普通のガラスが量子チップになった。フェムト秒レーザーで3D光子回路を刻む技術が登場した

シリコンでもダイヤモンドでもない。普通のガラスだ。

そのガラスの内部にフェムト秒レーザー（1000兆分の1秒のパルスを発するレーザー）を照射することで、3次元の光子回路を形成できる技術が発表された。量子コンピューティングに必要な「量子チップ」を、特殊な素材ではなく日常的な材料で作れる可能性が開かれた。

フェムト秒レーザーは何をしているのか

フェムト秒レーザーとは、パルスの持続時間がフェムト秒（10のマイナス15乗秒）単位の超短パルスレーザーだ。人間の感覚では「一瞬」だが、その瞬間にガラス内部の微小領域だけを改質できる。

このレーザーをガラスに照射すると、照射された部分だけ屈折率が変わる。光の通る道が変わるということだ。この「光の道」を三次元的に設計すれば、光子（フォトン）が特定の経路を通る回路が作れる。

従来の量子光子回路は、特殊なシリコン基板やリチウムニオブ酸塩などの結晶素材の上に、リソグラフィー（微細加工）で2次元的に刻まれていた。それが今回の技術では、ガラスの中に3次元的に刻める。

3次元になると何が変わるか。回路の密度が桁違いに上がる。2次元の基板上では隣の回路との干渉を避けるためにスペースが必要だが、3次元なら上下方向にも回路を配置できる。

量子コンピューティングの最大の障壁はコストとスケーラビリティだ。

超伝導量子ビット（GoogleやIBMが使う方式）は、絶対零度付近まで冷却する装置が必要で、1台あたり数億円から数十億円かかる。イオントラップ方式も高度な真空装置が要る。

光子量子ビットは、室温で動く。冷却装置が不要だ。しかし光子回路を作るための素材が高価で加工が難しかった。

そこにガラスが来た。ガラスは安い。地球上でほぼ無限に手に入る。製造プロセスも確立されている。そして今回、そのガラスにレーザーを当てるだけで量子光子回路が作れることが示された。

「高い素材を精密に加工する」から「安い素材にレーザーを撃つ」へ。製造コストの構造が根本的に変わる可能性がある。

正直に書くと、まだ遠い。

現在の実験はプロトタイプ段階で、実用的な量子計算に耐えるエラー率の低さは実現できていない。光子の損失（伝搬中に消える問題）も解決すべき課題として残っている。

しかし素材のコスト障壁が下がることの意味は大きい。量子コンピューティングが「一握りの巨大テック企業だけが持てる技術」から「大学の研究室でも試作できる技術」に変わるかもしれない。裾野が広がれば、予想外の応用が出てくる。

Googleの量子超越性実証（2019年のSycamore）が「量子コンピュータは本当に古典コンピュータを超えられる」ことを示したとすれば、今回の研究は「量子コンピュータを安く作る道があるかもしれない」ことを示したと言える。

日本は光子量子コンピューティングの研究で世界的に強い。理化学研究所、NTT、東京大学のグループが光子量子ビットの研究を長年進めてきた。

ガラス基板＋フェムト秒レーザーという組み合わせは、日本の光学技術・レーザー加工技術が世界トップクラスであることを考えると、日本の研究機関が追試・発展させるのに最も適した分野の一つだ。

量子コンピューティングの国際競争は加速している。米国・中国が兆円単位を投じる中で、日本が勝てる領域があるとすれば、このような「素材＋精密加工」の交差点かもしれない。