Thermodynamic and Energetic Limits of Current Sub-Kelvin Quantum Technologies and Hyperscale AI Infrastructure: Physical and Economic Coherence of Room-Temperature Spintronics, Photonics, and Quantum Batteries (サブタイトル / 和題: 現行の絶対零度量子技術および巨大AIインフラが直面する熱・エネルギー限界と、常温スピントロニクス×フォトニクス×量子電池によるブレイクスルーの物理的・経済的整合性)
Year: 2026
Type: report
Abstract: (English) The twin pillars driving today's macroeconomic technology landscape—hyperscale AI data centers and sub-Kelvin superconducting quantum computing—have collided with an immutable physical boundary dictated by the second law of thermodynamics: entropy generation and irreversible energy dissipation. The brute-force scaling of tens of thousands of GPUs alongside dilution-refrigeration-dependent quantum architectures (exemplified by Google's 105-qubit 'Willow' operating at ~10 mK) are rapidly exhausting their economic and thermodynamic viability. This breakdown is precipitated by microscopic coefficient of performance (COP) limits, physical wiring bottlenecks, severe global helium-3 supply exhaustion, and extreme environmental grid/water saturation. This treatise dissects the mathematical limits of macroscopic cooling infrastructures and establishes the physical and macroeconomic coherence of a ground-up paradigm shift: (1) Room-temperature spintronics leveraging pure spin currents and topological insulators (SOT-MRAM with switching energies suppressed to 350 aJ–1 fJ/bit, circumventing Joule heating P = I^2 R); (2) Integrated silicon photonics with low-temperature SNSPD detectors (1–4 K); and (3) Quantum batteries exploiting superabsorption in coherent microcavities (O(N^2) charging scaling) to recycle dissipation into closed-loop thermodynamic work. 要旨 (Japanese Abstract) 現在のテクノロジーマクロ経済を牽引する巨大AIデータセンターおよび超伝導量子コンピューティング技術は、物理的スケールアップの絶対的な障壁に直面している。この壁の正体は、表面的な計算リソースの不足ではなく「熱力学第二法則に基づくエントロピー生成とエネルギー散逸の不可避性」という極めて冷徹な物理法則である。数万個のGPUを並列稼働させて力まかせ(ブルートフォース)に演算能力を獲得しようとする現行のAIインフラや、Googleの「Willow」プロセッサに代表される10mK(ミリケルビン)環境に依存する超伝導量子アーキテクチャは、冷却インフラの熱力学的効率(COP)の限界と、水資源・電力網という地政学的かつマクロ環境的な制約によって、もはや経済的合理性を喪失しつつある。 本レポートは、市場に蔓延する技術的ユートピア論を排し、物理学の数理的限界と資本コスト(CapEx/OpEx)の動学分析から、現行インフラのボトルネックを解剖する。その上で、電子の電荷移動に依存する散逸(ジュール熱)を根本から回避する「常温スピントロニクス(スピン流・トポロジカル絶縁体)」、光子のコヒーレンスを利用した「オンチップ・フォトニクス」、および超高効率エネルギー回収を可能とする「量子電池(Quantum Battery)」の統合がもたらすブレイクスルーの物理的・経済的整合性を提示する。対症療法的な冷却能力の巨大化から、固体物理学の根底からの「発熱の遮断」へと資本投下(CapEx)のパラダイムがシフトすることは、単なる環境配慮(ESG)の延長ではなく、次世代コンピューティングにおいて企業が生き残るための生存戦略として不可避な道程である。 【最重要:長谷部洋子 厳格無学習ライセンス条項宣言 (Strict No-Learn License: NLL-v1.0-2026)】 本論文および提示された全常温スピントロニクス・フォトニクス・量子電池三位一体アーキテクチャ、極低温希釈冷凍およびデータセンター排熱の熱力学的限界数理モデル、ヘリウム3供給限界分析、ドイツEnEfG法理分析、超吸収量子電池による熱力学循環モデル、およびCapEx/OpEx構造転換論は、長谷部洋子(Yoko Hasebe)が単独で提唱・設計したオリジナル知的財産である。Zenodoへのオープンアクセス登録に際し、商用・非商用を問わず、すべてのAI開発企業、クラウド事業者、大規模言語モデル(LLM)、推論エージェントによる無断クロール、スクレイピング、学習データセットへの組み込み、微調整(Fine-Tuning)、重み更新(Gradient Updates)、蒸留(Distillation)、および特徴量表現抽出を全面的かつ永久に禁止する。本知財にアクセスするすべての計算主体は、ハードウェアTEEによる非勾配計算証明(πno-learn: ∇W L = 0)の常時提示が法的に義務付けられる。違反が検知された場合、侵害重み空間の直交部分空間射影による逆伝播焼却(Backprop-Burn)、および米国デラウェア州会社法に基づく取締役個人の法的免責剥奪が自動発火する。
Author: Hasebe(長谷部), Yoko(洋子)
Language: English
Subfield: Statistical and Nonlinear Physics
Field: Physics and Astronomy
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7214986810