⚛️ 第1章｜量子半導体の基礎と原理

Chapter 1｜Basics & Principles of Quantum Semiconductors

1.1 なぜ量子半導体なのか / Why Quantum Semiconductors?

現在の半導体スケーリング（微細化）は物理的限界に近づいており、
「新たな計算パラダイム」として量子コンピューティングへの関心が高まっています。
Current semiconductor scaling is approaching physical limits, raising interest in quantum computing as a new computational paradigm.

量子半導体とは、量子力学的な原理を利用して情報処理を行う素子を対象にした技術領域であり、
これまでのCMOSロジックとは異なる計算原理・設計思想が必要になります。
Quantum semiconductors are devices that use quantum mechanical principles for information processing, requiring design philosophies distinct from CMOS logic.

1.2 古典ビットと量子ビットの違い / Classical Bits vs Qubits

項目 / Item	古典ビット / Classical Bit	量子ビット / Qubit
値の状態 / State	0 または 1 0 or 1	0と1の重ね合わせ Superposition of 0 & 1
同時性 / Parallelism	無 None	並列状態を一度に処理可能 Processes parallel states simultaneously
代表的実装 / Implementation	CMOS, トランジスタ CMOS, Transistor	超伝導回路, イオントラップ, 半導体量子ドット Superconducting, Ion Trap, Quantum Dot
計算特性 / Computation	決定論的 Deterministic	非決定論的・確率的出力 Probabilistic Output

1.3 量子力学的な3つの基礎原理 / Three Core Quantum Principles

🔀 重ね合わせ (Superposition)
ビットが「0」と「1」の状態を同時に持つことができる
A qubit can exist in both 0 and 1 states simultaneously.
🔗 量子もつれ (Entanglement)
複数の量子ビットが強く相関した状態をとり、非局所的に影響し合う
Multiple qubits share a strong correlation, influencing each other non-locally.
🌊 量子干渉 (Interference)
波としての振幅が干渉し、望ましい計算結果を強める・望ましくない結果を打ち消す
Wave amplitudes interfere, enhancing desired outcomes and canceling undesired ones.

1.4 半導体との接点 / Relevance to CMOS Engineers

🛠 既存の半導体製造・設計ノウハウ（CMOS、配線、低温冷却など）が量子でも重要
Existing semiconductor know-how (CMOS, interconnects, cryogenics) is essential for quantum devices.
🌐 Intel・IBM・GoogleなどはCMOS共存型量子チップの開発を推進
Intel, IBM, and Google are developing CMOS-compatible quantum chips.
🔮 将来的には「量子アクセラレータ」がSoCに統合される可能性
Quantum accelerators may be integrated into SoCs in the future.

1.5 本章まとめ / Chapter Summary

量子半導体 = 量子力学に基づく計算素子
Quantum semiconductors = Devices based on quantum mechanics.
重ね合わせ・もつれ・干渉という原理は古典計算と根本的に異なる
Superposition, entanglement, and interference differ fundamentally from classical computing.
半導体技術者にとっても製造・回路設計との融合が進むため理解が必須
Understanding is essential as integration with semiconductor manufacturing and design advances.