複数の量子コンピュータ企業が、半導体メーカーが過去75年間に行ってきた数兆ドル規模の投資を活用して量子コンピュータを構築する戦略について議論しています。より深く掘り下げるため、私たちは半導体技術を量子ハードウェアに応用する非常に異なるアプローチを取っている2つの企業、GlobalFoundriesとSnowcap Computeに話を聞くことにしました。
最初の企業はGlobalFoundriesで、2009年にAMDの製造部門のスピンオフによって設立された多国籍半導体ファウンドリです。ニューヨーク州Malta、ドイツのDresden、その他の場所に主要施設を持っています。
GlobalFoundriesは、PsiQuantum、Equal1、Quantum Motion、Diraq、Archer、Xanadu、そしておそらく他の複数の量子ハードウェア企業と協力しています。量子技術における彼らの初期の取り組みは、University of Torontoと協力した2018年に遡ります。
スピン量子ビットは標準的な半導体に最も似ており、この方式はEqual1、Quantum Motion、Diraqによって使用されています。スピン量子ビットに対して、GlobalFoundriesは22FDXプロセスを利用できます。これは22ナノメートルの完全空乏型シリコン・オン・インシュレータ（FD-SOI）です。GlobalFoundriesはこれらの企業向けにスピン量子ビットを製造するために新しい装置を必要としませんが、これらの設計は通常の半導体チップ設計ルールに違反する独自の構造を必要とする場合があります。また、量子ビットのコヒーレンス時間を改善するために同位体純度の高いSilicon-28スターティングウェーハの使用も検討していますが、これは装置やプロセスフローを変更するものではありません。
低温で動作するCMOSチップの構築における重要な課題の一つは、設計をシミュレートするために使用されるプロセスモデルが非常に低い温度に対して特性評価されていないことです。CMOSトランジスタは、多くの半導体で規定されている0～70度（273～343ケルビン）と比較して、15ミリケルビンで動作する場合、大きく異なる電気的特性を持つ可能性があります。これにより、デバイスのモデリングとシミュレーションが非常に困難になります。22FDXプロセスの利点は、バックサイド接続があることで、ユーザーがVT（トランジスタのしきい値電圧）を制御できる点です。したがって、企業が低温での特性をモデル化できない場合でも、このバックサイド接続に印加される電圧を調整して適切なトランジスタ特性を得ることができます。スピン量子ビットの製造に加えて、このプロセスは量子コンピュータにおける極低温読み出しチップにも使用できます。22FDXプロセスは、GlobalFoundriesのドイツDresdenにあるファブで製造されています。
PsiQuantumと行っているフォトニクスの作業は全く異なります。この作業には、GlobalFoundriesがニューヨーク州Maltaのファブに設置した専用リソースが必要で、数百万ドルの投資を要しました。2022年4月、米国国防総省はGlobalFoundries/PsiQuantumパートナーシップを支援するために2,500万ドルを提供しました。GlobalFoundriesはPsiQuantumと非常に緊密に協力して、彼らのニーズに合わせたカスタムプロセスを開発しており、これは他の利益ももたらしています。PsiQuantumとの協力により、GlobalFoundriesはフォトニクスプロセスを強化し、それを他の顧客にも提供できるようになりました。
世界クラスの半導体ファウンドリが量子技術企業との協力を検討する際によく生じる疑問は、期待される生産量です。これらの製造施設には数十億ドルの設備投資と、エンジニアリングサポートにおける多額の経費が必要です。利益を上げるには、規模の経済を達成するために数千または数百万枚のウェーハを必要とするプロジェクトが必要です。量子プロジェクトは現在このレベルには達していませんが、GlobalFoundriesは量子技術が非常に重要であり、将来的には大量生産が必要になると考えています。これが、量子産業が成長するにつれて製造サービスを提供する主導的な立場を取るために、今投資を行っている理由です。
私たちが話を聞いた2番目の企業は、Snowcap Computeというスタートアップで、量子ハードウェア企業がシステムを拡張する際に直面する問題を潜在的に解決できる、全く異なるアプローチを取っています。
大規模データセンターの指数関数的な成長が電力要件の指数関数的な成長につながっていることはよく知られています。大規模データセンターには10,000から100,000台ものサーバーがあり、マイクロプロセッサ、GPU、空調、その他のニーズのために最大100メガワットの電力を消費する可能性があります。これは電力会社とデータセンター運営者の両方にとって大きな懸念事項であり、一部の企業はデータセンターの隣に原子力発電所を併設して電力を供給することさえ検討しています。
最近2,300万ドルのシードベンチャー資金を受け取ったSnowcapは、別の解決策を推進しています。CMOS系の半導体ロジックを提供する代わりに、彼らはSingle Flux Quantum（SFQ）と呼ばれる超冷却ジョセフソン接合に基づく別のロジックファミリーに取り組むことにしました。SFQは、トランジスタに流れる電流の代わりに磁束量子として情報を保存します。重要なのは、極低温で動作し、電力において2～3桁の改善を提供し、約10倍高速に動作することです。チームの一部のメンバーは10年以上SFQロジックに取り組んできました。彼らは28nmプロセス技術、これらの回路を製造する300ミリメートルウェーハサイズのファブを確保しており、すでにCadenceからのEDAサポートを得ています。
Snowcapの技術の主要市場はAIデータセンターですが、この技術は極低温で動作する超伝導およびスピン量子ビット方式に取り組んでいる量子ハードウェア企業にとっても魅力的である可能性があります。GQIは、レポート「Road to Shor Era Quantum Computing」において、量子システムが拡張する際に直面する課題を広範囲に検証してきました。超伝導およびスピン量子ビットシステムの拡張において際立つ2つの課題は、配線と熱です。
通常、システム内の量子ビットを制御するには、量子ビットあたり1本以上のワイヤーが必要です。現在のほとんどのシステムは、室温電子機器で制御信号を生成し、希釈冷凍機を通して上部の室温から底部のサブケルビン温度までワイヤーを配線しています。このアプローチは、量子コンピュータが約100量子ビットしか持たない現在は機能しますが、単一の希釈冷凍機内に数千の量子ビットを配置するには新しいアプローチが必要です。いくつかの企業が制御用のcryoCMOSチップを追求しており、例えばIntelはこの目的のためにHorse Ridge IIおよびPando Treeチップを開発しました。このアプローチは配線問題を解決します。室温コントローラからcryoCMOSチップまで配線する必要があるのは少数のワイヤーだけです。Pando Treeの場合、このチップは量子ビットチップの真横に位置し、信号は回路基板を通して配線できます。
しかし、熱の問題はまだ解決する必要があります。個々の量子ビットを制御する電力は低いですが、この数値は数千の量子ビットを掛け合わせると大幅に増加する可能性があります。この電力は熱を発生させ、希釈冷凍機の冷却能力を圧倒する可能性があります。例えば、Bluefors XLD1000冷凍機は20 mKで30 µWの定格冷却能力を持っています。これにより、単一の希釈冷凍機内に配置できる量子ビットの数が制限され、大規模システムに必要なサイズを達成するために複数のモジュールの大規模な量子ネットワーキングが必要になります（これに関する詳細な分析は、上記で参照した「Road to Shor Era Quantum Computing」で入手可能です）。
ここでSFQロジックが関連してきます。潜在的に、量子ビットの制御に必要な電力を大幅に削減し、希釈冷凍機内により多くの量子ビットを配置できるようにします。さらに、より高速な速度はシステム速度も向上させ、実行時間の短縮につながります。いくつかの企業がSFQロジックに取り組んでいます。SEEQCはしばらくこの技術を開発しており、最近DARPAのQuantum Benchmarking Initiativeの下でIBMとの協力を発表しました。D-Waveもゲート型量子コンピュータプログラムでSFQロジックの検討を噂されています。Snowcapは、量子ビットの拡張問題の解決策を探している量子企業にそのサービスを提供しています。cryoCMOSが可能な解決策である一方で、SFQアプローチの使用は追加の利点を提供する可能性があります。
2025年7月29日
