複数のCNOTゲートを繋げた大規模な量子プロセッサへの拡張性

プラズモン波束を用いたCNOTゲートが単体で機能することを確認した次のステップは、それらを数百、数千と繋ぎ合わせる**「スケーラビリティ（拡張性）」**の確保です。

プラズモン量子回路が、従来の超電導量子ビットやシリコン量子ビットに対してどのような優位性を持ち、大規模化においてどのような課題があるのかを整理します。

1. 拡張性におけるプラズモンの強み

プラズモン波束を用いたプロセッサが、大規模化において期待されている理由は主に3つあります。

• フットプリントの極小化: 超電導量子ビット（数ミリメートル）や光子量子回路（数センチメートル）に比べ、プラズモン導波路は数百ナノメートルから数マイクロメートルの範囲に収まります。同じ面積のチップ上に、より多くの量子ゲートを搭載可能です。

• 高速な通信・演算サイクル: プラズモンは光速に近い速度で伝播するため、ゲート間の通信遅延が極めて短くなります。これは、大規模な計算を行う際のクロック周波数を劇的に高める可能性を秘めています。

• ハイブリッド統合の容易さ: プラズモンは「光」と「電子」の中間的な存在であるため、既存のCMOS技術（電子回路）や光ファイバー通信（光回路）とのインターフェースが作りやすいという利点があります。

2. 大規模化を支える「バス」と「ネットワーク」構造

複数のCNOTゲートを繋ぐには、量子状態を壊さずにビットを転送する**量子バス（Quantum Bus）**が必要です。

• ナノ導波路ネットワーク: グラフェンナノリボンなどを利用した低損失な導波路を網目状に配置し、任意のゲート間で波束をルーティングします。

• 再構成可能なゲート配列: ゲート電圧を個別に制御することで、特定のパスをオン・オフしたり、演算の内容を動的に書き換えたりする「FPGA」のような量子プロセッサ構造が提案されています。

3. スケーラビリティへの3つの大きな壁

大規模化を実現するためには、避けて通れない技術的課題が存在します。

① 累積する損失（Loss Accumulation）

CNOTゲートを1回通るたびにプラズモンがわずかに減衰する場合、ゲートを10個、20個と繋げると信号が消えてしまいます。

• 対策: 前述のhBNカプセル化に加え、途中でプラズモンを増幅したり、光子に変換して長距離を飛ばし、再びプラズモンに戻す「中継技術」の確立が進められています。

② クロストーク（干渉問題）

回路が密集すると、隣り合う導波路の電磁場が干渉し、意図しない演算エラーが発生します。

• 対策: 深いサブ波長領域への閉じ込めを強化し、導波路間のアイソレーション（隔離）をナノ構造設計によって高める必要があります。

③ 制御配線の高密度化

数千のゲートを個別に制御するための電極配線が、チップ上で渋滞を起こします。

• 対策: 3次元積層技術（3Dチップ構造）を用い、計算レイヤーと制御レイヤーを分けるアプローチが検討されています。

4. 未来のプラズモン量子プロセッサ像

最終的には、**「量子・光・電子融合チップ」**としての姿が期待されています。

出典：Google Gemini

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