量子コンピュータ

オックスフォード・インストゥルメンツは、初期段階の量子ビットの研究開発と商用量子コンピューティングソリューションに向けたスケールアップの両方に必要な高度な希釈冷凍機システムを提供しています。mK 温度を実現する希釈冷凍機は、現世代の固体量子コンピュータの基礎的な要件として重要な役割を担っています。この超低温環境は、量子状態に到達し、量子ビットのコヒーレンス時間を実用的な計算のために十分な時間維持するために必要なものです。

演算に必要な低温での量子ビットの1と0のエネルギーレベルの分離は、通常GHzの周波数帯であり、演算の制御には精密に整形されたナノ秒のパルスが必要になります。これらの信号は同軸ケーブルで室温環境に戻されるため、極低温システムに熱負荷がかかります。また、アンプ、アッテネーター、フィルターなど、信号処理に必要な放熱ハードウェアも熱負荷を増加させ、冷却能力のさらなる向上が必要となる。このようなシステムの規模が大きくなると、低温電子機器のための物理的なスペースと、その運用をサポートするための冷却能力の両方が課題となります。

超伝導量子ビットの特性を評価するための実験構成例を示します。入力ラインは、黒体放射による熱ノイズの影響を低減するために、各ステージで大幅に減衰させます。出力信号の減衰を最小限に抑えつつ、増幅器ノイズによるサンプルへの影響を抑えるためにサーキュレータが必要となります。

ProteoxMX システムでは、量子ビットの開発と量子ビットのスケールアップのためのモジュール式プラットフォームが提供され、実験構成に合わせてシステムをカスタマイズすることが可能です。セカンダリーインサートは、オックスフォード・インストゥルメンツの低温電子機器統合の経験と組み合わせることで、完全な実験セットアップを直接モジュラー、自立型プラットフォームに工場でインストールすることができます。このカスタマイズ可能なビューポートは、利用可能なスペースを最大化し、インサートごとに 250 以上の同軸ケーブルの容量と 20mK で最大 12μW のシステム冷却電力で、高量子ビット数へのスケールアップを実現します。

Proteox プラットフォームでは、スケールアップ可能なアーキテクチャを提供し、将来の量子ハードウェアの要求を満たすために、二次インサートの数を増やし、冷却能力を高めることが可能です。

超伝導量子ビットの特性評価のための実験装置

オックスフォード・インストゥルメンツから提供される、量子ビット測定用統合型コールドエレクトロニクス

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オックスフォード・インストゥルメンツでは、量子コンピュータを実現するためのハードウェアプラットフォーム用の様々なアプローチに対して、高い信頼性とデバイス製造ソリューションを提供します。 当社のソリューションによって、長寿命の量子状態を持つ堅牢な量子ビットの開発、および高速にアドレス指定可能な量子ゲートの実行が可能になるように調整されます。さらに、大規模な相互作用する量子ビットや制御素子を製造するためのスケールアップに向けた信頼性の高い手法を提供します

拡張性の高い量子回路を実現するためのアプローチや材料プラットフォームはいくつか存在します。超伝導量子回路や イオントラップによるアプローチは、実世界での応用に向けた先端技術の一つです。しかし、イオントラップ型や超伝導型量子コンピュータのスケールアップにはいくつかの技術的課題があり、そのため、集積フォトニクスを用いたフォトニック量子コンピュータ、ダイヤモンドNVセンターなどの高温量子ビット、半導体ベースのスピン量子ビット、トポロジカル保護量子ビット、これらの要素を活用したハイブリッドアプローチなど、量子ビットを作成するさまざまなアプローチが研究されています。これらの技術は、技術的な即応性の点ではやや劣りますが、日々新しく改良された開発により急速に進化しています。

オックスフォード・インストゥルメンツでは、量子ビットの製造のための主要なアプローチの製造ソリューションのいくつかを提供しています。

• ALD (原子層堆積：Atomic Layer Deposition)
  • NbNや TiNなどの超伝導材料（キュービット、量子回路、マイクロ波共振器、単一光子検出器など）
  • ジョセフソン接合トンネルバリア用絶縁体（ Al₂O₃, AlN, TaNなど)
  • ダイヤモンド製光学部品（マイクロキャビティ、ナノビーム、導波路など）用のパッシベーション層としてのAl₂O₃ 
• 超伝導メタルエッチング（例：Nb, Ta, Al, TiN）
• PECVD および ICP CVD
  • 低損失導波路のための低水素含有 SiNx
  • ダイヤモンド構造化のためのハードマスクとして使用される SiNx
• 平滑なサイドウォールエッチング　光量子技術における集積フォトニックコンポーネントのためのSiNx、InP、GaAsのボッシュまたはクライオエッチング
• RIE (リアクティブイオンエッチング) 平滑・低ダメージのダイヤモンド薄片化、OターミネーションによるNVセンター保護
• シリコン深堀エッチング 量子回路の3次元集積を可能にするTSV

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光量子コンピュータは、固体量子コンピュータに代わる手法として、光システム内で個々の光子を量子ビットとして利用するものです。この方法では、もつれた光子のコヒーレンス時間が長く、システムの有効演算時間を長くすることができるという大きなメリットがあります。さらに、量子ビットの数を増やすために光子の数を増やす必要がないことも大きなメリットです。光子には、周波数、偏光、時間、位置などの複数のモードがあり、これらをすべて同時にもつれさせ、符号化することが可能です。

光量子コンピュータの課題としては、界面や光素子内での損失率、単一光子を検出するのに十分な感度を持つセンサーなどが挙げられます。また、デバイスのスケールアップも課題であり、システム内の光子数が増加するにつれて、単一光子検出器の数も増加することが要求されます。

オックスフォード・インストゥルメンツは、単一光子と量子もつれを検出するための世界最高感度のカメラを提供しています。これらは、イメージングアレイに入射する空間的に相関のある光子を優れた識別性と信頼性で検出する必要があるシステムで優れた効果を発揮し、最終的に測定全体を加速させることに使用されます。

• 最大1メガピクセルのアレイ：量子相関を超並列に検出することにより大幅な効率化を実現
• 単一光子検出率 90%以上：単一光子感度と90%以上の QE (量子効率)は、入射光子の大部分を検出・認識することを意味します
• 相関光子検出：相関性のある光子を識別します。 低スプリアスノイズと-100 °Cのセンサー冷却により、検出エラーを最小限に抑え、検出の統計を大幅に向上
• 高カウントレート：50 fps以上（サブリージョンでは100 fps以上）のカウントレートと高い測定レートを実現
• バイフォトン検出：優れた電荷移動効率により、隣接するピクセルのバイフォトンを確実に識別
• 波長 700nm以上における高いQE：近赤外領域まで優れた感度を有し、光学系の残留蛍光とはスペクトル的に分離した光子の波長をオプションで使用可能

量子もつれのリアルタイムイメージング

量子もつれは、2 つの粒子が遠く離れていても結合しているような状態で発生し、一方の粒子に対して行われた動作が他方の粒子に影響を与えるものです。Vienna 大学の Zeilinger 教授の研究グループでは、アンドール・テクノロジーの ICCD カメラを用いて、ある光子の測定がそのもつれたパートナーに及ぼす影響をリアルタイムで画像化できるほど、この検出器が高速かつ高感度であることを実証しています。

さらに、ICCD カメラの使用により、任意の空間モードのもつれを作り出すための高い柔軟性を実証しました。これは、量子光学における視覚的イメージングが、もつれに関する直感的な理解を深めるだけでなく、量子科学の応用を向上させることを示唆しています。

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