によって可能になるテクノロジー 量子科学は、研究者が自然界をよりよく理解し、量子現象を利用して社会に利益をもたらすのに役立ちます。 それらは医療、輸送、通信を変革し、サイバー脅威や気候災害に対する回復力を高めます。 たとえば、量子磁場センサーは脳の機能イメージングを可能にします。 量子光通信は暗号化通信を可能にします。 また、量子コンピューターは、太陽光発電や医薬品のための次世代材料の発見を促進します。
現在、これらの技術は高価で準備が複雑な材料に依存しており、多くの場合、操作には高価でかさばる極低温冷却が必要です。 このような機器は、液体ヘリウムなどの貴重な商品に依存していますが、世界的な供給が減少するにつれて、ますます高価になっています。 2023 年には、量子技術を変革する量子材料の革新に革命が起こるでしょう。 これらの材料は、環境への要求を軽減するだけでなく、室温での動作と省エネルギーを可能にし、低コストで処理要件が単純です。 量子特性を最適化するために、研究所は化学構造と分子パッキングを操作できます。 良いニュースは、物理学者とエンジニアが多忙を極めていて、2023 年にはこれらの材料が科学研究所から現実世界に移行することです。
最近、英国工学・物理科学研究評議会は、インペリアル・カレッジ・ロンドンとマンチェスター大学が主導する、量子技術のための材料におけるイノベーションのビジョンを発表しました。 ロンドン ナノテクノロジー センター (インペリアル、キングス、ユニバーシティ カレッジ ロンドンの何百人もの研究者の共同体) は、量子システムのシミュレーションと特性評価においてかなりの専門知識を持っています。 英国の測定の本拠地である国立物理研究所は、量子技術の特性評価、検証、商業化に特化した数百万ポンドの施設である量子計測研究所を開設しました。 研究者と産業界が協力することで、医薬品、暗号化、サイバーセキュリティの新時代が到来します。
量子コンピューターの構成要素であるキュービットは、操作可能な電子スピンなどの量子特性を持つ材料に依存しています。 これらの特性を利用できるようになると、光と磁場を使用してそれらを制御し、もつれや重ね合わせなどの量子現象を生み出すことができます。 現在最先端のキュービット技術である超伝導キュービットは、超低温 (–273ºC) で超伝導体 (ゼロ抵抗で電気を伝導できる材料) として動作するジョセフソン接合で構成されています。 過酷な温度と高周波動作の要件は、これらの超伝導量子ビットの最も基本的な側面である誘電体でさえ、設計が難しいことを意味します。 現時点では、量子ビットには窒化ケイ素や酸化ケイ素などの材料が含まれており、非常に多くの欠陥があるため、電界エネルギーを蓄えるために量子ビット自体をミリメートルサイズにする必要があり、隣接する量子ビット間のクロストークによってかなりのノイズが発生します。 これらの材料では、実用的な量子コンピューターに必要な数百万の量子ビットに到達することは不可能です。
2023 年には、量子技術用の材料の設計においてさらなる革新が見られるでしょう。 これまでに検討された多くの素晴らしい候補 (窒素空孔欠陥のあるダイヤモンド、ファン デル ワールス/2D 材料、高温超伝導体など) の中で、私は分子材料の使用に最も興奮しています。 これらの材料は、消費者向け電子機器のスケーラブルな製造のための確立されたクラスの材料である炭素ベースの有機半導体を中心に設計されています (数十億ドル規模の OLED ディスプレイ産業に革命をもたらしました)。 化学を使用して光学的および電子的特性を制御することができ、それらの開発を取り巻くインフラストラクチャは確立された専門知識に依存しています。
たとえば、キラル分子材料 (重ね合わせることができない一対の鏡像として存在する分子) は、量子技術に革命をもたらします。 これらの非常に用途の広い分子の薄い片手層を使用して、室温で電子のスピンを制御できます。 同時に、金属フタロシアニンの長いスピンコヒーレンス時間と優れた熱的および化学的安定性により、それらが量子情報の伝達に使用されることがわかります。
2023 年には間違いなく、量子コンピューターの動作速度に関する大げさな見出しが見られるでしょうが、材料科学者は、低コストで高効率で持続可能な次世代の量子技術を研究、発見、設計するでしょう。