実用的な量子コンピューティングへの最も根強い障害の一つは、プロセッサ設計やエラー訂正アルゴリズムの問題ではなく、チップ内部の原子が発生する微視的な磁気ノイズである。米国エネルギー省（DOE）は今月、このノイズを発生源から解決する画期的成果を発表した。市販の代替品では太刀打ちできない同位体純度レベルの超高純度シリコンおよびゲルマニウム前駆体材料を製造したのである。
この成果は、DOE同位体研究開発生産局が7月20日に発表したもので、オークリッジ国立研究所（ORNL）とパシフィックノースウェスト国立研究所（PNNL）の協力によるものである。ORNLは高度な電磁同位体分離法（1998年に廃止された冷戦時代のカリュートロン技術の近代化版）を用いて、シリコンとゲルマニウムの原料から磁気ノイズの原因となる同位体をほぼすべて除去した。得られたシリコン28は99.9999%の純度に達し、問題となるシリコン29同位体は100万分の1未満に抑えられた。
ゲルマニウム製品も同様の結果を示し、ノイズ誘発性のゲルマニウム73同位体も100万分の1未満に低減された。両材料は、世界中の市販同等品よりも少なくとも100倍高純度である。
これが量子コンピューティングにとって重要な理由は、量子ビットが状態を保持する方法にある。天然シリコンにはシリコン29が含まれており、その原子核は磁気スピンを持つ。微量でもこの同位体を含むシリコンチップに量子ビットが埋め込まれると、その磁気変動がデコヒーレンス、すなわち計算を可能にする量子状態の漸次的喪失を引き起こす。シリコン29を除去すれば、量子ビットの動作環境は磁気的に静かになり、コヒーレンスをはるかに長く維持できる。
2014年の研究では、高濃縮シリコン28から作られたシリコンスピン量子ビットが劇的に延長されたコヒーレンス時間を示すことで、この原理を実証した。今回のDOEの研究は、国内サプライチェーンを通じてそのレベルの濃縮を意味ある規模で達成可能にするものである。
技術的課題は同位体分離で終わらなかった。濃縮材料がORNLで生産された後、半導体業界がチップ上にシリコンとゲルマニウムの超薄膜を堆積するために使用する特殊ガスであるシランとゲルマンに変換する必要があった。この変換工程は歴史的に同位体希釈の原因となっており、注意深い濃縮作業が化学処理中の汚染によって台無しになることがあった。
PNNLはこの希釈を防ぐための新しい化学変換および精製システムを開発した。同研究所はまた、熱拡散同位体分離技術を近代化し、シランおよびゲルマンガスの直接濃縮を可能にした。これは最終製品まで同位体純度を維持する追加処理工程である。自動安全システムが数百ものプロセス変数を監視し、危険なガスを安全に取り扱う。
DOEの関心は量子コンピューティングを超えて広がっている。同じ濃縮方法で、ゲルマニウム70、ゲルマニウム76、イッテルビウム171など、イオントラップ型量子コンピューティングや量子メモリ応用に使用される他の量子臨界同位体も生産できる。このより広範な能力は、冷戦時代のカリュートロンが廃止された際に米国が失った国内同位体濃縮能力を回復するものである。
当面の課題は、この実験室規模の成果を商業量子デバイスの一貫した改善へとつなげることである。研究者らは、これらの超純粋材料から製造されたチップが、量子ビットのコヒーレンス時間とゲート忠実度において測定可能な利得を大規模に提供することをまだ実証する必要がある。産業レベルへの生産拡大には持続的な投資が必要であり、DOEは次の段階では製造プロセスの簡素化と汚染リスクのさらなる低減に注力するとしている。
Sources: Silencing the Noise: DOE Unveils Breakthrough Domestic Silicon and Germanium Isotope Supply Chains (米国エネルギー省、2026年7月20日); DOE Labs Achieve Major Breakthrough in Ultra-Pure Isotope Production (AZOQuantum、2026年7月20日); 99.9999% Pure: US Scientists Create Ultra-Clean Silicon for Next-Gen Quantum Chips (Interesting Engineering、2026年7月26日)
雅子 訳