砂粒サイズの映像を投影可能にする MEMS アレイチップ。

多くの試算によれば、サイバーセキュリティ、医薬品開発を始めとする様々な分野でその潜在的な可能性を発揮するために、量子コンピュータは数백のキュービットが必要になると予測されています。しかし問題なのは、特定の種類の数 백のキュービットを同時に制御しようとした者すべてが、数백本のレーザビームを制御することへの挑戦に見舞われてきたという点です。まさにその課題に直面したのは、MITRE、MIT、コロラド大学ボルダー校、そしてサンディア国立研究所からなる研究チームで構成される「MITRE クアンタムムーンショットプロジェクト」でした。彼らが開発した解決策は画像投影技術であり、これは拡張現実や生物医療イメージング、その他多くの分野における課題への解答としても期待されています。

その装置とは、モン・リサの肖像を人間の 2 つの卵細胞よりも小さな領域に投影可能な、1 ミリ平方のフォトニックチップです。「われわれがスタートした当初には、 imaging（画像形成）技術を革新的に変える技術を開発すると予想していたはずがありません」と、コロラド大学ボルダー校の量子工学教授であり、スケーラブルなダイヤモンドベースの量子コンピュータの開発を目的とした共同研究プロジェクト「クアンタムムーンショット」のリーダーの一人であるマット・アイケンフィールド氏は語ります。

毎秒にわたり、そのチップは 6860 万個の個々の光スポット——物理的なピクセルとは区別するために「スキャン可能ピクセル」と呼ばれています——を投影できます。これは微電子機械システム（MEMS）マイクロミラーアレイのような従来技術と比較して、50 倍以上も性能が高く、「我々は現在、回折によって許容される絶対限界にあるスキャン可能ピクセルを実現した」と言います。MIT の訪問研究者であり、QuEra Computing のフォトニクスエンジニアであるヘンリー・ウェン氏です。

チップの特徴的な要素は、電圧に対してチップの平面から湾曲する微小なマイクロスケールのカニレバー（板ばね）の配列です。これらは光に対する微小な「スキージャンプ」として機能します。各カニレバーに沿ってライトガイドが設けられ、光はその先端から放出されます。カニレバーには窒化アルミニウムの薄い層が含まれており、これは圧電体として電圧により膨張・収縮し、微細機械体を上下に動かすことで、配列全体が 2 次元領域で光ビームをスキャンすることを可能にしています。

チームの達成の規模は大きかったものの、アイケンフィールド氏によれば、カニレバーのエンジニアリングプロセス自体は「比較的スムーズ」だったといいます。各カニレバーはいくつかのサブマイクロメートル階層の材料からなる積層体で構成され、静止時において約 90 度ほど平面外へと湾曲しています。この高い曲率を実現するためには、材料の製造プロセスに伴う物理的な応力によって生じる個々の層の収縮・膨張の差を利用しました。まず、材料はフラットにチップ上に沈着させられ、その後カニレバーより下のチップ内の層を取り除くことで、材料の応力が発現し、カニレバーがチップから解放され、平面外へ湾曲することを可能にします。また、各カニレバーの最上層には、ライトガイドに対して垂直方向に走る一連の酸化珪素バールも備わっており、これによりカニレバーの幅方向への湾曲を防止しつつ、長手方向への曲率を向上させています。微小カニレバーはふらつきながら振動し、光を正しい場所に投影します。

マット・サハ、Y. ヘンリー・ウェンら

チップ自体のエンジニアリングよりもさらに課題だったのは、実際にチップが画像や動画を投影する詳細な仕組みを開発することでした。MITRE の研究者であり、本プロジェクトにも携わったアンディ・グリーンスポン氏によれば、カニレバーの運動と光ビームを同期させ、タイミングを合わせることによって正しい時刻に正しい色を生み出すプロセスの開発は、大規模な取り組みだったといいます。今やチームは、1 つのカニレバーから様々な動画を投影することに成功しました。映画『チャーリー・ブラウンのお誕生日』の場面などが含まれるクリップもその中にあります。チップはモノ・リサの肖像画を約 125 マイクロメートルの画像として投影しました。

このチップは、時間区間内で以前からのビームスキャナよりもはるかに多くのスポットを投影することができるため、量子コンピュータにおける多数のキュービットの制御にも利用可能です。「クアンタムムーンショットプログラムの使命は、数백のキュービットまでスケーリング可能な量子コンピュータを構築することにあります。したがって、明らかに各キュービットを制御するためのスケーラブルな方法が必要なのです」とウェン氏は説明します。キュービットごとに 1 つのレーザを使用するのではなく、チームは全てのキュービットにいつでも制御する必要はないことに気づき、このチップによる光ビームを 2 次元領域上で移動させる能力を活用することで、はるかに少ないレーザ数で全てのカニレットを制御できるようにしました。

ウェン氏によれば、もう一つこのチップが改善し得るプロセスとして挙げられるのが、3D プリンティングにおける対象物のスキャンです。現在では通常、単一のレーザを対象物の全面を一様にスキャンする方法が取られていますが、新しいチップを利用すれば数千本の光ビームを同時に採用することが可能です。「今では、数時間かかっていたプロセスをもしかしたら数分までに短縮できるかもしれません」とウェン氏は言います。

さらに、ウェン氏はカニレバーの形状の違いを探求することに熱心です。ライトガイドに対して垂直方向に走るバールの向きを変化させることで、チームはカニレバーをらせん状に湾曲させることに成功しました。ウェン氏によれば、このような不規則な形状は細胞生物学や医薬品開発における「ラボ・オン・ア・チップ」の製造にも役立つ可能性があります。「これらの多くはイメージングであり、何かものをスキャンして画像化したり、反応を引き起こしたりするためです。そしてわれわれはこの『スキージャンプ』が単に上へ曲がるだけでなく、実際に反転させて戻り、サンプルの上を移動しながらスキャンできるようにしてもよいのです」とウェン氏は説明します。「もし有用だと想像できる構造があれば、それを試みるべきではないでしょうか」。