これは、世界の商業的に利用可能な選択肢よりも100倍以上クリーンです。彼らのプロセスは、99.9999%の純度を持つシリコン-28を生成し、このマイルストーンは量子ビットがその量子状態をより長く保持するのを助け、アメリカの将来の量子技術の国内供給チェーンを強化します。ランダーズは、「前例のない同位体の純度を実現することで、私たちはアメリカで世界で最も安定した量子コンピュータの基盤を手渡しています。これは単なる漸進的なステップではなく、次の技術革命の火花を点火するものです。」と付け加えました。
アメリカ合衆国エネルギー省が超純シリコンとゲルマニウム材料を成功裏に開発
通常のシリコンは量子コンピュータにとって十分に静かではありません。従来のコンピュータとは異なり、量子コンピュータは量子ビットを用いて情報を保存し、これらの量子ビットは周囲の環境に非常に敏感です。原子レベルの微小な擾乱でさえも、量子ビットがその精密な量子状態を失う原因となり、このプロセスはデコヒーレンス（decoherence）と呼ばれます。驚くべきことに、重要な擾乱の一つは自然に存在する同位体から来ています。自然界のシリコンは主にシリコン-28ですが、少量のシリコン-29も含まれています。同様に、自然のゲルマニウムも複数の同位体を含んでおり、ゲルマニウム-73もその一つです。
より有用な同位体と比較して、シリコン-29とゲルマニウム-73は核スピンを持ち、これは材料中に散らばる無数の小さな磁石のような微小な磁気特性です。これらの回転する原子核は常に微弱な磁気波動を生成しています。個々の擾乱はほとんど無視できるものですが、それらが組み合わさることで、近くの量子ビットに干渉するのに十分な背景ノイズが生じます。研究者たちは長年にわたり、これらの同位体を除去することで量子ハードウェアを大幅に改善できることを知っていました。例えば、2014年の研究では、高度に濃縮されたシリコン-28から製造されたシリコンスピン量子ビットのコヒーレンス時間が、天然シリコンから製造された量子ビットよりも著しく長いことが示され、同位体の純化が量子計算において重要であることが再確認されました。
しかし、これらの高度に濃縮された材料の生産は技術的に困難であり、アメリカは限られた国内の濃縮能力と海外の供給業者に依存していました。アメリカ合衆国エネルギー省の研究所は量子プロセッサを再設計するのではなく、これらのプロセッサで使用される原材料の改善に焦点を当てました。このプロジェクトは、製造チェーンの異なる部分を処理するために二つの国立研究所に作業を割り当てました。オークリッジ国立研究所では、科学者たちは改良された電磁同位体分離技術（EMIS）を使用し、質量に基づいて原子を並べ替えました。基本的な概念はマンハッタン計画の時代に使用された電磁分離器に遡りますが、現代のシステムは広範に最適化されています。
アップグレードされた技術は、一度の生産で複数の同位体を分離し、初期の冷戦時代のシステムを超える濃縮性能を実現します。商業的に利用可能な開始材料を利用して、オークリッジ国立研究所はほぼすべてのシリコン-29とゲルマニウム-73を除去し、その濃度を百万分の一未満にまで下げました。最終的なシリコン-28は99.9999%の純度に達し、ゲルマニウム製品のゲルマニウム-73含量は百万分の一未満です。これらの濃縮された材料はその後、太平洋北西国立研究所に移され、研究者たちは別の課題に直面しました。
高度に純化された同位体は、チップ製造に使用される工業化学品に変換される際に再び汚染されやすいです。PNNLの研究者マイク・パウエル（Mike Powell）は、「濃縮されたシリコンの同位体の希釈は挑戦的な問題です。」と述べています。このような事態を防ぐために、PNNLは新しい化学変換および純化システムを開発し、濃縮されたシリコンとゲルマニウムを超純シラン（SiH₄）とゲルマニウムエン（GeH₄）に変換します。これらは半導体業界が先進的なチップ上に極薄層を堆積させるために使用する供給ガスであり、将来の量子デバイスにも利用されます。
この研究所はまた、熱拡散同位体分離技術（TDIS）を現代化し、ガス自体を直接濃縮できるようにしました。この追加のステップは、従来の加工プロセスで発生する可能性のある同位体希釈のリスクを最小限に抑えます。シランとゲルマニウムエンは危険なガスであるため、研究者たちは自動制御システムを構築し、数百の操作条件を継続的に監視して、全体の生産プロセスの安全性と極めて高い化学純度を維持するのを助けます。このシステムは同位体の濃縮から始まり、量子デバイス製造に準備された半導体級前駆材料を提供するまでのプロセスを通じて機能します。このプロジェクトは単なる材料の突破口ではなく、アメリカが第二次世界大戦中にカリウム（calutron）を退役させた後に失われた能力の大部分を回復するものです。
新しい生産パイプラインは、オークリッジ国立研究所の同位体濃縮と太平洋北西国立研究所の化学変換、純化、直接ガス濃縮を組み合わせ、将来の量子技術のための国内の半導体級材料の供給源を創出しました。同じ濃縮方法は、ゲルマニウム-70、ゲルマニウム-76、イットリウム-171など、量子関連の他の同位体を生産することも可能で、これらはさまざまな量子計算アーキテクチャに使用されます。ランダーズは、「オークリッジ国立研究所のこれらの能力と太平洋北西国立研究所の補完的な能力を活用することで、同位体研究開発および生産オフィスは、量子研究に必要な物理的形態を満たす前例のないシリコン、ゲルマニウムおよび他の同位体の同位体および化学純度を提供する能力を持っています。」と述べました。
しかし、この突破口は量子計算の最大の障害を即座に解消するものではありません。研究者たちは、超純材料が商業量子デバイスを持続的に改善できることを証明する必要があり、工業規模への生産拡大には継続的な投資が必要です。アメリカ合衆国エネルギー省は、今後の作業は製造プロセスの簡素化、汚染リスクの低減、これらの材料の供給の増加に焦点を当てると述べており、これらのステップはアメリカの量子計算および半導体供給チェーンを強化することができます。
量子計算の最大の障害の一つは、プロセッサやソフトウェアではなく、チップ内部の単一原子からの微小な磁気信号にあります。シリコンとゲルマニウムを基にした量子技術では、これらの材料の自然なバージョンには、原子レベルのノイズを生じさせる同位体が含まれており、脆弱な量子ビットが情報を失う原因となります。アメリカ合衆国エネルギー省の同位体研究開発および生産オフィスのディレクター、クリストファー・ランダーズ（Christopher Landers）は、「長年にわたり、量子スーパーコンピューティングの約束は、物理的な世界の微視的なノイズに阻まれてきました。」と述べています。現在、アメリカ合衆国エネルギー省のオークリッジ国立研究所（ORNL）と太平洋北西国立研究所（PNNL）の科学者たちは、ノイズ源となる同位体の含有量が百万分の一未満の超純シリコンとゲルマニウムの前駆材料を国内で生産する方法を開発しました。
これは、世界の商業的に利用可能な選択肢よりも100倍以上クリーンです。彼らのプロセスは、99.9999%の純度を持つシリコン-28を生成し、このマイルストーンは量子ビットがその量子状態をより長く保持するのを助け、アメリカの将来の量子技術の国内供給チェーンを強化します。ランダーズは、「前例のない同位体の純度を実現することで、私たちはアメリカで世界で最も安定した量子コンピュータの基盤を手渡しています。これは単なる漸進的なステップではなく、次の技術革命の火花を点火するものです。」と付け加えました。
アメリカ合衆国エネルギー省が超純シリコンとゲルマニウム材料を成功裏に開発
通常のシリコンは量子コンピュータにとって十分に静かではありません。従来のコンピュータとは異なり、量子コンピュータは量子ビットを用いて情報を保存し、これらの量子ビットは周囲の環境に非常に敏感です。原子レベルの微小な擾乱でさえも、量子ビットがその精密な量子状態を失う原因となり、このプロセスはデコヒーレンス（decoherence）と呼ばれます。驚くべきことに、重要な擾乱の一つは自然に存在する同位体から来ています。自然界のシリコンは主にシリコン-28ですが、少量のシリコン-29も含まれています。同様に、自然のゲルマニウムも複数の同位体を含んでおり、ゲルマニウム-73もその一つです。
より有用な同位体と比較して、シリコン-29とゲルマニウム-73は核スピンを持ち、これは材料中に散らばる無数の小さな磁石のような微小な磁気特性です。これらの回転する原子核は常に微弱な磁気波動を生成しています。個々の擾乱はほとんど無視できるものですが、それらが組み合わさることで、近くの量子ビットに干渉するのに十分な背景ノイズが生じます。研究者たちは長年にわたり、これらの同位体を除去することで量子ハードウェアを大幅に改善できることを知っていました。例えば、2014年の研究では、高度に濃縮されたシリコン-28から製造されたシリコンスピン量子ビットのコヒーレンス時間が、天然シリコンから製造された量子ビットよりも著しく長いことが示され、同位体の純化が量子計算において重要であることが再確認されました。
しかし、これらの高度に濃縮された材料の生産は技術的に困難であり、アメリカは限られた国内の濃縮能力と海外の供給業者に依存していました。アメリカ合衆国エネルギー省の研究所は量子プロセッサを再設計するのではなく、これらのプロセッサで使用される原材料の改善に焦点を当てました。このプロジェクトは、製造チェーンの異なる部分を処理するために二つの国立研究所に作業を割り当てました。オークリッジ国立研究所では、科学者たちは改良された電磁同位体分離技術（EMIS）を使用し、質量に基づいて原子を並べ替えました。基本的な概念はマンハッタン計画の時代に使用された電磁分離器に遡りますが、現代のシステムは広範に最適化されています。
アップグレードされた技術は、一度の生産で複数の同位体を分離し、初期の冷戦時代のシステムを超える濃縮性能を実現します。商業的に利用可能な開始材料を利用して、オークリッジ国立研究所はほぼすべてのシリコン-29とゲルマニウム-73を除去し、その濃度を百万分の一未満にまで下げました。最終的なシリコン-28は99.9999%の純度に達し、ゲルマニウム製品のゲルマニウム-73含量は百万分の一未満です。これらの濃縮された材料はその後、太平洋北西国立研究所に移され、研究者たちは別の課題に直面しました。
高度に純化された同位体は、チップ製造に使用される工業化学品に変換される際に再び汚染されやすいです。PNNLの研究者マイク・パウエル（Mike Powell）は、「濃縮されたシリコンの同位体の希釈は挑戦的な問題です。」と述べています。このような事態を防ぐために、PNNLは新しい化学変換および純化システムを開発し、濃縮されたシリコンとゲルマニウムを超純シラン（SiH₄）とゲルマニウムエン（GeH₄）に変換します。これらは半導体業界が先進的なチップ上に極薄層を堆積させるために使用する供給ガスであり、将来の量子デバイスにも利用されます。
この研究所はまた、熱拡散同位体分離技術（TDIS）を現代化し、ガス自体を直接濃縮できるようにしました。この追加のステップは、従来の加工プロセスで発生する可能性のある同位体希釈のリスクを最小限に抑えます。シランとゲルマニウムエンは危険なガスであるため、研究者たちは自動制御システムを構築し、数百の操作条件を継続的に監視して、全体の生産プロセスの安全性と極めて高い化学純度を維持するのを助けます。このシステムは同位体の濃縮から始まり、量子デバイス製造に準備された半導体級前駆材料を提供するまでのプロセスを通じて機能します。このプロジェクトは単なる材料の突破口ではなく、アメリカが第二次世界大戦中にカリウム（calutron）を退役させた後に失われた能力の大部分を回復するものです。
新しい生産パイプラインは、オークリッジ国立研究所の同位体濃縮と太平洋北西国立研究所の化学変換、純化、直接ガス濃縮を組み合わせ、将来の量子技術のための国内の半導体級材料の供給源を創出しました。同じ濃縮方法は、ゲルマニウム-70、ゲルマニウム-76、イットリウム-171など、量子関連の他の同位体を生産することも可能で、これらはさまざまな量子計算アーキテクチャに使用されます。ランダーズは、「オークリッジ国立研究所のこれらの能力と太平洋北西国立研究所の補完的な能力を活用することで、同位体研究開発および生産オフィスは、量子研究に必要な物理的形態を満たす前例のないシリコン、ゲルマニウムおよび他の同位体の同位体および化学純度を提供する能力を持っています。」と述べました。
しかし、この突破口は量子計算の最大の障害を即座に解消するものではありません。研究者たちは、超純材料が商業量子デバイスを持続的に改善できることを証明する必要があり、工業規模への生産拡大には継続的な投資が必要です。アメリカ合衆国エネルギー省は、今後の作業は製造プロセスの簡素化、汚染リスクの低減、これらの材料の供給の増加に焦点を当てると述べており、これらのステップはアメリカの量子計算および半導体供給チェーンを強化することができます。
量子計算の最大の障害の一つは、プロセッサやソフトウェアではなく、チップ内部の単一原子からの微小な磁気信号にあります。シリコンとゲルマニウムを基にした量子技術では、これらの材料の自然なバージョンには、原子レベルのノイズを生じさせる同位体が含まれており、脆弱な量子ビットが情報を失う原因となります。アメリカ合衆国エネルギー省の同位体研究開発および生産オフィスのディレクター、クリストファー・ランダーズ（Christopher Landers）は、「長年にわたり、量子スーパーコンピューティングの約束は、物理的な世界の微視的なノイズに阻まれてきました。」と述べています。現在、アメリカ合衆国エネルギー省のオークリッジ国立研究所（ORNL）と太平洋北西国立研究所（PNNL）の科学者たちは、ノイズ源となる同位体の含有量が百万分の一未満の超純シリコンとゲルマニウムの前駆材料を国内で生産する方法を開発しました。
これは、世界の商業的に利用可能な選択肢よりも100倍以上クリーンです。彼らのプロセスは、99.9999%の純度を持つシリコン-28を生成し、このマイルストーンは量子ビットがその量子状態をより長く保持するのを助け、アメリカの将来の量子技術の国内供給チェーンを強化します。ランダーズは、「前例のない同位体の純度を実現することで、私たちはアメリカで世界で最も安定した量子コンピュータの基盤を手渡しています。これは単なる漸進的なステップではなく、次の技術革命の火花を点火するものです。」と付け加えました。
アメリカ合衆国エネルギー省が超純シリコンとゲルマニウム材料を成功裏に開発
通常のシリコンは量子コンピュータにとって十分に静かではありません。従来のコンピュータとは異なり、量子コンピュータは量子ビットを用いて情報を保存し、これらの量子ビットは周囲の環境に非常に敏感です。原子レベルの微小な擾乱でさえも、量子ビットがその精密な量子状態を失う原因となり、このプロセスはデコヒーレンス（decoherence）と呼ばれます。驚くべきことに、重要な擾乱の一つは自然に存在する同位体から来ています。自然界のシリコンは主にシリコン-28ですが、少量のシリコン-29も含まれています。同様に、自然のゲルマニウムも複数の同位体を含んでおり、ゲルマニウム-73もその一つです。
より有用な同位体と比較して、シリコン-29とゲルマニウム-73は核スピンを持ち、これは材料中に散らばる無数の小さな磁石のような微小な磁気特性です。これらの回転する原子核は常に微弱な磁気波動を生成しています。個々の擾乱はほとんど無視できるものですが、それらが組み合わさることで、近くの量子ビットに干渉するのに十分な背景ノイズが生じます。研究者たちは長年にわたり、これらの同位体を除去することで量子ハードウェアを大幅に改善できることを知っていました。例えば、2014年の研究では、高度に濃縮されたシリコン-28から製造されたシリコンスピン量子ビットのコヒーレンス時間が、天然シリコンから製造された量子ビットよりも著しく長いことが示され、同位体の純化が量子計算において重要であることが再確認されました。
しかし、これらの高度に濃縮された材料の生産は技術的に困難であり、アメリカは限られた国内の濃縮能力と海外の供給業者に依存していました。アメリカ合衆国エネルギー省の研究所は量子プロセッサを再設計するのではなく、これらのプロセッサで使用される原材料の改善に焦点を当てました。このプロジェクトは、製造チェーンの異なる部分を処理するために二つの国立研究所に作業を割り当てました。オークリッジ国立研究所では、科学者たちは改良された電磁同位体分離技術（EMIS）を使用し、質量に基づいて原子を並べ替えました。基本的な概念はマンハッタン計画の時代に使用された電磁分離器に遡りますが、現代のシステムは広範に最適化されています。
アップグレードされた技術は、一度の生産で複数の同位体を分離し、初期の冷戦時代のシステムを超える濃縮性能を実現します。商業的に利用可能な開始材料を利用して、オークリッジ国立研究所はほぼすべてのシリコン-29とゲルマニウム-73を除去し、その濃度を百万分の一未満にまで下げました。最終的なシリコン-28は99.9999%の純度に達し、ゲルマニウム製品のゲルマニウム-73含量は百万分の一未満です。これらの濃縮された材料はその後、太平洋北西国立研究所に移され、研究者たちは別の課題に直面しました。
高度に純化された同位体は、チップ製造に使用される工業化学品に変換される際に再び汚染されやすいです。PNNLの研究者マイク・パウエル（Mike Powell）は、「濃縮されたシリコンの同位体の希釈は挑戦的な問題です。」と述べています。このような事態を防ぐために、PNNLは新しい化学変換および純化システムを開発し、濃縮されたシリコンとゲルマニウムを超純シラン（SiH₄）とゲルマニウムエン（GeH₄）に変換します。これらは半導体業界が先進的なチップ上に極薄層を堆積させるために使用する供給ガスであり、将来の量子デバイスにも利用されます。
この研究所はまた、熱拡散同位体分離技術（TDIS）を現代化し、ガス自体を直接濃縮できるようにしました。この追加のステップは、従来の加工プロセスで発生する可能性のある同位体希釈のリスクを最小限に抑えます。シランとゲルマニウムエンは危険なガスであるため、研究者たちは自動制御システムを構築し、数百の操作条件を継続的に監視して、全体の生産プロセスの安全性と極めて高い化学純度を維持するのを助けます。このシステムは同位体の濃縮から始まり、量子デバイス製造に準備された半導体級前駆材料を提供するまでのプロセスを通じて機能します。このプロジェクトは単なる材料の突破口ではなく、アメリカが第二次世界大戦中にカリウム（calutron）を退役させた後に失われた能力の大部分を回復するものです。
新しい生産パイプラインは、オークリッジ国立研究所の同位体濃縮と太平洋北西国立研究所の化学変換、純化、直接ガス濃縮を組み合わせ、将来の量子技術のための国内の半導体級材料の供給源を創出しました。同じ濃縮方法は、ゲルマニウム-70、ゲルマニウム-76、イットリウム-171など、量子関連の他の同位体を生産することも可能で、これらはさまざまな量子計算アーキテクチャに使用されます。ランダーズは、「オークリッジ国立研究所のこれらの能力と太平洋北西国立研究所の補完的な能力を活用することで、同位体研究開発および生産オフィスは、量子研究に必要な物理的形態を満たす前例のないシリコン、ゲルマニウムおよび他の同位体の同位体および化学純度を提供する能力を持っています。」と述べました。
しかし、この突破口は量子計算の最大の障害を即座に解消するものではありません。研究者たちは、超純材料が商業量子デバイスを持続的に改善できることを証明する必要があり、工業規模への生産拡大には継続的な投資が必要です。アメリカ合衆国エネルギー省は、今後の作業は製造プロセスの簡素化、汚染リスクの低減、これらの材料の供給の増加に焦点を当てると述べており、これらのステップはアメリカの量子計算および半導体供給チェーンを強化することができます。