量子冷蔵庫の秘密：米国を凌駕する中国の冷却技術

皆さん、まだ喉が完全には治っておらず、声が少し嗄れていますが、それでも今日、最近のニュースについてお話しする妨げにはなりません。中国が世界一低温の合金を開発し、米国防高等研究計画局（DARPA）をも驚かせたそうです。この物質は一体何がそんなにすごいのでしょうか？ まずは整理してみましょう。実はこの材料は量子コンピューティングのために開発されたものです。量子コンピューティングはセキュリティ分野で多くの活用の余地があります。量子チップは環境からの干渉に非常に敏感で、絶対零度に近い低温下で動作させる必要があり、少しでも温度が上がると機能しなくなってしまいます。絶対零度は-273.15℃ですが、現在、これに近づけることができるのは、「希釈冷凍」と呼ばれる方法のおかげです。しかし、この方法は装置が巨大で持ち運びに不便な上、価格も法外に高く、簡単に数千万単位の費用がかかってしまう。さらに、希釈冷却は主にヘリウム3に依存しているが、これは希少であり、核兵器から抽出する必要がある。わが国の処理量は世界の大部分を占めているのだ。 DARPAは1月27日、次世代の量子技術および防衛技術の研究開発を目的として、ヘリウムフリー冷却システムに関する提案を緊急募集する公募を発表しました。これは、量子コンピュータ専用の小型冷蔵庫となる技術を探しているものと理解できます。そして、2月11日、この課題を中国人が解決しました。中国科学院の科学者たちは、『ネイチャー』誌に「金属結合磁性体における巨大磁気熱効果とスピン超固体」と題する論文を発表した。簡単に言えば、「断熱脱磁冷却」と呼ばれる固体冷却法を用いたもので、その効果は驚異的だ。 ECAは磁性希土類合金の一種であり、低温環境下に置き、磁場を印加すると、合金内部の微細な磁石が均一に配列し、合金の熱を放出する。低温環境から取り出し、磁場を取り除くと、内部の磁石は無秩序な状態に戻り、熱を吸収して冷却される。従来の磁気冷却材料は熱伝導性が低いため、ECA自体が冷却されても、周囲の部品を冷却する効果は芳しくなかった。一方、ECAの熱伝導率は従来の材料より1～2桁高く、10⁶ミリケルヴィンの低温を実現し、金属材料の温度記録を更新するとともに、長年にわたる熱伝導性のボトルネックを克服することに成功した。 これに対し、希釈冷凍法には多くの欠点がある。装置が大型で扱いにくく、高価であり、ヘリウム3も希少である。一方、ECAによる冷却ソリューションはこれとは正反対で、コンパクトで安定しており、持ち運びも容易であり、量子コンピュータの柔軟な配置にとって極めて重要です。また、安価で量産が可能であり、ECAは重希土類の一種として埋蔵量が豊富で、北は軽希土類、南は重希土類の産地で採掘・加工が可能であり、さらに国家戦略資源であるため、我々が主導権を握っており、ヘリウム3のように希少ではありません。もっと詳しく知りたい方は、中国科学院のウェブサイトをご覧ください。「科学研究の進捗」という欄に控えめに掲載されており、6ページめくってようやく見つかりましたが、詳細は論文のリンクにすべて記載されています。 ですから、皆さん、これはなかなか興味深い話です。一見地味なこの技術ですが、実は大国間の科学技術競争の焦点となっています。そして、私たち中国は、今回、先頭を走っているのです。