الرنانات النانوميكانيكية – كيف يمكن للحوسبة الكمومية الاستفادة من هذه الأجهزة الكهروضغطية

تصغير المستشعرات

As our technology becomes increasingly precise, it also requires ever-shrinking devices. This is well known for semiconductor technology like chips, with تقنية الطباعة بدقة 2 نانومتر (نانومتر) التي يتم اختبارها الآن من قبل رواد الصناعة مثل TSMC.

المصدر: TSMC

هذا صحيح أيضًا بالنسبة للأجزاء الميكانيكية، حيث لا يكون التفاعل كهربائيًا في المقام الأول، كما هو الحال في أشباه الموصلات. العنصر الرئيسي هو الرنانات الميكانيكية على نطاق النانو. الحجم الصغير جدًا لهذه الأجهزة يجعلها مفيدة جدًا لقياس الجسيمات الفردية.

حتى الآن، تم استخدام مجموعة محدودة فقط من المواد غير الموصلة لإنتاج الرنانات الميكانيكية. وقد تغير ذلك الآن بفضل عمل الباحثين في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا (السويد) وجامعة ماجدبورغ (ألمانيا).

This group of researchers has created a mechanical resonator from a new material, that has كلا بخصائص رنانة ممتازة وتكون أيضًا كهروضغطية. These results were published in Advanced Materials, under the title “Nanomechanical Crystalline AlN Resonators with High-Quality Factors for Quantum Optoelectromechanics¹”.

الرنانات النانوميكانيكية

Resonators are components like tuning forks that are able to vibrate at specific frequencies. In the case of the  the tuning fork, it oscillates at its resonance frequency, producing a sound wave within our hearing range.

اليوم تم تصغير الرنانات إلى مقياس الميكرو متر والنانو متر. تعمل هذه الرنانات الصغيرة جدًا عند ترددات أعلى بكثير من الكبيرة، وتكون حساسة للغاية. وهذا يجعلها حساسات ممتازة للقياسات على المستوى المجهري.

For example, such a nanoresonator can be used to measure the spins of single-proton or the gravity between small masses.

جعل الرنانات أكثر فائدة

Until now, most of the best nanomechanical resonators are made from tensile‑strained silicon nitride. This is a material with exceptional mechanical qualities, making for a very good resonator. The problem is that silicon nitride is not magnetic, nor piezoelectric, and does not conduct electricity.

هذه مشكلة في تحويل الرنين الميكانيكي إلى إشارة كهربائية، أو التحكم فيه مباشرة. لذا بشكل عام، لا يمكن لهذه الرنانات المصنوعة من نيتريد السيليكون التفاعل مع الأنظمة الأخرى إلا عندما تُضاف مادة أخرى فوق نيتريد السيليكون.

المشكلة هي أن هذه الإضافة تضر مباشرة بأداء الرنان.

Instead, the researchers managed to create a nanomechanical resonator made of tensile‑strained aluminum nitride. This material is piezoelectric, but it also displays excellent properties as a resonator, measured by a characteristic called the “mechanical quality factor” (Qm).

“حقق رنان نيتريد الألمنيوم عامل جودة يزيد عن 10 ملايين. وهذا يشير إلى أن نيتريد الألمنيوم المشدود تحت توتر قد يكون منصة مادة جديدة قوية لأجهزة الاستشعار الكمومية أو محولات الكم.”

Witlef Wieczorek – أستاذ الفيزياء في قسم الميكروتكنولوجيا والنانوعلم في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا.

Piezoelectric materials are a type of material that naturally convert mechanical motion into electrical signals and vice versa.

يُنتج هذا الشحن الكهربائي نتيجة لعدم التماثل القسري: في المواد الكهروضغطية، يتم فصل الشحنات الموجبة والسالبة عن بعضها البعض، مع الحفاظ على ترتيب متماثل. عندما يُطبق إجهاد ميكانيكي على المادة، يُفقد هذا التماثل، مما يؤدي إلى توليد شحنة كهربائية.

So contrary to previous versions of resonators, an aluminum nitride resonator can directly be interfaced with other nanoscale systems. And it could be used for direct readout in sensors.

كيف تم صُنعه

To develop this new type of resonator, the researchers created a highly stressed (tense) thin film of aluminum nitride 295 nm thick, by growing it on a substrate of silicon. The tension was “about 1GPa, the equivalent of balancing two elephants on a fingernail”.

المصدر: Advanced Material

They used a new resonator design, called trianguline, which looks like a fractal made with a central triangle-shaped pad.

المصدر: Advanced Material

The trianguline could be especially useful as it can maintain a single quantum coherent oscillation at room temperature. This would make it a lot easier to employ in quantum technology.

الخطوة التالية

As a first-of-a-kind prototype, it is likely that the aluminum nitride resonator presented here can still be improved further.

The first part will be to make it with an even higher quality factor, making it more sensitive and useful. The next step will be to experiment and find how to reliably adapt the design so it can be using piezoelectricity for quantum sensing applications.

التطبيقات

The most obvious application would be in quantum computing. Most quantum computers work by having the البتات الكمومية (qubits) properties measured.

Qubits can exist in multiple states simultaneously thanks to two quantum properties: التراكب and التشابك.

• التراكب يسمح للبتات الكمومية بتمثيل كل من 0 و 1 في الوقت نفسه، مما يزيد بصورة أسية من كمية البيانات التي يمكن معالجتها مقارنة بالبتات التقليدية.
• التشابك يربط البتات الكمومية بطريقة تجعل حالة بت واحد تؤثر فورًا على الآخر، حتى عبر مسافات كبيرة.

These properties enable QPUs to solve highly complex problems much faster than classical computers by exploring multiple solutions simultaneously.

مع ذلك، فإن البتات الكمومية هشة للغاية، وقياس خصائصها ليس مهمة سهلة. رنان يعمل في درجة حرارة الغرفة ويكون أيضًا كهروضغطيًا قد يكون نقطة تحول، سواء من حيث الأداء أو التكلفة.

قد يجعل ذلك رنانات نيتريد الألمنيوم جزءًا أساسيًا في تطوير وحدات المعالجة الكمومية القادرة على استبدال وحدة المعالجة المركزية الحالية لدينا، وهو موضوع ناقشناه بمزيد من التفصيل في “وحدات المعالجة الكمومية (QPUs): مستقبل الحوسبة” و في “الحالة الحالية للحوسبة الكمومية”.

يمكن أن تنبع تطبيقات أخرى من الدقة الفائقة للرنانات، ففي التطبيقات المتخصصة التي تتطلب ضوضاء منخفضة ووقت تماسك طويل، مثل أنظمة تعليق المرايا، وأجهزة التجاويف الكمومية الضوئية الميكانيكية، أو المستشعرات النانوميكانيكية، كلها مفيدة للأجهزة النانوية مثل الصمامات الضوئية (LEDs)، والحوسبة الضوئية، وغيرها.

هذا مثال آخر على مدى أهمية المواد الكهروضغطية في التقنيات المستقبلية. يمكنك معرفة المزيد عن هذا الموضوع من خلال بعض مقالاتنا التي تغطي هذه المواد:

• المواد الكهروضغطية – أكثر مصدر طاقة غير معروف شائع
• اختراق نيتريد الكربون يفتح الباب أمام تقدمات كبيرة في علم المواد
• التقدم في المركبات الكهروضغطية يتيح استغلال وتفسير الطاقة الحركية
• تصغير اللوحات المطبوعة باستخدام محولات الطاقة الكهروضغطية

الاستثمار في التكنولوجيا النانوية

Nanotechnology is becoming a growing segment beyond the making of semiconductors, with promises of wonder materials for the aerospace, biotech, energy, and chemical industries.

يمكنك الاستثمار في شركات التكنولوجيا النانوية عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور هنا، على securities.io، على توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة الأمريكية، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، وكذلك العديد من البلدان الأخرى.

إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات تكنولوجيا نانوية محددة، يمكنك أيضًا النظر في صناديق المؤشرات المتداولة (ETFs) للتكنولوجيا النانوية مثل ProShares Nanotechnology ETF (TINY) أو Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) التي ستوفر تعرضًا أكثر تنوعًا للاستفادة من أسهم الحوسبة الكمومية وتكنولوجيا النانو.

أو يمكنك الاطلاع على قائمتنا لـ “أفضل 10 أسهم في التكنولوجيا النانوية” و أفضل 5 شركات حوسبة كمومية.

شركة الرنانات

مع تعقّب حواسيبنا وإلكترونياتنا، يصبح الحصول على قياسات دقيقة أكثر أهمية، وفي بعض الحالات مسألة حياة أو موت.

هذا هو محور شركة SiTime (SITM ) ، وهي شركة تركز على قياس الوقت بدقة باستخدام تقنية السيليكون. وهذا مشابه لكيفية استخدام بلورات الكوارتز في الساعات (تقنية عمرها 70 عامًا)، باستثناء أدائها المتفوق:

• مقاومة قصوى للتداخلات الناتجة عن الصدمات، والاهتزازات، وتغيرات الحرارة، والاهتزاز العشوائي (jitter)، والضوضاء.
• حجم صغير ومتطلبات طاقة منخفضة.
• قابلة للبرمجة وأداء أعلى.

المصدر: SiTimes

SiTime هي الشركة المسؤولة عن إنشاء مفهوم “توقيت الدقة”، وهو قطاع ينمو بنسبة 30-35٪ سنويًا وتتمتع الشركة بحصة سوقية تبلغ 90٪.

كشركة أشباه موصلات “بدون مصنع” (fabless)، تركز SiTime على تطوير حقوق الملكية الفكرية الخاصة بها، وتترك التصنيع الفعلي لقادة الصناعة، وهو نموذج عمل مشابه لشركة Nvidia (NVDA ) لبطاقات الرسوميات (GPU) ورقائق الذكاء الاصطناعي.

• الاتصال 5G أسرع بـ 10 أضعاف من 4G
• مراكز البيانات تعمل أيضًا بسرعة أعلى بـ 10 أضعاف مقارنةً قبل بضع سنوات، وتستعد للتسارع مع تزايد تطبيقات الذكاء الاصطناعي.
• تدمج السيارات وغيرها من المركبات المزيد من الإلكترونيات اليوم، وقبل ظهور سيارات الروبوت (جميع مستويات الاستقلالية فوق المستوى 2 تحتاج إلى توقيت دقيق).
  • تقدم SiTime تقنية “FailSafe” حيث يدمج الجهاز الواحد الرنانات، والمذبذبات، وتوقيت الساعات، وآليات أمان متقدمة لتوقيت المركبات الذاتية القيادة. ستبدأ الشحنات الضخمة فقط في عام 2025.
• قطاع الفضاء ينمو بسرعة مع شركات مثل SpaceX التي تقود الطريق في زيادة كمية المواد المُطلقت، وتطبيقات جديدة مثل الإنترنت الفضائي منخفض الكمون.
  • التطبيقات العسكرية أيضًا تتصاعد، من الرادارات إلى الاتصالات والحرب الإلكترونية.

من شركة ناشئة ذات إيرادات قليلة في عام 2019 (معظمها من المذبذبات) وأطلقت أول رناناتها في عام 2020، نمت SiTime بسرعة كبيرة، مما أدى إلى زيادة الإيرادات وهوامش الربح الإجمالية وهوامش التشغيل في آن واحد.

المصدر: SiTimes

تبع ذلك النمو العام للسوق القابلة للخدمة (SAM) لشركة SiTime من 1 مليار دولار في 2021 إلى 4 مليارات دولار في 2024، كجزء من السوق الأكبر البالغ 10 مليارات دولار “سوق التوقيت”.

المصدر: SiTimes

استثمرت SiTime أكثر من 500 مليون دولار في البحث والتطوير بشكل cumulatively منذ تأسيسها. تميل صناعة الأنظمة الميكروإلكتروميكانيكية (MEMS) إلى تفضيل هيكل حيث تهيمن شركة واحدة تقريبًا بالكامل على قطاع ما، نظرًا لارتفاع حواجز الدخول (تكاليف البحث والتطوير، الخبرة التقنية، البراءات) وتميل العملاء إلى الالتزام بقادة الصناعة.

هذا يضع SiTime كقائد “MEMS التوقيت”، إلى جانب شركات أخرى مثل Broadcom (AVGO ) لترددات الراديو أو Bosch لأجهزة الاستشعار القصورية (SiTime كانت فرعًا من Bosch، قبل أن تشتريها الشركة اليابانية Megachips وتُدرج في بورصة ناسداك في 2019).

مع مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي، ونشر 5G، والاتصالات عبر الأقمار الصناعية، والمركبات ذاتية القيادة، جميعها قطاعات تنمو بصورة أسية، فإن SiTime في موقع جيد لتنمو بسرعة كبيرة، وتصبح حجر زاوية أقل شهرة لكنه حيوي في ثورة الاتصال والذكاء الاصطناعي المستمرة.

مرجع الدراسة:

^{1. Ciers, A., Jung, A., Ciers, J., Nindito, L. R., Pfeifer, H., Dadgar, A., Strittmatter, A., & Wieczorek, W. (2024). Nanomechanical crystalline AlN resonators with high quality factors for quantum optoelectromechanics. المواد المتقدمة, 36(44), 202403155. https://doi.org/10.1002/adma.202403155}