Mohamed Abdel-Kareem
量子ハードウェアは、学術的な製造から産業的な製造へと移行しつつある。半導体の標準化された、したがって高度に最適化されたプロセスは、学術的なR&Dスタイルの製造では得られない一貫性を可能にする。しかし、特定の量子ビット方式のみが、標準化された方法との互換性により、これらの利点を活用できる。
量子ハードウェア製造における最も重要な転換は、特定のウェーハ直径ではない。それは、一回限りの学術的製造から標準化された産業プロセスへの移行である。各方式の企業は、再現性、欠陥制御、歩留まりを求めている。これらは、100mm、200mm、300mmのいずれで動作するかに関わらず、確立された半導体製造ラインから得られる能力である。
一部の方式では、より大きなウェーハが追加の利点をもたらす。他の方式では、価値はプロセス制御そのものにある。
半導体業界が100mmから150mm、200mm、300mmウェーハへと移行したのは、主にコストのためである。300mmウェーハの処理コストは200mmウェーハより少し高いが、2倍以上のダイ数が得られ、ダイあたりのコストは低くなる。大量生産では、この経済性が業界を動かしている。
量子ハードウェアにとって、300mmの利点はダイ面積を超えている。最も先進的なプロセス制御ツール——欠陥密度とプロセス変動を最小化するエッチングシステム、成膜ツール、計測装置——は300mm製造施設向けに開発されている。多くの半導体製造施設は、競争力を維持するために300mmプロセスに移行している。最高のツールへのアクセスを必要とする企業は、300mmで作業するか、そうした施設と提携しなければならない。
しかし、300mmが唯一の道ではない。例えば、Oxford Quantum Circuits（OQC）は、現在の規模で利用可能でコスト効率が良いため、200mmプロセスから始めている。最適なウェーハサイズは、企業の段階、生産量、資本制約に依存する。
超伝導量子ビットは比較的大きなダイ面積を持ち、各ウェーハにより多くの量子ビットが収まるため、300mmウェーハから直接的に利益を得る。IBMのAlbany NanoTechでの300mmへの移行はこれを反映している。より広く見れば、300mmツールへの移行により、超伝導量子ビットは、より優れたプロセス制御と均一性を通じて、コヒーレンスの改善、ゲートエラー率の低下、ウェーハ全体での変動の減少を達成できる。
スピン量子ビットは、ナノメートル単位で測定される特徴サイズを持つ。300mmへの道は、ダイ面積ではなく、高品質ツールへのアクセス、既存の半導体fabrication施設へのアクセス、プロセス制御によって駆動されている。npj Quantum Informationの2025年の論文は、産業用300mm半導体ウェーハプロセスラインで完全に製造された天然Si/SiGeヘテロ構造でホストされた量子ドットについて記述しており、T1時間が1秒を超え、単一量子ビット忠実度が99%を超えることを達成している。これは重要である。なぜなら、Si/SiGeは、SiO2を用いた純粋シリコンよりも一般的でない300mmプロセスだからである。この実証は、300mmツールが高性能スピン量子ビットを可能にする先進的なSi/SiGeヘテロ構造（最も顕著にはHRL Laboratoriesによって開発された）と互換性があることを証明している。
Steinackerと同僚によるNatureの2025年の論文は、300mm半導体処理ラインで製造されたシリコン2量子ビットデバイスを報告している。著者らは4つのデバイスを製造し、すべてがゲート忠実度99%を超えた。複数のデバイスにわたるこの一貫性は、まさに学術的な一回限りの製造と産業的製造を区別する再現性と歩留まりの指標である。
ツールの利用可能性を超えて、コスト構造は方式によって異なる。シリコンスピン量子ビットは既存のCMOSインフラを活用し、特殊な材料とプロセスを必要とする超伝導量子ビットよりも量子ビットあたりの製造コストが大幅に安い。このコスト優位性は、スピン量子ビット企業が300mm foundryプロセスを採用する主要な推進力である。
コストを超えて、ツールの利用可能性が第二の考慮事項である。最も先進的なプロセス制御ツール——欠陥密度とプロセス変動を最小化するエッチングシステム、成膜ツール、計測装置——は、しばしば最初に300mm製造施設向けに開発される。一部の装置メーカーは複数のウェーハサイズを処理できるツールを設計しているが、最先端のプロセス開発は通常、大量生産顧客が動作する最大のウェーハサイズを対象としている。
最高のツールへのアクセスを必要とする企業は、300mmで作業するか、そうした施設と提携しなければならない。IBMとIMECは、まさにこの理由でこの方向に進んでいる。スピン量子ビットにとって、300mmへの道はすでに確立されている。超伝導量子ビットにとって、300mmツールへの移行は、コヒーレンスの改善、ゲートエラー率の低下、ウェーハ全体での変動の減少を可能にする。
すべての量子プラットフォームがウェーハスケール製造に依存しているわけではない。
イオントラップシステムは、大量の同一ダイではなく、単一のトラップのみを必要とする。主なCMOS統合の課題は、制御と読み出しに使用されるフォトニック集積回路（PIC）と光学インターコネクトにある。最近の研究は、イオントラップと集積フォトニクスおよびマイクロ光学を組み合わせたモジュラーアプローチを実証し、イオンアレイのスケーラブルなアドレッシングを可能にしている。他の実証では、CMOS互換の窒化シリコン導波路を使用した、密接に配置されたイオンのPICベースのアドレッシングが示されている。
材料科学における最近の発展も関連している。注目すべき例は、タンタルベースのフォトニック材料の使用であり、窒化シリコンプラットフォームに固有のプロセス制約の一部を回避する製造経路を可能にすることができる。Joe Spencerによる分析「Tantalising Lasers: Importance of Tantalum in the Supply Chain」で強調されているように、これらの材料は量子制御のためのよりコンパクトで潜在的により柔軟な集積フォトニクスアーキテクチャをサポートする。同時に、タンタルは、生産が地理的に集中し既存の産業需要と結びついているため、サプライチェーンの考慮事項をもたらす。これは、より広い傾向を示している。量子ハードウェアがより高度な材料と製造アプローチを採用するにつれて、確立された半導体および材料のサプライチェーンの制約をますます継承するようになる。
中性原子システムは異なるスケーリング制約に直面している。製造上の課題はウェーハ直径ではなく、大規模アレイを制御およびアドレスするために必要なフォトニック集積回路である。2025年8月、QuEra Computingは、Sandia National Laboratories、MIT、University of Arizonaと共同で、Rubidium-87中性原子QPU用のファウンドリで製造されたフォトニック集積回路プラットフォームを実証する論文を発表した。このプラットフォームは複数の波長（795 nm、420 nm、1013 nm）で動作し、単一量子ビットと2量子ビットRydbergゲートの要件の両方に対応している。論文は、この研究が「フォールトトレラント量子コンピュータに必要な先進的な大規模光学制御を開発するためのスケーラブルなプラットフォームを確立する」と明示的に述べている。
より広い業界のトレンドは、システムのサイズとコストを削減するために、離散レーザーシステムからフォトニック集積回路への移行である。この転換は、他の量子ハードウェア方式で見られる統合と製造可能性への同じ動きを反映している。例えば、Quantinuumは、フォトニクス開発に焦点を当てたNew Mexicoでの新しいR&Dセンターの設立計画を発表しており、これはGQIによるQuantum Computing Reportの報道でも言及されている。これは、スケーラブルな量子制御システムへの道としての集積フォトニクスへの投資の増加を示している。
これらのプラットフォームにとって、産業的製造基準への移行は、ウェーハサイズではなく、CMOS製造のフォトニクスと制御エレクトロニクスの統合に関するものである。
量子ハードウェア業界を統一するのは、300mmへの普遍的な移行ではなく、標準化された生産プロセスへの移行である。各方式の企業は、再現性、より高い歩留まり、より低い欠陥密度を求めている。
スピン量子ビットにとって、その道はすでに300mm fabrication施設を通っている。超伝導量子ビットにとって、ツールへのアクセスとダイ面積の経済性が一致するにつれて、300mmが目標になりつつある。イオントラップと中性原子にとって、製造上の課題は異なる——PICと光学統合を中心としている——が、学術的な一回限りの製造から産業規模の製造への移行が、量子ハードウェア開発の次の段階を定義している。
これは、量子ハードウェア製造を検討するシリーズの第1回である。製造トレンド、サプライチェーンのダイナミクス、方式固有のロードマップのより深い分析については、GQI購読者は当社の完全な製造データベースとカスタムブリーフィングサービスにアクセスできる。詳細については、[email protected]でGQIに連絡するか、[email protected]に直接連絡されたい。来週は、製造スループットと反復サイクルの経済性を見ていく。
2025年4月24日
