確保するため、研究チームは各共振器内に光電センサーとマイクロヒーターを組み込みました。オンチップ制御ロジックと組み合わせることで、リアルタイムモニタリングと自動周波数キャリブレーションが可能になります。この設計により、チップは自己監視および自己調整機能を備え、周囲温度の変動や電磁干渉の影響下でも安定した量子光出力を実現します。
この設計により、製造プロセスにおけるわずかな差異やチップ動作中の環境変動があっても、システムは高い安定性を維持できます。これは、量子システムの大規模応用における重要な条件です。
シングルチップ統合量子フォトニクス工場
研究チームは、オンチップ「量子光工場」アレイを構築しました。各ユニットはわずか約1mm²の大きさで、合計12個の同期量子光源を備えています。高品質な光子対を安定的に生成するには、各光源をレーザーと正確に同期させ、周波数の一貫性を維持する必要があります。ヒーター、フォトダイオード、フィードバック制御ロジックを統合することで、各ユニットをリアルタイムで調整・同期させることが可能になり、量子光源の長期安定動作を制限してきた従来の課題を克服しました。
CMOSプロセスが量子技術を実現：コストと製造可能性の飛躍的進歩
これまでの量子デバイスは研究段階に留まっていましたが、このチップは標準的な45nm CMOSプロセスのみで製造されています。つまり、この技術は既存の半導体製造ラインで直接量産できるため、製造上の障壁とコストが大幅に低減され、量子技術の商業化が加速されます。
このプロセスは、ボストン大学がGlobalFoundries、そして光インターコネクトのリーダーであるフォトニクススタートアップ企業Ayar Labsと共同で開発しました。ノースウェスタン大学との連携により、このプラットフォームは高性能コンピューティングやAIに必要な光通信を可能にするだけでなく、複雑な量子光子システムにも拡張されます。
セクター間連携の力
この研究は、エレクトロニクス、フォトニクス、量子計測の分野間の緊密な連携の成果です。ボストン大学のミロシュ・ポポビッチ准教授は、「これはスケーラブルな量子システムの実現に向けた大きな前進であり、再現性と制御性に優れた量子チップを商用ファウンドリーで製造できることを示しています」と強調しました。
ノースウェスタン大学のプレム・クマール教授は「このような学際的な協力がなければ、これほど精密で安定した量子システムを実現することは不可能だ」と指摘した。
応用の見通しは広いが、課題はまだ残っている
この技術の潜在的な応用分野としては、安全な量子通信、高精度センシングデバイス、量子コンピュータの中核アーキテクチャなどが挙げられます。特に、安定かつ制御可能な光子対生成デバイスは、将来の量子ネットワーク構築の基盤となるでしょう。
しかし、この技術はまだ試作段階にあり、量産時の歩留まりやコスト構造、量子コンピューティングの具体的な性能データに関する情報はまだありません。商用化には、さらなるテスト、検証、そして分野横断的な統合が必要です。
結論：量子革命の出発点
量子フォトニクスとCMOSプロセスを組み合わせたこのチップは、量子技術の応用に新たな扉を開くことは間違いありません。学術研究から実用化への移行には、技術的なブレークスルーだけでなく、継続的な学際的な連携と革新的な思考が必要です。道のりは長いですが、このチップは量子技術の未来にとって間違いなく重要な出発点となります。
参照
- 45nmプロセスで電子工学、光学、量子制御を組み合わせた初のハイブリッド量子チップを公開
- World’s First Hybrid Chip Combines Electronics, Photonics, and Quantum Power
- 「CMOSチップ上の量子光源のスケーラブルなフィードバック安定性」著者：Danielius Kramnik、Imbert Wang、Anirudh Ramesh、Josep M. Fargas Cabanillas、Ðorđe Gluhović、Sidney Buchbinder、Panagiotis Zarkos、Christos Adamopoulad、hović、Sidney Buchbinder、Panagiotis Zarkos、Christos Adamopoulad、Prmanadoulad、zPrm、MojirzMr. Popović，2025年7月14日，《自然‧電子學》。 DOI ：10.1038/s41928-025-01410-5
（出典：ボストン大学）
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