シリコンフォトニクスとは、シリコンを材料として、光を伝える回路や素子をチップ上に作り込む技術です。電気の代わりに光を使って情報を処理・伝送することで、高速かつ低消費電力なデバイスを実現します。もともとはデータセンターや通信分野で注目されましたが、近年は量子コンピュータの実現にも欠かせない基盤技術として期待が高まっています。
仕組みとしては、シリコン基板上に光の通り道である導波路や、光を変調する素子、光を検出する素子などを微細加工で集積します。シリコンは半導体産業で長年使われてきた材料であるため、既存の半導体製造ラインを活用できるのが大きな利点です。光の波長や位相を精密に制御することで、量子情報を担う光子を操作することも可能になります。特に、量子コンピュータの方式の一つである光量子コンピュータでは、光子の重ね合わせやもつれを利用するため、シリコンフォトニクスによる光回路の集積化が重要です。
なぜ重要かというと、量子コンピュータを実用化するには、多くの量子ビットを安定して動作させ、誤り訂正を行う必要があります。光量子方式では、光子は環境との相互作用が比較的弱いため、他の方式よりもデコヒーレンスの影響を受けにくいという利点があります。しかし、光学部品を個別に組み立てる従来の方法では、装置が大型化し、コストも膨大になります。シリコンフォトニクスを用いれば、光回路を半導体チップとして一括製造できるため、小型化と量産化が可能になり、量子コンピュータのスケーラビリティ（拡張性）を飛躍的に高められます。また、既存の半導体技術との相性が良いことから、量子コンピュータと古典コンピュータを融合したハイブリッドシステムの実現にも寄与します。
最近の動きとしては、当サイトの記事で、タワーセミコンダクターとザナドゥがシリコンフォトニクス量子スタックの産業化に向けて協力関係を強化したことが報じられています。タワーの大量生産技術を使ってザナドゥの設計を製品化し、一つのチップ上で数千個の量子ビットを扱える高性能な光回路の製造を目指す計画です。既存の通信インフラとの互換性も確保し、商業規模での展開を促進する方針が示されています。
身近な例えでいうと、シリコンフォトニクスは、電気配線の代わりに光の道路をチップの中に作るようなものです。光ファイバー通信は長距離で光を使いますが、シリコンフォトニクスはチップという極小の領域に光の回路を詰め込む点が異なります。よくある誤解として、シリコンフォトニクスは量子コンピュータ専用の技術だと思われがちですが、実際には高速通信やセンサー、AIアクセラレータなど幅広い分野で使われています。関連する用語としては、フォトニック集積回路、光量子コンピュータ、導波路、光変調器などがあります。量子コンピュータの実現方式の中で、シリコンフォトニクスは特に光量子方式の鍵を握る技術として、今後もますます重要性が高まるでしょう。
