量子コンピュータのコンポーネントはどのような見た目になるのでしょうか？

10年以上前に大学にいた時、上級物理のクラスで量子コンピュータについて聞いたことを覚えています。当時、私にとっては核心的な概念を理解するのが十分に難しく、教授がそれを説明するのも大変でした。時は流れ、今日では量子コンピュータがついに現実のものとなり、技術のスケーリングが使命となっています。量子アルゴリズム開発者であれば、クラウド経由で量子コンピュータの時間を借りて、自分の量子アプリケーションを実行することができます。

多くの人が量子コンピュータの内部を見たことがないかもしれませんが、おそらく過去2年間で多くの技術大手がシステムのいくつかの詳細を公開し始めたときまでのことです。量子システムの構築に入る細かな詳細をいくつか見る機会を得た今、量子コンピュータの主要なコンポーネントがどのように見えるか、またどのような機能を果たすかを理解しやすくなります。キュービットプロセッサに使用される構造を除いて、量子コンピュータのコンポーネントは、その古典的な対応物にかなり似ています。

現時点で、量子コンピュータの最も重要な部分（キュービットプロセッサ）は完全にカスタムですが、量子コンピュータを動作させるための他の多くのサブシステムがあります。PCBデザイナーは、これらのシステムの商業化を支援する上で、彼らが思っている以上に大きな役割を果たすかもしれません。量子コンピュータとは何かについて深く掘り下げることなく、異なる量子コンピュータコンポーネントが果たす役割について最善を尽くして説明します。

コンピュータを「量子」にするものは何か？

すべての量子コンピュータは、情報を処理するために量子ビット、またはキュービットを使用します。量子コンピュータについての一般的な説明は、キュービットが情報状態の重ね合わせ（または組み合わせ）として存在できるという事実を利用することで、量子コンピュータのプロセッサ内のキュービットが同時に0と1の状態のいくつかの混合にあると解釈されます。量子力学の別の哲学的見解（または「多世界」解釈）は、量子コンピュータが本質的に並列化されたマシンであり、量子コンピュータのコピーが並行宇宙で複数の計算を並行して実行していると主張しています！

キュービットの振る舞いを理解するのに最も役立つ物理的なイメージが何であれ、キュービット自体は話の半分に過ぎません。もう半分は、物理学者を今でも困惑させる現象である量子もつれの使用に依存しています。アインシュタインはそれを「遠隔地での不気味な作用」と表現しましたが、これによりキュービットは非常に長い距離で分離されていても同じ量子状態に書き込むことができます。これは光速を超える通信などの話題を提起し、量子レーダーのようなアプリケーションさえも生み出しました。

量子コンピュータの機能

量子コンピュータは、他のキュービットともつれているか、または0と1のいくつかの重ね合わせにあるキュービットを操作して読み取るように設計されています。これには、多くの重要なコンポーネントとサブシステムが関係しています。量子コンピュータがキュービットを使用する一方で、設計どおりに機能するようにするためのサポートサブシステムはすべて古典的なコンポーネントであり、回路基板に使用される受動部品に至るまでです。

量子コンピュータが設計通りに動作するために必要なことはこちらです：

環境からの隔離 vs. 統合

量子プロセッサーと、それが含む量子ビットは、環境から強く隔離されなければなりません。量子ビットが周囲の環境（光や熱を吸収することによって）と相互作用すると、量子ビットの現在の状態が失われ、エラーが発生する可能性があります。隔離を確保するには、量子ビットがデコヒーレンスを経験しないように、高真空システムや冷却装置の使用が関わってきます。

隔離を確保するために必要なコンポーネントとシステムは以下の通りです：

• 超高真空ポンプ

• 希釈冷却システム

• 低温サーモスタットシステム

• 電磁シールド

• 液体ヘリウムおよび液体窒素冷媒用のチューブ

これらのシステムを制御するには、真空と温度の測定値を読み取り、真空のパワーと温度を調整するために、古典的なプロセッサが必要です。これには膨大な古典的なコンピューティングパワーは必要ありません。一般的なMPUやFPGAには、これらの制御システムを実行し隔離を確保するため、そして古典的なコンピュータ上で動作するアプリケーションにデータを送信するために十分な処理能力が含まれています。さらにズームアウトすると、クラウドを介して他のシステムとインターフェースすることを可能にする量子コンピュータのメインカラムの周りにネットワーキング機器やその他のシステムが存在するかもしれません。隔離要件は、最近までこれらすべてにとって諸刃の剣でした。

2022年2月末には、米国国立標準技術研究所（NIST）の研究者たちが、標準的な回路基板上の商用コンポーネントが、量子コンピュータで使用される超低温デバイスの近くで動作するシステムを構築してテストしたと発表されました。回路基板レベルでの統合の課題は、従来の電子機器が発生させる熱が量子ビットをデコヒーレンスさせ、量子状態を破壊しエラーを生じさせる可能性があることです。これは、量子と古典的なコンポーネントをシステムレベルで統合する方向への一歩に過ぎません。

もう一つの最近の進歩は、チップレベルでの統合に関するものです。2月初旬に、エコール・ポリテクニーク・フェデラル・ド・ローザンヌ（EPFL）と日立ケンブリッジ研究所の研究者たちは、シリコン量子ドットと従来の時分割多重読み出し回路を同じダイ上に設計した40 nm CMOS統合回路を設計しました。これは汎用プロセッサではありませんが、標準のCMOSプロセスで量子コンピューティングコンポーネントを大規模に構築する可能性を示しています。

量子プロセッサ

量子コンピュータを動かす主要なコンポーネントは量子プロセッサです。量子プロセッサには、古典的なプロセッサと同様に、フォトニック、スピントロニック、イオントラップなど、さまざまな種類があります。最近では、イオントラップ量子プロセッサがキュービットのより大きな隔離を提供することが示されています。さらに、他のプロセッサと比較して、より少ないキュービット数でより大きな計算能力を提供します。

2022年3月28日現在、オランダのデルフト工科大学からスピンアウトした企業であるQuantWareから、25キュービットの量子処理ユニット（QPU）を購入することができます。以前、同社は2021年7月に5キュービットのオフ・ザ・シェルフプロセッサを発売しました。QuantWareは、小規模な量子プロセッサを開発・生産する主要なチップメーカーの一つになりたいと考えています。現在、彼らのカスタム25キュービット量子プロセッサは、顧客に30日以内に配送することができます。論理的には、量子ASICおよび量子SoCが次に利用可能な製品リストに載ることになります。

QuantWareの新製品提供は、これまでに作成された唯一の量子プロセッサではありませんが、オフ・ザ・シェルフコンポーネントとして商業的に利用可能になった最初のものであることは確かです。最近の記憶に残る注目すべき量子プロセッサには、Intel、IBM、Honeywell、中国科学技術大学、Rigettiなどが発表したシステムが含まれます。量子コンピューティングをサポートするハードウェアエコシステムは急速に成長し始めていますが、量子プロセッサだけでは足りません。

超伝導回路

量子プロセッサからの入出力データは、超伝導材料で作られた回路を使用して読み取りシステムにフィードバックされなければなりません。これらのインターフェースおよび読み取り回路は、約10 mKの温度まで下げる必要があります。比較のために、宇宙の背景温度は約3 Kです。最終的に、これらの回路は読み取りシステム（下記参照）に戻り、データをキャプチャできます。

超伝導材料（銅酸化物を除く、約35 K以下）は商業的に入手可能なものではありません。量子プロセッサおよび読み取りインターコネクトで使用される超伝導回路は現在カスタムメイドですが、これらは最終的にマイクロ波コンポーネントのセットとインターフェースします。ここでRFデザイナーと彼らが使用するコンポーネントが重要になります。

コヒーレントマイクロ波源/検出器および同軸ケーブル

量子コンピュータもまた、特殊なコンポーネントの不足に見舞われています。最近のMIT Technology Reviewの記事で、Martin Gilesは「ちくしょう、必要なケーブルが見つからなければ、もっと量子コンピュータがあるのに」と嘆きました。データを転送するために特殊な超伝導ケーブルが必要ですが、これらはデータを読み出すための一連の古典的なコンポーネントに接続されます。

RFフロントエンドで使用される標準コンポーネントは、信号源、増幅、および読み取り信号のキャプチャに使用され、その後、高帯域幅/低ノイズADCによって古典的なビットに変換されます。これは少し単純化されていますが、読み取り信号を条件付けてキャプチャするために一連のアンプ、フィルター、および検出器が使用されます。量子を超先進的な技術群とする認識が、高度なRFコンポーネントが必要であるという印象を与えますが、これらのシステムは中程度のmmWave周波数で動作しています。例えば、Intelの読み取りシステムの一つは20GHzで動作しており、これは多くのRFシステムの動作範囲内です。

課題と機会

標準化

現在、量子コンピュータの制御システムに使用される古典的な電子機器は、すべて個別のコンポーネントからカスタムメイドされています。これらのシステムの統合は、時間とともに古典的なコンピュータで起こったように、ミニチュア化を助けるでしょう。この責任は、チップメーカー、電子設計者、および量子システムインテグレーターの間で分割されています。チップメーカーがすぐにこの役割を果たすことは考えにくいため、制御および読み取りシステムの統合はシステム設計者に委ねられます。

これらの技術を商品化し、新しい製品を市場に投入するためには、従来の電子機器や互いに相互運用可能でなければなりません。これは積極的に追求されています。量子コンピュータを相互運用可能にし、より強力にする（これは単にキュービット数以上のことです）と同時にミニチュア化するには、モジュラーなアプローチを取ることが必要であり、これはより大きな標準化によって可能になります。Quantum Economic Development Consortiumのような組織（全開示：私は彼らの労働力開発委員会の元メンバーです）は、これらの標準を開発することによって、より大きな商品化を支援することに焦点を当てています。

コンポーネントの標準化が進むと、より多くの設計者が量子コンピューティングをサポートする新しいシステムの開発に関わることができます。量子コンポーネントとシステムが標準化され、商品化されるにつれて、それらはより大きな電子システムとシームレスに統合されるようになります。現在、古典的なコンピュータは制御および読み取りシステムに使用され、量子コンピュータをクラウドに接続するためにも使用されています。

実際の市場成長

今後数年間の市場成長については、2024年までに8億3000万ドルから50億ドルの市場規模が予測されており、その目標に向かって順調に進んでいます。ウォールストリートは注目を集め始め、いくつかの有名な量子コンピューティング企業が2021年に数十億ドルのSPAC合併を通じて公開されました。この技術が過大評価されているのか、または次の大規模な技術革新の波をもたらすのかはまだ見えてきませんが、設計者は非常に近い将来に最初の商用利用可能な量子システムと開発ツールを目にすることになるでしょう。

量子コンピュータのコンポーネントやシステムが商業化されるにつれて、Octopartはデザイナーに供給チェーン管理機能を提供します。量子コンピュータをサポートするためのどのようなタイプのシステムやサブシステムを設計していても、Octopartの検索エンジンには、必要なコンポーネントを正確に選択するのに役立つ高度なフィルタリング機能が含まれています。統合回路のページをご覧になって、理想的なコンポーネントの検索を始めてください。

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